Schneider Electric: przełomowe badanie dotyczące oceny ryzyka wystąpienia łuku elektrycznego

Schneider Electric publikuje przełomowe badanie

Schneider Electric, globalny lider w zakresie technologii dla energii, opublikował badanie, które dostarcza praktycznych wskazówek dotyczących oceny ryzyka wystąpienia łuku elektrycznego oraz zarządzania tym ryzykiem w architekturach zasilania 800 VDC. Analiza, oparta na scenariuszach wdrożeniowych uwzględniających wzorce projektowe stosowane przez operatorów hiperskalowych centrów danych, porównuje dwie architektury 800 VDC o różnej konfiguracji. Wyniki pokazują, że charakterystyka występowania łuku elektrycznego zależy w dużej mierze od architektury systemu, rozmieszczenia kondensatorów oraz sposobu i czasu wyłączenia zwarcia.

Jednym z kluczowych wniosków badania jest to, że nawet przy najbardziej wymagających scenariuszach, w których dominującą rolę odgrywają kondensatory, ryzyko wystąpienia łuku elektrycznego w systemach 800 VDC można skutecznie ograniczyć, a w wielu przypadkach jest ono porównywalne z typowymi systemami AC. Ponadto bardziej zaawansowane modelowanie z wykorzystaniem specjalistycznego oprogramowania i cyfrowych bliźniaków może pomóc w dokładniejszym odwzorowaniu ryzyka wystąpienia łuku elektrycznego.

Wnioski z badania pojawiają się w kluczowym momencie, gdy architektury 800 VDC są wdrażane w celu obsługi szaf rack o wysokiej gęstości mocy w centrach danych AI. Transformacja w kierunku infrastruktury zasilania centrów danych 800 VDC, której liderem jest NVIDIA, wspólnie z partnerami technologicznymi w dziedzinie energii, takimi jak Schneider Electric, umożliwi wielkoskalowym centrom danych oraz fabrykom AI obsługę szaf IT o mocy 400 kW i większej.

Wraz z przyspieszeniem rozwoju infrastruktury o coraz wyższej gęstości mocy dystrybucja energii przy napięciu 800 VDC staje się praktycznym rozwiązaniem umożliwiającym efektywne zasilanie szaf o mocy liczonej w megawatach.

Jednocześnie wyższe napięcia robocze wymagają pogłębionej wiedzy na temat zachowania systemu w warunkach zwarcia, koordynacji zabezpieczeń oraz zasad bezpiecznej pracy.

Dystrybucja energii przy napięciu 800 VDC stanowi istotną zmianę w projektowaniu centrów danych, ale wiąże się również z kwestiami bezpieczeństwa, które wymagają szeroko zakrojonych badań – powiedział Manish Kumar, EVP Secure Power & Data Centers w Schneider Electric. Nasza współpraca z niektórymi z wiodących operatorów hiperskalowych centrów danych na świecie pozwala zapewnić inżynierom i specjalistom ds. bezpieczeństwa jeden z pierwszych praktycznych modeli oceny ryzyka wystąpienia łuku elektrycznego, oferując ustrukturyzowane podejście do analizy zachowania systemu w warunkach zwarcia, opracowywania zasad bezpiecznej pracy oraz projektowania skutecznych systemów ochrony. Naszym celem jest wspieranie branży w przechodzeniu na architektury o wyższym napięciu w sposób bezpieczny i zapewniający odpowiedni poziom pewności.

Analiza ryzyka wystąpienia łuku elektrycznego jest już standardową praktyką w centrach danych zasilanych prądem przemiennym (AC), jednak obecnie nie istnieją ogólnobranżowe normy ani wytyczne dotyczące zarządzania zagrożeniami elektrycznymi, na które personel może być narażony w systemach 800 VDC. Najnowsze badanie ma zatem istotne znaczenie nie tylko dla oceny i zarządzania ryzykiem związanym z łukiem elektrycznym, lecz także dla zapewnienia, że systemy 800 VDC osiągną porównywalny poziom bezpieczeństwa do istniejących systemów zasilania. Obowiązujące normy mogą zawyżać ocenę ryzyka wystąpienia łuku elektrycznego, podczas gdy analiza symulacyjna Schneider Electric pokazuje, że zaawansowane oprogramowanie i cyfrowe bliźniaki pozwalają dokładniej modelować to ryzyko.

Ocena przeprowadzona dla dwóch różnych architektur 800 VDC

Badanie Schneider Electric stanowi jedną z pierwszych praktycznych analiz ryzyka wystąpienia łuku elektrycznego w architekturach 800 VDC zarówno na poziomie szafy rack, jak i całego obiektu. Analizie poddano rozwiązania odzwierciedlające najważniejsze kierunki rozwoju wdrażane obecnie w branży. Wykorzystano metody oparte na obowiązujących normach, symulacje stanów przejściowych oraz modelowanie na poziomie całego systemu. Wyniki pokazują, że istniejące metody oceny ryzyka wystąpienia łuku elektrycznego mogą być stosowane w systemach 800 VDC, pod warunkiem uwzględnienia architektury systemu oraz zmienności zjawisk w czasie, a także że decyzje projektowe mają wpływ na uzyskiwane wyniki:

• Architektury 800 VDC na poziomie szafy rack: w analizie przypadku sidecar (nazywanego również power rack), przeprowadzonej z wykorzystaniem konserwatywnych metod i założeń, uzyskane wartości energii padającej były znacznie niższe od przyjętego progu 1,2 cal/cm² dla środków ochrony indywidualnej (PPE), nawet bez zastosowania urządzeń zabezpieczających.
• Scentralizowane architektury 800 VDC: analiza przypadku na poziomie całego obiektu wykazała możliwość wystąpienia nieco wyższej energii padającej niż w przypadku architektur na poziomie szafy rack, ponownie przy uwzględnieniu konserwatywnej, mniej realistycznej architektury bez zabezpieczeń nadprądowych. W analizie oceniono również wpływ topologii systemu i wykazano, w jaki sposób miejsca wystąpienia zwarcia – zarówno przed, jak i za diodami blokującymi przepływ prądu wstecznego – wpływają na zasilanie zwrotne, wartość prądu szczytowego oraz charakterystykę łuku elektrycznego. W przypadku ograniczenia czasowego udziału zwarcia dzięki zastosowaniu standardowych urządzeń zabezpieczających energia łuku elektrycznego zostaje zmniejszona do odpowiednich poziomów dla danego środowiska pracy i jest zasadniczo zgodna z poziomami występującymi w typowych architekturach AC.

Strategie projektowe i strategie zabezpieczeń stanowią istotne czynniki ograniczające ryzyko wystąpienia łuku elektrycznego w architekturach 800 VDC. Badanie pokazuje, że ogólny poziom ryzyka pozostaje niski, a w wielu przypadkach jest porównywalny z typową dystrybucją energii prądu przemiennego AC. Nawet przy zastosowaniu standardowych urządzeń zabezpieczających działających w określonym czasie energia padająca może pozostawać poniżej kluczowych progów. Badanie wykazało również, że:

• Znaczenie mają zjawiska przejściowe: w systemach 800 VDC łuk elektryczny jest związany ze zmiennymi w czasie prądami zwarciowymi, przy czym rozładowanie kondensatorów dominuje w pierwszych milisekundach zdarzenia.
• Symulacje zwiększają dokładność: oprogramowanie, takie jak narzędzia do symulacji stanów przejściowych i analizy systemów elektroenergetycznych, pokazuje, że uproszczone metody analizy ryzyka wystąpienia łuku elektrycznego w systemach DC często zawyżają to ryzyko w systemach, w których dominującą rolę odgrywają kondensatory. Operatorzy mogą znacząco ograniczyć ryzyko wystąpienia łuku elektrycznego, opierając strategię ochrony na zaawansowanym oprogramowaniu i cyfrowych bliźniakach, takich jak ETAP.
• Decyzje projektowe ograniczają ryzyko: charakterystyka łuku elektrycznego zależy od architektury i konfiguracji systemu, a nie wyłącznie od zastosowania dystrybucji prądu stałego. Rozmieszczenie kondensatorów, urządzenia blokujące przepływ prądu wstecznego oraz zabezpieczenia działające w skali milisekund stanowią kluczowe elementy umożliwiające bezpieczne wdrażanie systemów 800 VDC.

Normy branżowe pozostają kluczowe dla bezpieczeństwa związanego z łukiem elektrycznym i bezpieczeństwa elektrycznego, jednak tradycyjne metody mogą być zbyt konserwatywne, ponieważ nie odzwierciedlają w pełni sposobu działania złożonych systemów DC – powiedział Tanuj Khandelwal, CEO ETAP. Aby właściwie ocenić rzeczywisty poziom ryzyka, inżynierowie muszą analizować topologię systemu, zachowanie podczas zwarcia, koordynację zabezpieczeń, reakcję przekształtnika, logikę przełączania oraz aktywne systemy ochrony. ETAP umożliwia zespołom modelowanie i walidację systemów 800 VDC w warunkach odpowiadających ich rzeczywistemu działaniu, pomagając odejść od konserwatywnych założeń na rzecz dokładniejszych, wspieranych przez AI i opartych na prawach fizyki decyzji dotyczących bezpieczeństwa i eksploatacji.

Prace te stanowią kontynuację wieloletnich doświadczeń Schneider Electric w zakresie testowania bezpieczeństwa związanego z łukiem elektrycznym i wzmacniają zaangażowanie firmy we wspieranie branży w transformacji w kierunku architektur zasilania 800 VDC, które są kluczowym wymogiem dla nowoczesnych systemów szaf o wysokiej gęstości mocy wdrażanych w centrach danych AI. Schneider Electric przeprowadził również szeroko zakrojone testy możliwości wymiany komponentów pod napięciem (live swap) w systemach 800 VDC, aby umożliwić bezpieczne prowadzenie prac konserwacyjnych.

Wyniki badania są obecnie dostępne w white paper zatytułowanym „DC Arc Flash Analysis: A Practical Study on 800 VDC in Data Centers".

(gz)