مرکزداده مقالات

تجهیزات توزیع برق در فضاهای مرکز داده

تجهیزات توزیع برق به شکلی طراحی شده‌اند که برق مورد نیاز تجهیزات را به روشی ایمن و قابل اطمینان تامین کنند. در عین حال که بسیاری از سیستم‌های توزیع برق در ظاهر بسیار شبیه یکدیگر به نظر می‌رسند، اما ویژگی‌های مشخصی آن‌ها را از هم متمایز می‌سازد. برای خبرگان IT، ممکن است واژگان این حوزه همچون فشار قوی، فشار متوسط، فشار ضعیف، تابلو برق، تابلو توزیع، دستگاه توزیع برق و غیره، بسیار گیج‌کننده باشد. این کلمات کلیدی در این مقاله توضیح داده شده و نگاهی کلی نیز بر کارکرد، جایگذاری و استانداردهای تجهیزات کلیدی توزیع برق در مراکز داده خواهد داشت. اما انتخاب و طراحی دقیق تجهیزات در موضوع این مقاله نمی‌گنجد.

در شکل 1، نموداری شماتیک از سیستم توزیع برق آورده شده که نشان‌دهنده‌ی نام و مکان معمول تجهیزات توزیع‌کننده‌ی برق در مرکز داده و همچنین مسیر جریان برق، می‌باشد. این نمودار تنها به منزله‌ی مثالی از طراحی الکتریکی بوده و تلاش دارد تا تمام انواع اصلی و ممکن تجهیزات به کار رفته و مکان‌های معمول قرارگیری آن‌ها در مرکز داده را در برگیرد. در جهان واقعی، طراحی الکتریکی معمول برای مرکز داده بسیار پیچیده‌تر و متنوع‌تر از مثال نشان داده شده در شکل 1 می‌باشد. بعضی از متغیرهای متداول در قسمت “خلاصه‌ای از تجهیزات الکتریکی”، به طور مختصر ارائه شده‌اند. توجه شود که طراحی‌های الکتریکی معمولا در قالب نمودارهای تک خطی نمایش داده می‌شوند. (به متن داخل کادر مراجعه شود.)

تک خطی و پنج خطی

 نقشه‌ها و طرح‌هایی که به توصیف طراحی الکتریکی مرکز داده می‌پردازند، اغلب در قالب نمودارهایی تک خطی ارائه می‌شوند چرا که در این روش، تمام کابل‌ها(سه کابل فاز، نول و ارت) به شکل خط‌هایی، اجزای اصلی همچون کلیدهای قطع مدار و ترانسفورمرها را به هم متصل می‌سازند.

اگرچه، زمانی که به نقشه‌هایی با جزییات بیشتر نیاز باشد که اتصال‌های تمام سیم‌های فاز، نول و ارت را نیز نشان دهد، از نموداری پنج خطه استفاده می‌شود. همان طور که از نامش نیز مشخص است، در این نمودار 5 خط نشان‌دهنده‌ی 5 سیم سیستم الکتریکی هستند و در درک بهتر تاثیرات اتصال زمین یا  جریان های سرگردان و یا دیگر مشکلاتی احتمالی سیستم الکتریکی، بسیار موثر است.

 

شکل 1: نمودار شماتیک نشان‌دهنده‌ی سیستم توزیع برق در مرکز داده
شکل 1: نمودار شماتیک نشان‌دهنده‌ی سیستم توزیع برق در مرکز داده

معمولا برق شهری فشار متوسطی را برای یک مرکز داده‌ی اختصاصی تامین می‌کند. سپس در مرکز داده، این برق MV توسط ترانسفورمر MV/LV به فشار ضعیف‌تری(LV) تبدیل می‌شود. در نهایت برق LV توسط تجهیزات توزیع برق نشان داده شده در شکل 1، میان مصارف مختلفی چون دستگاه‌های IT داخل رک‌ها، سیستم سرمایش، نورپردازی و غیره، توزیع می‌شود. برق بعضی از مراکز داده‌ی کوچک، توسط ترانسفورمرهای  کوچک و ساختمانی با فشاری ضعیف تامین شده در حالی که، مراکز داده‌ی بزرگ چند مگاواتی می‌توانند سطح ولتاژ عملیاتی را بین HV و یا MV تعیین کنند. نوع و مکان پست HV/MV را می‌توان طی قراردادی با صاحبان مراکز داده و نیروگاه، تعیین کرد. دسترسی به تجهیزات فشار قوی شامل تابلو برق HV و ترانسفورمرها HV/MV به کارکنان کارخانه‌های برق شهری اختصاص داشته و در این مقاله مطرح نخواهد شد.

ولتاژ نامی در توزیع برق مراکز داده

استانداردهای ولتاژ برق معمولا با استفاده از دو مقدار مانند استاندارد IEC 400/230V[1] یا ولتاژ 415/240V برای مراکز داده‌ی پربازده green data center در آمریکای شمالی[2] بیان می‌شوند. اگرچه خبرگان ITهنوز هم در درک این مفهوم با مشکل روبرو هستند. ارتباط میان این دو مقدار چیست؟ تفاوت IEC با استاندارد ولتاژ آمریکای شمالی چیست؟ چرا ولتاژ ورودی 100-240Vac روی برچسب سرورهای مرکز داده‌ی ما نشان داده شده است؟ یادگیری تجهیزات توزیع الکتریکی در درک بهتر ولتاژهای توزیع برق در مراکز داده بسیار موثر است.

سیستم‌های سه فاز در برابر سیستم تک فاز

معمولا توزیع برق مراکز داده توسط سیستم جریان متناوب (AC) سه فاز صورت می‌گیرد. عبارت “سیستم سه فاز AC” بدان معناست که هر یک از سه کویل‌ جداگانه‌ی ترانسفورمر، برق AC سه فاز تولید می‌کنند. عبارت “سیستم تک فاز” نیز بدان معناست که یک کویل ترانسفورمر، برق تک فاز تولید می‌کند.

ترانسفورمرهای به کار رفته در مراکز داده معمولا سه فاز(با سه سیم‌پیچ جداگانه) بوده و ولتاژ را از ولتاژ بالای ورودی (ولتاژ اولیه) تا ولتاژ کمتر خروجی (ولتاژ ثانویه) کاهش می‌دهند.

معمولا از کلمات “3سیمه” و “4سیمه” در توصیف طراحی سیستم الکتریکی استفاده می‌شود.عبارت 3سیمه به معنی وجود سه رسانای برق‌دار بوده که در شکل 2 با خطوط 1، 2 و 3 نشان داده شده است. از طرف دیگر، عبارت 4 سیمه بدان معناست که علاوه بر سه رسانای برق‌دار مطرح شده، یک رسانای چهارم خنثی نیز وجود دارد. همانند شکل 2، در بیشتر مصارف IT، این رسانای خنثی برای تامین ولتاژ فاز به نول لازم است.

علاوه بر سیم‌هایی که در بالا توضیح داده شد، سیم نهایی دیگری نیز وجود داشته که برای تمام مراکز داده ضروری بوده و سیم “اتصال به زمین” و سیم “محافظ ارت” (PE) نام دارد. هدف از ایجاد سیم ارت تامین ایمنی افراد در برابر برق گرفتگی و همچنین حفاظت تجهیزات الکتریکی است. با اتصال تمام قطعات فلزی بدون پوشش از تجهیزات مرکز داده (شامل تجهیزات فاوا) به سیم اتصال به زمین، می‌توان به این هدف دست یافت. در صورت بروز اتصال زمین، سیم ارت در نقش مسیر کم مقاومتی برای جریان برق عمل کرده که کلید قدرت یا فیوز را به کار می‌اندازد.

به طور خلاصه باید گفت دو نوع از سیستم‌های سه فاز وجود دارد: سیستم 3سیمه به علاوه‌ی سیم اتصال به زمین و سیستم 4سیمه به علاوه‌ی سیم اتصال به زمین. در بعضی مناطق، سیستم 4سیمه‌ با سیم ارت را تحت عنوان سیستم 5سیمه می‌شناسند.

شکل 2، نمایی از روش‌های مختلف اتصال مصارف مراکز داده به سیستم برق را نشان می‌دهد. مصارف تک فاز، همچون سرور IT، به یک رسانای برق‌دار و یک رسانای خنثی، متصل می‌شوند. (مصرف M) در آمریکای شمالی بعضی از مصارف تک فاز مانند تجهیزات فاوای 208V، به دو رسانای برق‌دار متصل می‌شوند(مصرف N). مصارف سه فاز همچون remote power panel، نیز به سه رسانای برق‌دار متصل می‌شوند(مصرف P). در نهایت مصارف سه فاز مانند چیلرها و پمپ‌ها، به سه رسانای برق‌دار متصل می‌شوند(مصرف Q). در تمامی این مثال‌ها، جهت ایمنی تمام مصارف به سیم ارت نیز متصل هستند.

شکل 2: مثالی از سیستم سه فاز با ترانسفورمر و مصارف
شکل 2: مثالی از سیستم سه فاز با ترانسفورمر و مصارف

ولتاژ نامی منبع برق

ولتاژ منبع برق همان ولتاژی است که در خروجی، به تجهیزات الکتریکی اعمال می‌شود. در حالی که این ولتاژ قابل اندازه‌گیری بوده، اما ولتاژ نامی منبع برق را نمی‌توان اندازه گرفت چرا که این ولتاژ توسط استانداردهای منطقه‌ای یا محلی تعریف شده و به موقعیت مکانی مرکز داده بستگی دارد. جدول 1 لیستی از ولتاژهای متداول (یا ولتاژهای نامی) در آمریکای شمالی، آمریکای جنوبی، اروپا، چین و ژاپن ارائه می‌دهد. به دلیل بازه‌ی مجاز تحمل سیستم (که ±10% بوده)، ولتاژ ورودی واقعی اندازه‌گیری‌شده در مرکز داده ممکن است کمی بیشتر یا کمتر از ولتاژ نامی باشد.

جدول 1: ولتاژهای نامی سیستم در مناطق مختلف

موقعیت

فشار متوسط[3] نامی

فشار ضعیف نامی

آمریکای شمالی

4.16kV

13.8kV

34.5kV

600- 3 سیم + اتصال به زمین (کانادا)

480Y/277- 4 سیم + اتصال زمین

480- 3 سیم + اتصال زمین

208Y/120- 4 سیم + اتصال زمین

415/240V- 4 سیم + اتصال زمین (مراکز داده‌ی جدید)

آمریکای جنوبی[4]

6kV

11kv

13.8kV

22kV

23kV

220Y/127 60Hz- 4 سیم + اتصال زمین

(تغییر از 110 تا 127V)

380Y/220 60Hz- 4 سیم + اتصال زمین

(تغییر از 220 تا 240V)

400Y/230 50Hz- 4 سیم + اتصال زمین

(تغییر از 20 تا 230V)

اروپا

10kV

20kV

35kV

400Y/230 50Hz – 4 سیم + اتصال زمین

480Y/277 60Hz – 4 سیم + اتصال زمین

چین

10kV

35kV

380Y/220- 4 سیم + اتصال زمین

ژاپن

6.6kV

22kV

200 3 سیم + اتصال زمین

تک فاز 200/100- 3 سیم + اتصال زمین

تک فاز 100- 2 سیم + اتصال زمین

 

مقادیر جریان‌ در توزیع برق مراکز داده

مقادیر مختلفی از جریان‌ در تجهیزات فاوای مراکز داده وجود دارد. اما در این مقاله، تنها چند مقدار جریان‌ اصلی مورد بررسی قرار می‌گیرد.

جریان نامی

برای مقدار جریان برقی که هر دستگاه قادر به پشتیبانی آن بوده، مقدار بیشینه‌ای وجود دارد که به عنوان جریان نامی شناخته می‌شود. جریان نامی در تجهیزات برقی بدان معناست که تجهیزات می‌توانند تحت شرایطی خاص، بدون گذشتن از دمای مجاز خود(افزایش دما)، از این جریان پشتیبانی کنند. گذشتن از دمای مجاز در تجهیزات برقی می‌تواند به خرابی یا حتی آتش‌سوزی بیانجامد.

در استاندارد IEC60059 سری R10، مقدار آمپر استاندارد تجهیزات و دستگاه‌های برقی با مقادیری چون 1،  1.25، 1.6، 2، 2.5، 3.15، 4، 5، 6.3، 8 و همچنین مضاربی از 10n  (که n عدد صحیحی مثبت است) از این مقادیر، تعیین شده است. در حالی که در آمریکای شمالی، ANSI(موسسه‌ی استاندارد آمریکای شمالی)  یا IEEE(موسسه‌ی مهندسان برق و الکترونیک) این لیست آمپرهای استاندارد را چنین تعیین کرده است: 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 1000, 1200,2500, 3000, 4000, 5000 و 6000 آمپر.

  

مقادیر اضافه جریان

> آرک فلش(قوس الکتریکی) و ایمنی

عبارت “آرک فلش” بیانگر شرایطی است که در آن اتصال کوتاه مدار الکتریکی در هوا رخ می‌دهد. چنین حالتی از اتصال کوتاه معمولا بین یک رسانای برق‌دار (یعنی سیم، باس) و رسانای برق‌داری دیگر یا زمین اتفاق می‌افتد. در بیشتر موارد، اتصال کوتاه تک فاز به اتصال کوتاه سه فاز تبدیل می‌شود.

گرمایی که از این اتصال کوتاه پدید آمده، موجب شده تا قطعات فلزی تبخیر شده و به قطعات کوچکتر ذوب‌شده‌ای به نام پلاسما تبدیل شوند که این پلاسمای رسانا، مقاومت بین قطعات رسانا را کاهش داده و در نتیجه، با افزایش شدت جریان، گرما بالاتر رفته، دما افزایش یافته و در نهایت، آسیب و خسارت بیشتری به تجهیزات و افراد اطراف آن، می‌رسد. با دریافت انرژی بیشتر، فشار تحت نیروی قابل توجهی بالا رفته و به این پدیده، انفجار الکتریکی می‌گویند.

در حالت بروز آرک فلش، کلیدهای قطع مدار باید بتوانند با بیشترین جریان اتصالی ورودی خود مقابله کنند.

 تمامی اجزای الکتریکی در مرکز داده، باید در برابر شرایط اضافه جریان همچون اضافه بار و اتصال کوتاه، محافظت شوند. کلید اصلی در این راه آنست که تمام اجزای یک مدار، باید از تاثیرات بیشترین جریان اتصالی موجود، که ممکن است با آن روبرو شوند، محافظت شوند.(به متن داخل کادر رجوع شود.)

 

بعضی از مقادیر اضافه جریان تنها بر دستگاه‌های حفاظت اضافه جریان(OCPD) (یعنی کلید قدرت و فیوز) که مسئولیت قطع کردن اتصال مدار در شرایط بروز اضافه جریان را دارند، اعمال می‌شود. در حالی که دیگر مقادیر، بر هر دو دستگاه‌های حفاظت و قدرت (یعنی تابلو برق، باس‌بار، کابل‌ها، تابلو توزیع و غیره) اعمال شده[5] که این تجهیزات باید بتوانند پیش از فعال‌سازی OCDP، اضافه جریان را تا مدت کوتاهی تحمل کنند.

دو مثال از این مقدار اضافه جریان که تنها بر دستگاه‌های حفاظت اضافه جریان اعمال شده، عبارتند از:

  • مقدار اضافه بار در کلید قطع جریان – تنظیمات مشخصی بر بعضی از انواع کلیدهای قدرت که در حین بروز اضافه بار، اتصال مدار را قطع می‌کنند.
  • حداکثر ظرفیت نامی اتصال کوتاه که برابر با مقدار کیلو آمپر از ظرفیتی(kAIC) است که توسط ANSI/IEEE تعیین شده – بیشترین مقدار جریانی است که کلید قدرت در ولتاژ نامی خود، قادر است بدون هیچ آسیبی، آن جریان را قطع کند.

یک مثال از اضافه جریانی که بر هر دو دستگاه‌های حفاظت و توزیع قابل اعمال است، نیز عبارتست از:

  • بیشینه جریان نامی اتصال کوتاه مجاز که مشابه پیک مقدار جریان اتصال کوتاه(SCCR) در مقررات ملی برق در آمریکای شمالی(NEC) تعریف می شود – بیشترین مقدار مجاز جریان اتصال کوتاه بوده که تجهیزات چه از لحاظ دما و چه از نظر الکترودینامیکی، بدون آسیب دایمی و در طول دوره‌ی زمانی مشخص، قادر به تحمل آن هستند.

 

سیستم‌های توزیع برق

در مرکز داده، مقادیر مصرف متفاوتی مانند مصرف در تجهیزات فاوا، دستگاه‌های تهویه مطبوع، فن‌ها، پمپ‌ها، نورپردازی و غیره وجود دارد. جریان و تغییر و تبدیل انرژی که از نیروگاه/ژنراتور آغاز شده و به این نقاط مصرف می‌رسد، توسط انواع مختلفی از تجهیزات صورت می‌گیرد. استفاده از عبارات بالادست و پایین دست در توصیف موقعیت مکانی تجهیزات یا خرابی(مانند ترانسفورماتور بالادست UPS)، بسیار رایج است. عبارت بالادست بیانگر مسیر به سمت نیروگاه و عبارت پایین دست بیانگر مسیر به سمت مصارف در مرکز داده است. در پیگیری مسیر جریان انرژی (که از نیروگاه آغاز شده و به مصارف فاوا می رسد) آمده در شکل 1، تجهیزات زیر را نشان داده شده است:

  • تابلو برق فشار متوسط شامل ترانسفورماتور MV/LV

  • تابلو برق/کلید اتوماتیک ترانسفر(ATS) با فشار ضعیف

  • سیستم UPS با تابلو برق ورودی/خروجی و تابلو توزیع UPS

  • PDU و پنل‌های برق از راه دور (RPP)

  • Busway

  • تابلوی توزیع

  • PDU رک(rPDU) / پریزهای برق

به جز PDU رک (rPDU)، تمامی تجهیزات لیست بالا به عنوان قطعات مصرفی در طراحی مدار توزیع  محسوب شده که شامل کلید قدرت، سویچ، انواع مختلف رله، باس و اتصال‌ها و دستگاه‌های کنترل و کمکی[6] می‌باشد. از این تجهیزات برای توزیع برق در میان مصارف پایین‌دستی و همچنین حفاظت از سیستم‌های توزیع برق در مرکز داده استفاده می‌شود. هر دستگاه برای عمر مفیدی طولانی و راحتی در تعمیر و نگهداری بهینه‌سازی شده است. در قسمت‌های زیر، هر نوع از این تجهیزات معرفی خواهد شد.

تابلو برق فشار متوسط شامل ترانسفورماتور MV/LV

در مراکز داده‌ی بزرگ(یعنی با مصرف فاوا بالاتر از 1MW)، تابلو برق فشار متوسط معمولا در اتاق تاسیسات قرار دارد. برق این تجهیزات اغلب مستقیما از نیروگاه تامین شده و نقطه‌ی ورودی خدمات و برق از نیروگاه به ساختمان به شمار می‌روند. در صورت وجود ژنراتور MW ، تابلو برق MW دارای ورودی از ژنراتور هم خواهد بود. در شکل 3a نمونه‌ای از تابلو برق MV آورده شده است. علاوه بر توزیع برق، وظیفه‌ی قطع جریان در مواقع اتصالی و کنترل سیستم توزیع برق MW (به عنوان مثال در زمان جداسازی قسمت افزونه برای تعمیر و نگهداری) نیز بر عهده‌ی این تابلو برق MW است. تابلو برق‌های MW معمولا شامل ابزار سنجش، کلیدهای قطع، کنتاکتورها، فیوزها، ضربه‌گیر، سویچ ارت برای تجهیزات IEC، ترانسفورمر ولتاژ/جریان، کلید دارای رله کنترل و حفاظت و سیستم کنترل کلی می‌باشد.

اساسا تابلو برق فشار متوسط، مونتاژی از این چهار کابین آمده در شکل 3b است: واحد ورودی یا قسمت اصلی، واحد خروجی یا قسمت فرعی، واحد ولتاژ سنج و باس توزیع. واحد خروجی، برق سه فاز را در قسمت اصلی (بالادست) ترانسفورمر MV/LV توزیع می‌کند. به دلیل فواصل ایمنی در MV، معمولا هر کابین به تنها یک کلید قطع مدار MV محدود می‌شود.

شکل 3: تابلو برق MV و نمودار تک خطی آن 3a: تصویری از تابلو برق MV 3b: نمودار تک خطی از تابلو برق MV
شکل 3: تابلو برق MV و نمودار تک خطی آن
3a: تصویری از تابلو برق MV
3b: نمودار تک خطی از تابلو برق MV

 

 

بعضی از پارامترهای معمول الکتریکی برای تابلو برق MV در ادامه آورده شده است. مقادیر این پارامترها متناسب با قوانین منطقه‌ای تغییر می‌کند:

  • مقادیر ولتاژ – دو مقدار کلیدی ولتاژ در تابلو برق MV، ولتاژ نامی و ولتاژ ضربه ی صاعقه (برابر با سطح پایه ضربه در ANSI یا همان BIL)می باشد. به طور مثال، یک تابلو برق MV ANSI، ممکن است ولتاژ نامی 15Kv و BIL(ولتاژ ضربه) 95Kv داشته باشد.
  • مقادیر جریان – جریان نامی تابلو برق MV همواره توسط سازنده تعیین می‌شود. یکی دیگر از مقدارهای کلیدی در جریان، جریان نامی مجاز در اتصال کوتاه بوده که مشابه جریان اتصال کوتاه (SCCR) در قوانین ملی برق در آمریکای شمالی (NEC) می‌باشد. به عنوان مثال، یک تابلو برق MV ANSI، ممکن است جریان نامی 1200A و SCCR 40kA داشته باشد.

ترانسفورماتورهای خشک با (/بدون) محفظه، که در شکل 4 نشان داده شده‌اند، جهت کاهش فشار متوسط در تابلو برق MV به فشار ضعیف در تجهیزات توزیع برق پایین‌دست، در اتاق تاسیسات نصب می‌شوند. پارامتر اصلی در ترانسفورماتورهای MV/LV شامل: توان نامی (یعنی 2500kVA)، ولتاژ اولیه و ثانویه (یعنی 10kV/400v)، و امپدانس (مشابه مقاومت) که با Z%(5%) تعیین شده، می‌باشد.

شکل 4: تصویری از ترانسفورماتور خشک MV/LV با و بدون محفظه سمت راست: ترانسفورماتور نوع خشک همراه با محفظه سمت چپ: ترانسفورماتور نوع خشک MV/LV
شکل 4: تصویری از ترانسفورماتور خشک MV/LV با و بدون محفظه
سمت راست: ترانسفورماتور نوع خشک همراه با محفظه
سمت چپ: ترانسفورماتور نوع خشک MV/LV

 

تابلو برق و کلید انتقال اتوماتیک (ATS) با فشار ضعیف

معمولا تابلو برق فشار ضعیف در اتاق تاسیسات الکتریکی قرار گرفته و نشان‌دهنده‌ی ورودی خدمات برق شهری از نیروگاه برای مراکز داده‌ی کمتر از 1MW می‌باشد. مثالی از این تابلو برق LV در شکل 5a نمایش داده شده است. اگر از ژنراتور LV[7] استفاده شده باشد، این ژنراتور برق تابلو برق LV را تامین می‌کند. در کنار توزیع برق، تابلو برق LV همچنین وظیفه‌ی قطع اتصال کوتاه و کنترل سیستم توزیع برق LV را نیز بر عهده دارند. در گذشته از دستگاهی به نام کلید ترانسفر اتوماتیک (ATS)، برای جابجایی منبع میان نیروگاه و ژنراتور استفاده می‌شد. اما در حال حاضر به جای ATS اکثرا از کلید قطع مدار LV برای چنین منظوری استفاده می‌شود. توجه شود که در مورد ژنراتور فشار متوسط، این کارکرد انتقال، در سطح تابلو برق فشار متوسط صورت می‌گیرد.

شکل 5: مثالی از تابلو برق LV و نمودار تک خطی شکل 5a (سمت چپ): تابلو برق LV شکل 5b (سمت راست): نمودار تک خطی تابلو برق LV
شکل 5: مثالی از تابلو برق LV و نمودار تک خطی
شکل 5a (سمت چپ): تابلو برق LV
شکل 5b (سمت راست): نمودار تک خطی تابلو برق LV

 

تابلو برق LV که در مرکز داده نصب شده، معمولا ترکیبی از بعضی از دستگاه‌های کاربردی زیر است: ورودی برق از سمت ثانویه‌ی ترانسفورماتور MV/LV یا ژنراتور LV، مرکز کنترل برق (PCC[8] برای UPS پایین دستی)، مرکز کنترل موتور (MCC[9] برای پمپ‌ها)، اصلاح ضریب توان، فیلتر کردن جریان‌های هارمونیک و اتصالات باس. دستگاه‌های زیر همواره در تابلو برق LV مونتاژ می‌شوند: باسبار افقی، باسبار عمودی، کلید قدرت، ابزار دقیق، سویچ‌ها، ضربه‌گیر، رله و غیره.

پارامترهای کلیدی الکتریکی در تابلو برق LV در ادامه آورده شده است.

مقادیر این پارامترها، متناسب با قوانین هر منطقه تغییر خواهد کرد:

  • مقادیر ولتاژ – دو مقدار کلیدی ولتاژ در تابلو برق LV شامل ولتاژ نامی و ولتاژ ضربه‌ی صاعقه می‌باشد. در استانداردهای ANSI، ولتاژ ضربه‌ای برای تابلو برق LV تعیین نشده است. به طور مثال، تابلو برق IEC LV ممکن است ولتاژ نامی 690V و ولتاژ ضربه صاعقه‌ای در حد 12kV را تحمل کند.
  • مقادیر جریان – در تابلو برق LV، جریان نامی همواره از سوی سازنده‌ی تجهیزات تعیین می‌شود. دیگر مقدار کلیدی جریان، جریان نامی مجاز در اتصال کوتاه بوده که مشابه مقدار جریان اتصال کوتاه (SCCR) در مقررات ملی برق آمریکای شمالی (NEC) می‌باشد. به عنوان مثال، یک تابلو برق IEC ممکن است جریان نامی 5000A داشته و جریان نامی مجاز در اتصال کوتاه در آن 85kA باشد.

سیستم UPS

سیستم‌های UPS معمولا در فضای تاسیسات الکتریکی یا فضای IT مرکز داده نصب شده تا برق غیرمنقطعی برای پشتیبانی تجهیزات حیاتی و حساس تامین کند. پیکربندی طراحی انتخاب شده‌ برای UPS، مستقیما بر سطح دسترسی تجهیزات حیاتی فاوا تاثیر می‌گذارد. برای انتخاب طراحی مناسب و سازگار با دسترسی مورد نیاز، به گزارش “مقایسه‌ی پیکربندی های طراحی UPS”[10] مراجعه شود.

متناسب با کاربرد، انواع مختلفی از UPSها موجود است که در گزارش “انواع مختلف سیستم‌های UPS”[11] بررسی شده است. بعضی از نمونه‌های UPS در شکل 6 نشان داده شده است. باتری‌های UPS معمولا در شرایط حداکثر بارگذاری، حدود 15 دقیقه زمان پشتیبانی ایجاد کرده که به ژنراتورهای پشتیبان این فرصت را داده تا در صورت بروز خرابی یا قطع برق، شروع به کار کنند. این دستگاه‌ها به طور معمول داخل UPS نصب می‌شوند: سویچ‌های ورودی/خروجی، سویچ‌های Bypass، سویچ‌های استاتیک، ماژول‌های برق شامل یکسوسازها و اینورترها، و همچنین ماژول‌های کنترل کننده و ارتباطی.

 

شکل 6: نمونه‌هایی از UPS 6a (سمت چپ): Galaxy 7000 6b (سمت راست): UPS ماژولار Symmetra PX
شکل 6: نمونه‌هایی از UPS
6a (سمت چپ): Galaxy 7000
6b (سمت راست): UPS ماژولار Symmetra PX
بسته به ابعاد مرکز داده و دسترسی مورد نیاز در سیستم‌ها، پیکربندی UPS شامل بعضی از تجهیزات الکتریکی زیر خواهد بود: UPS، تابلو برق ورودی UPS، تابلو برق خروجی UPS، تابلو برق توزیع UPS و سویچ ترانسفر استاتیک(STS) برای Bypass. بسته به طراحی و الزامات کسب و کار، ممکن است سه نوع از تجهیزات LV، به همراه UPS در فضای تاسیسات برق قرار گیرند.
شکل 7: نمودار تک خطی تابلو برق ورودی UPS، تابلو برق خروجی UPS و تابلو برق توزیع
شکل 7: نمودار تک خطی تابلو برق ورودی UPS، تابلو برق خروجی UPS و تابلو برق توزیع

مطابق شکل 7a، ورودی‌های تابلو برق UPS از مرکز کنترل برق تابلو LV بالادستی، تغذیه می شود. در حالی که مانند شکل 7b، تابلو برق خروجی UPS نه تنها برق را از خروجی UPS به مدارهای پایین دستی تامین کرده، بلکه همچنین شامل کلید قطع مدار Bypass استاتیکی و کلید قطع مدار Bypass نگهداری نیز بوده و در صورت بروز خرابی یا اتصالی امکان تغذیه مستقیم از برق شهری را فراهم کرده و UPS را برای تعمیر و نگهداری، ایزوله می سازد. در بعضی موارد، ترانسفورماتورهای ایزوله نیز در تابلو برق ورودی و خروجی نصب می‌شوند. برای دریافت اطلاعات بیشتر در این زمینه، به گزارش “نقش ترانسفورماتورهای ایزوله در سیستم‌های UPS مراکز داده”[12] مراجعه کنید.

در کاربردهای داخل مرکز داده، ظرفیت‌های برق UPS در بازه‌ی 20kW تا 1600kW تغییر می‌کند. می‌توان با UPSهای متعدد موازی شده، ظرفیت‌های بالاتر یا افزونگی ماژول‌های UPS تامین کرد. تابلو برق توزیع UPS که در شکل 9c نیز آمده، برق را در میان PDUهای مختلف توزیع می‌کند. این سه تابلو برق را بسته به پیچیدگی معماری سیستم و تعداد کلیدهای قطع مدار و سویچ‌ها، می‌توان در یک یا چند کابین مونتاژ کرد. سه تابلو برق LV فوق، معمولا شامل ورودی برق، شاخه‌مدار خروجی و باس توزیع، می‌باشند.

تابلو برق ورودی/خروجی UPS و تابلو برق توزیع UPS، ممکن است از سوی تامین‌کنندگان UPS، به عنوان لوازم جانبی اختیاری تامین شده یا از طریق سازندگان تابلو برق فراهم شوند.

واحدهای توزیع برق (PDU) و پنل‌های برق از راه دور (RPP)

این PDUهای سنتی و RPPها، برای توزیع، کنترل و نظارت بر توان بحرانی تامین شده از سیستم‌های بالادستی UPS به رک‌های IT، داخل فضای تاسیسات الکتریکی قرار داده می‌شوند. برای درک 5 روش توزیع برق در مرکز داده، به گزارش “مقایسه‌ی معماری‌های توزیع برق”[13] مراجعه شود. واحدهای PDU معمولا شامل یک کلید اصلی قطع مدار ، تابلو توزیع شاخه‌مدارها، ترانسفورماتور برق، کابل‌های خروجی برق، ضربه‌گیر و ماژول‌های کنترل و نظارت هستند. گاهی اوقات PDUهای دارای ترانسفورماتور ایزوله می‌تواند یک همپتانسیل سازی دیگر به زمین جهت مصارف پایین‌دستی IT ایجاد کنند؛ در مراکز داده در آمریکای شمالی، PDUهای دارای ترانسفورماتور برق در اصل برای کاهش از 480Vac به [14]120/208Vac به کار می‌روند در حالی که در ژاپن، از این PDUها برای کاهش 200Vac به برق تک فاز 100Vac در مصارف پایین‌دستی IT، استفاده می شود. یک PDU اغلب ظرفیتی معادل 50Kw تا 500Kw دارد.

شکل 8: PDUهای سنتی: 8a (سمت چپ): PDU fire-wired 8b (سمت راست): PDU با پیکربندی کارخانه‌ای
شکل 8: PDUهای سنتی:
8a (سمت چپ): PDU fire-wired
8b (سمت راست): PDU با پیکربندی کارخانه‌ای
کلید انتقال دستی قدرت یا همان سویچ ترانسفر استاتیکی(STS)، در کابین PDU یکپارچه شده و در فضای IT قرار گرفته یا این که در کابین‌های مستقل واقع در فضای تاسیسات الکتریکی قرار داده می‌شود.

مطابق شکل 1، یک STS دو ورودی از سیستم UPS و یک خروجی به سمت PDU پایین دستی دارد. معمولا از STS برای امکان نگهداری همزمان در پیکربندی با افزونگی توزیع شده، استفاده می‌شود. با STS، می‌توان در عین حفظ دائمی مصرف در توان محافظت شده، به این انتقال قدرت با سرعت زیاد (1/4 سیکل) بین دو سیستم ورودی UPS مختلف دست یافت. برای دریافت اطلاعات بیشتر به گزارش “تامین برق تجهیزات با یک کابل و دوشاخه در محیطی دو مسیره”[15] مراجعه شود.

پنل‌های راه دور برق (RPP) همچون PDU بدون ترانسفورماتور بوده و در نتیجه، کوچک‌تر  بوده و سطح اشغالی در حد ابعاد تایل 2’×2’(4 فوت مربع تقریبا معادل 0.37 متر مربع) سقف کاذب دارد. ممکن است RPPها، تا چهار تابلو توزیع و یک سیستم نظارت را در بر گرفته تا بر را در رک‌های IT توزیع کنند. بیشتر مواقع، برق RPPها از طریق یک یا چند تابلو تغذیه فرعی PDU تامین می‌شود.

 

مسیر های داکت برق یا busway

در توزیع سنتی برق با استفاره از PDU و RPP(شکل 1)، Busway یک گزینه‌ی پیشنهادی محسوب می‌شود. معمولا Busway شامل واحد ورودی متصل به تابلو برق LV بالادستی، باس برق، انشعاب های خروجی یا پریز که مجهز به دستگاه‌های حفاظت اضافه جریان بوده، لوازم جانبی تنظیم مکانیکی اتصالات می‌باشد. در شکل 9، نمونه‌ای از یک Busway با افزونگی 2N که به طور سقفی در فضای IT نصب شده، نمایش داده شده است. این Busway را می‌توان همچنین زیر کف فضای IT نیز نصب کرد. برای اطلاعات بیشتر در مورد Buswayهای ماژولار و مزایا و معایب آن، به گزارش ” مقایسه‌ی معماری‌های توزیع برق” مراجعه شود.

شکل 9: نمونه‌ای از Busway با افزونگی 2N که در ارتفاع و در فضای IT نصب شده
شکل 9: نمونه‌ای از Busway با افزونگی 2N که در ارتفاع و در فضای IT نصب شده

تابلو توزیع

تابلو توزیع(که معمولا ظرفیتی در بازه‌ی 1.5kVA تا 75kVA داشته)، در اصل محفظه فلزی بوده که شینه های برق و ترمینال هایی که شاخه‌مدارها، سیم‌های نول و اتصال به زمین بر آن نصب شده، را در خود جای می‌دهد. تابلوهای توزیع در هر سه فضای IT، الکتریکی و مکانیکی متداول بوده و برق را در تجهیزات سرمایش(یعنی چیلرها، پمپ‌ها، فن‌ها و غیره)، دستگاه‌های نورپردازی و امنیتی، توزیع می‌کنند. این تابلوهای توزیع معمولا بر دیوار یا مهارهای فولادی نصب شده و مطابق شکل 10، دسترسی به آن تنها از سمت جلو امکان‌پذیر است. در کل، عبارت تابلو توزیع، نامی است که مردم بر همان تابلو ‌توزیع LV دیواری گذاشته‌اند.

شکل 10: یک نمونه تابلو توزیع
شکل 10: یک نمونه تابلو توزیع

در مراکز داده، گاهی تابلوهای توزیع به جای(یا به همراه) RPPها به کار می‌روند. اگرچه، در بیشتر موارد، تابلوهای توزیع در کابینی همچون PDU و RPP مونتاژ شده تا برق را در رک‌های IT توزیع کنند. در کل، یک تابلو توزیع دارای یک شاخه‌مدار، 42 کانال اتصال داشته که می‌توانند 42 کلید قدرت شاخه‌مدار تک فاز را در خود جای دهند.

PDU در رک/ پریز

واحدهای PDU رک (یا همان پریزهای داخل رک)، در رک‌های IT نصب شده و برق آن از خروجی PDU یا RPP بالادستی تامین شده و برق را مستقیما در تجهیزات فاوای رک توزیع می‌کند. در واقع، rPDU های سه فاز یا تک فاز، بر اساس توان مصرفی مورد انتظار رک یا پیکربندی سیستم، انتخاب می‌شوند.

شکل 11: نمونه‌ای از PDU رک
شکل 11: نمونه‌ای از PDU رک

با ابزارهای سنجش PDUهای رک، می‌توان به طور آنی و از راه دور، بر مصارف متصل نظارت کرد. آلارم‌های تعیین شده توسط کاربر، پیش از قطع مصارف حیاتی IT، در مورد احتمال بروز اضافه‌بار در مدار، هشدار می‌دهد. با Switched rack PDUها می‌توان نظارت پیشرفته‌ای بر مصرف اعمال کرد و همچنین کنترل‌های ON/OFF از راه دور برای هر یک از خروجی های جریان برق، برنامه ریزی توالی ورود جریان به هر یک از پریزها و مدیریت این پریزها را فراهم کرد.

به طور خلاصه، وظیفه‌ی PDU رک، PDU، RPP، Busway و تابلو توزیع آمد در شکل 1، توزیع برق سه فاز در میان دستگاه‌های تک‌فاز و حیاتی فاوا واقع در خروجی‌های PDU رک می‌باشد.

خلاصه‌ای از تجهیزات الکتریکی

به جز تابلو برق MV و UPSها، تقریبا تمامی تجهیزات سویچینگ مرکز داده را می‌توان به عنوان تابلو برق LV یا تابلو توزیع محسوب کرد. اسامی مختلف تنها از طریق بازار انتخاب شده یا ناشی از عادت است.

با آن که شکل 1، مثالی از معماری مرکز داده ارائه داده که تجهیزات الکتریکی احتمالی را در بر گرفته، اما بعضی از تفاوت‌ها/تنوع‌های متداول در ادامه مطرح خواهد شد:

  • وقتی منبع انرژی پشتیبانی تابلو برق MV را تغذیه کرده، ژنراتور MV را می‌توان جایگزین ژنراتور LV ساخت.

  • سیستم UPS ممکن است در مراکز داده‌ی کوچک‌تر، داخل فضای IT یا در ردیفی از رک‌های IT قرار گیرد.

  • دستگاه‌های PDU می‌تواند برق را مستقیما میان رک‌های IT توزیع کرده و در نتیجه از بکارگیری RPP جلوگیری کند.

  • می‌توان STS را در کابین PDU یکپارچه ساخت تا برای توزیع برق، افزونگی تامین کرد. کلیدهای انتقال اتوماتیک نصب شده در رک، ممکن است راه‌کار دیگری برای تامین افزونگی به شمار رود. برای دریافت راه‌کارهای منطقی با دسترسی بالاتر، به گزارش “مقایسه‌ی دسترسی در پیکربندی‌های مختلف افزونگی توان رک”[16] مراجعه شود.

  • اگر در طول قطعی برق نیز به سرمایش مداوم نیاز باشد، می‌توان برق دستگاه‌های سرمایش در فضای IT را از طریق UPS تامین کرد.

  • در صورت بکار گیری Busway در شبکه توزیع عملا ماموریت های مدار قدرت از تابلو برق LV تا رک‌های IT، را به عهده می گیرد.

  • برق ورودی UPS را می‌توان از تابلو برق LV گرفته و مستقیما به UPS فرستاد تا در نتیجه، نیاز به تابلو برق ورودی برطرف شود.

  • سویچ‌های خروجی UPS و سویچ‌های توزیع ممکن است در یک تابلو برق LV، مونتاژ شوند.

  • یک سیستم یکپارچه UPS ممکن است شامل تابلو برق ورودی، خروجی یا توزیع باشد.

در کل معماری مراکز داده به ظرفیت، افزونگی سیستم، چیدمان رک‌های IT، تامین‌کنندگان تجهیزات و غیره بستگی دارد.

در جدول 2، بعضی از پارامترهای کلیدی تجهیزات توزیع برق مشاهده شده در مرکز داده آورده شده است. دستگاه‌های دیگر همچون UPS و ژنراتورها از آن جا که جز تجهیزات توزیع برق نیستند، در این جدول لحاظ نشده‌اند.

برای تابلو برق‌های MV و LV، مقادیر برق به ولتاژ نامی و جریان نامی تابلو برق بستگی دارد. اگرچه، حداکثر توان در تابلو برق MV همواره توسط حداکثر ظرفیت برق نیروگاه تعیین و محدود می‌شود. بیشترین ظرفیت برق تابلو برق LV معمولا توسط ظرفیت ترانسفورماتور MV/LV و بیشینه‌ی ظرفیت جریان کلید قطع مدار LV تعیین می‌شود. هزینه‌ی تجهیزات توزیع برق(به ازای هر kW از ظرفیت مرکز داده)، متناسب با مقادیر جریان، مقادیر ولتاژ، تعداد کلیدهای قدرت، تعداد رک‌ها و افزونگی، شدیدا متغیر است. هزینه ی تجهیزات که در جدول 2 بر اساس توزیع برق 1N نشان داده شده است. برای تخمین هزینه‌های سرمایه‌ی طراحی‌های مختلف مرکز داده، از ابزارTradeOff با عنوان محاسبه‌گر هزینه‌ی سرمایه‌ی مرکز داده[17] استفاده کنید.

باید توجه داشت که مطابق جدول، تعداد کلیدهای قطع مدار و رک‌های بکار رفته در یک طراحی مشخص، نقشی تعیین کننده‌ای در هزینه‌ی تجهیزات ایفا می‌کند.

مراکز داده‌ی با ظرفیت IT کمتر از 2MW (بدون افزونگی)، تقریبا 4 تا 7 کلید قدرت در تابلو برق LV برای هر مگاوات از ظرفیت IT خود دارند. مراکز داده‌ی با ظرفیت کمتر از این معمولا یک کلید قطع مدار MV دارند که در اختیار شرکت توزیع برق (توانیر) می باشد. تعداد کلیدهای قطع تابلو برق LV به ازای هر MW از ظرفیت IT را می‌توان به راحتی با افزایش افزونگی و طراحی‌های نگهداری همزمان، دوبرابر کرد. مراکز داده‌ با ظرفیت IT بیشتر از 20MW، تمایل دارند تا کلیدهای قدرت MV بیشتر از کلید قدرت LV داشته باشند.

سیستم برق یک مرکز داده که شامل UPS و ژنراتور بوده، بیانگر 40 تا 50% از هزینه‌ی سرمایه‌ی مرکز داده (بدون در نظر گرفتن ساختمان) است. از این مقدار، 50 تا 60% صرف تجهیزات شده، 25-35% صرف نصب  و 15-20% نیز صرف طراحی می‌شود. با دقیق‌تر شدن در جزییات هزینه‌های تجهیزات، مشاهده می‌شود که تقریبا نیمی از این هزینه‌ها صرف ژنراتور و UPS شده در حالی که، نیم دیگر برای تابلو برق، ترانسفورماتور، تابلو توزیع، PDUها و PDUهای رک مصرف می‌شود.

جدول 2: مقایسه‌ی بعضی از تجهیزات کلیدی توزیع برق در مراکز داده

پارامتر

تابلو برق MV

ترانسفورماتور

تابلو برق LV

تابلو توزیع

PDU/RPP

موقعیت

اتاق تاسیسات الکتریکی

فضای تاسیسات الکتریکی، اتاق IT

فضای تاسیسات الکتریکی

فضای تاسیسات الکتریکی، داکت و شفت برق، اتاق IT

اتاق IT

نوع کلید قدرت

Vacuum CB

N/A

Air CB

MCCBs

MCCBs

General CB

MCCBs

General CB

ولتاژ نامی

MV

LV & MV

LV

LV

LV

ظرفیت برق

4-50MVA

50kVA-50MVA

100kVA-6MVA

1.5kVA-75kVA

50kW-500kW

هزینه‌ی تجهیزات به ازای هر kW از ظرفیت مرکز داده

8$-92$

35$-90$

80$-200$

20$-40$

100$-400$

 

نتیجه‌گیری

تجهیزات توزیع برق همان محور اصلی مرکز داده به شمار رفته چرا که مسیر برق را به تمامی تجهیزات موجود در مرکز داده مانند دستگاه‌های فاوا، دستگاه‌های سرمایش، ایمنی و نورپردازی، تامین می‌کند. مهم‌تر از آن، این تجهیزات از ایمنی تمامی کارکنان و تجهیزات دیگر اطمینان حاصل می‌کنند. خبرگان IT باید دانشی کلی از سیستم برق مرکز داده (همانند آنچه در این مقاله مطرح شد)، داشته باشند.

 

 

[1] -در تعیین ولتاژ به شکل “400/230”، این دو عدد بیانگر ولتاژ فاز به فاز(مقدار بیشتر) و ولتاژ فاز به نول(مقدار کمتر) می‌باشد.

[2] –  Refer to White paper 128, Switching to 240V AC Distribution in North American Data Centers

[3] – عبارت فشار متوسط (به IEV-01-28 مراجعه شود) در اینجا برای اشاره به سیستم توزیع با فشاری قوی‌تر از 1kV استفاده شده و معمولا، تا 52kV است.

[4] – به طور محسوسی بین کشورهای مختلف متفاوت است. (آخرین دسترسی در 12/30/2013)

[5]Guide to the Application of Short-Circuit Parameters in Low-Voltage AC Circuits, BEAMA Installation, November 2003, issue 1

[6] – IEC 61947 و IEC 62271 که واژگان کاربردی درswitchgear  با فشار HV و LV را تعیین می‌کنند، هر دو عبارت switchgear و switchboard را یکسان و به معنای تابلو برق در نظر می‌گیرند. در حالی که در آمریکای شمالی، استانداردهای ANSI و UL این دو عبارت را متفاوت می داند.

[7] – برای دریافت اطلاعات بیشتر در مورد ژنراتورها، به گزارش شماره‌ی 93، “اصول پایه ژنراتورها در فناوری و اطلاعات” مراجعه شود.

[8] – power control center

[9] – motor control center

[10] – White Paper 75, Comparing UPS System Design Configurations

[11] –  White Paper 1, The Different Types of UPS Systems

[12] – White Paper 98, The Role of Isolation Transformers in Data Center UPS systems

[13] –  White Paper 129, Comparing Data Center Power Distribution Architectures

[14] – همان طور که در گزارش 128 “تغییر به توزیع برق AC 240V در مراکز داده‌ی آمریکای شمالی” آمده، تمایل غالب در حرکت به سوی کاهش تا 240VaC می‌باشد.

[15] – White Paper 62, Powering Single-Corded Equipment in a Dual Path Environment

[16] – White Paper 48, Comparing Availability of Various Rack Power Redundancy Configurations

[17] -TradeOff Tool 4, Data Center Capital Cost Calculator

درج دیدگاه

برای درج دیدگاه کلیک کنید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

سوال امنیتی *