• Cómo satisfacer las demandas de infraestructuras eléctricas en los Data Centers

view of an enterprise data center in a high rise over looking a city

Objetivos de aprendizaje

  • Comprender las demandas de los Data Centers actuales y cómo satisfacerlas.
  • Conocer los requisitos para los principales equipos y su instalación.
  • Comprender cómo se debe especificar correctamente el cableado para diferentes tensiones.

Describir un Data Center utilizando una analogía: para los ordenadores, un Data Center es un útero sin visión. Diseñado para que el uso de equipos complejos resulte cómodo, el Data Center requiere una infraestructura eléctrica con solidez y alta fiabilidad que superan con creces las de instalaciones comerciales e industriales homólogas.

Estas diferencias de infraestructura de alta fiabilidad se consiguen cumpliendo eficiencias operativas únicas, seleccionando e instalando adecuadamente los equipos eléctricos, y especificando métodos de diseño y cableado adecuados con tensiones adecuadas, todo ello a la vez que se cumplen los requisitos de mantenimiento según lo planificado.

El primer paso en este proceso es definir los principales requisitos del sistema eléctrico base y los objetivos del Data Center. Estos son típicos para una instalación de alta fiabilidad:

Los conductos de barra de los Data Centers tienen muchas uniones, normalmente cada 10 pies (3 metros) en tramos rectos, lo cual da como resultado problemas de fiabilidad del equipo y de mantenimiento concurrente. Por lo tanto, resulta crítico contar con un diseño preciso. Cortesía de: Universal Electric Corp.1. Los componentes y sistemas redundantes son equivalentes a una persona que sale de casa por la mañana con pantalones que son demasiado grandes, por eso usa un cinturón y un par de tirantes. Si se le rompe el cinturón, los tirantes mantendrán los pantalones y viceversa. Pase lo que pase, estará cubierto.

2. El mantenimiento concurrente significa garantizar que todos los componentes y el sistema (tanto de alimentación como de refrigeración) que alimentan los ordenadores se pueden poner fuera de servicio para efectuar sustituciones, reparaciones o mantenimiento sin necesidad de apagar los ordenadores.

3. La tolerancia a fallos, que es un concepto distinto del mantenimiento concurrente, significa que cuando falla cualquier componente o sistema, los sistemas se reconfiguran automáticamente para que los ordenadores no se apaguen. La tolerancia a fallos es un proceso automático; mientras que el mantenimiento concurrente es un proceso manual. Una parte de la tolerancia a fallos queda cubierta por la compartimentación, de modo que un incendio o una explosión en un área no den lugar a la pérdida total de alimentación, refrigeración, o ambas cosas para los ordenadores.

4. Se consigue un sistema de alimentación de respaldo completo con un generador que se configura para suministrar energía cuando la compañía eléctrica no esté disponible.

5. Se logra la coordinación de sobreintensidad selectiva de los interruptores automáticos y/o los fusibles de manera que durante un defecto solo se apaga la porción mínima del sistema. Idealmente, el sistema abrirá solamente los interruptores automáticos que alimenten el equipo averiado aguas arriba.

6. Una construcción modular y escalable permite a un Data Center ampliarse en el futuro sin necesidad de disponer de excesivas capacidades de construcción desde el primer día. Esto es crucial por dos razones: En primer lugar, todo el mundo trata de proteger sus inversiones, por lo que si a la larga se necesitan 10 MW de ordenadores pero solo se necesitan 5 MW el primer día, el coste total de la propiedad (CTP) se puede minimizar si se construye un armazón de sistema modular y escalable para 10 MW, pero con solo 5 MW de infraestructura interior para el primer día. En segundo lugar, un Data Center modular y escalable resulta más fácil de mantener. Los Data Centers con un exceso de capacidad no utilizada suponen un quebradero de cabeza por su mantenimiento. Es necesaria una consideración cuidadosa de las fases de configuración y expansión de la instalación definitiva para minimizar el riesgo y eliminar la necesidad de apagar los equipos informáticos durante la expansión.

7. Los circuitos subterráneos se emplean en los Data Centers por dos razones: Los contratistas piensan que son menos costosos de instalar y que proporcionan seguridad física y compartimentación para el sistema de cableado del Data Center. No obstante, es importante tener en cuenta que precisan cálculos especiales durante la fase de diseño. Se deben utilizar los cálculos de Neher-McGrath que se encuentran en el Artículo 310.15.C y el ANEXO B del Código Eléctrico Nacional (NEC) para diseñar todos los circuitos subterráneos. Estos cálculos a menudo dan como resultado que el número y tamaño de los conductores subterráneos es sustancialmente mayor que los que se necesitarían suspendidos. Por tanto, los ahorros esperados en comparación con los circuitos suspendidos a menudo no son más que una falsa esperanza.

8. Énfasis en la eficiencia operativa (menores gastos operativos u OPEX) y en la reducción al mínimo del CTP al reducir el nivel de eficiencia energética (PUE).

Cada uno de estos requisitos/objetivos resulta crucial puesto que, a diferencia de la instalación comercial o industrial típica, la carga del Data Center es continua, con una mayor temperatura ambiente en muchas áreas. Por ejemplo, las secciones traseras de los gabinetes de datos pueden estar de 40 (104) a 45 °C (113 °F) donde está instalado el cableado del circuito de derivación, mientras que los pasillos calientes pueden alcanzar de los mismos 40 (104) a 45 °C (113 °F) donde el cableado del circuito de derivación se dirige aguas arriba desde los armarios. Estas temperaturas elevadas son el resultado de una mayor temperatura del aire de suministro para los equipos informáticos como estrategia para reducir el PUE. Las salas de equipos eléctricos (excepto las que contienen baterías de almacenamiento) pueden funcionar a hasta a 40 °C (104 °F) para reducir el PUE. Las temperaturas extremas de un Data Center hacen que su diseño para altas temperaturas de funcionamiento, además de los requisitos del código, sea mucho más importante que el diseño de instalaciones industriales o comerciales típicas.

Funcionamiento y mantenimiento

Como alternativa al conducto de barra, el cable se ensambla como una bandeja de cables con grandes cables de alimentación de un solo conductor que van tendidos con ella y se pueden modificar fácilmente sobre el terreno para adaptarse a las condiciones prácticas. Con solo dos terminaciones (una a cada extremo, con cable sólido en medio)Más allá de los requisitos particulares de diseño de base, los diseñadores de Data Centers cualificados también deben tener en cuenta durante el diseño el mantenimiento del equipo, ya que la facilidad de mantenimiento será crucial para las operaciones continuas y fiables del Data Center. Debido a que se requiere una gran cantidad de mantenimiento para sustentar el ambiente crítico, la capacidad de mantenimiento concurrente, el etiquetado de arco eléctrico y la reducción del tiempo medio entre reparaciones (MTTR) juegan un papel en el mantenimiento de las operaciones eléctricas de un Data Center.

El diseño de los sistemas eléctricos del Data Center para lograr capacidad de mantenimiento concurrente significa crear una disposición en la que cualquier pieza de equipo o sistema que alimenta los ordenadores se puede poner fuera de línea para fines de mantenimiento mientras la carga sigue funcionando.

En ocasiones, el mantenimiento se lleva a cabo en un equipo mientras está alimentado (trabajo en caliente). A pesar de que un Data Center de alta fiabilidad está diseñado para el mantenimiento concurrente, algunos operadores eligen el trabajo en caliente para reducir el tiempo de mantenimiento. Si bien hay una gran cantidad de procedimientos de seguridad establecidos para este tipo de mantenimiento, la mejor manera de entender los riesgos asociados con cada pieza de los equipos del Data Center es comprender su etiqueta de arco eléctrico. Esta etiqueta refleja el riesgo de arco eléctrico calculado para cada equipo e identifica el nivel del equipo de protección individual (EPI) y las distancias requeridas para un mantenimiento seguro. Es importante entender que parte del mantenimiento sobre piezas pequeñas en lugares restringidos no se puede realizar con EPI de niveles 3 y 4 NFPA 70E.

Minimizar el tiempo que se necesita para reparar un equipo eléctrico vital del Data Center y ponerlo de nuevo en servicio para satisfacer las necesidades de la carga (MTTR) también es importante para calcular con antelación el mantenimiento del Data Center y para especificar los equipos. Las especificaciones adecuadas pueden reducir el MTTR. Por ejemplo, un interruptor automático extraíble de baja tensión y 4000 A, se puede retirar y sustituir en 15 minutos por uno de repuesto en existencias, mientras que un interruptor automático similar con montaje fijo podría requerir una hora o más para reemplazarse.

Selección de equipos eléctricos

Ahora que se han cumplido los requisitos de diseño base y de mantenimiento, la selección de los equipos eléctricos de un Data Center pasará al primer plano. Los interruptores automáticos se utilizan exclusivamente en los Data Centers (excepto para uso ocasional de fusibles de media tensión con aparamenta para las empresas eléctricas en el exterior del edificio) por su capacidad para reducir el MTTR y ayudar a la mantenibilidad concurrente, y la relativa facilidad para lograr una coordinación de sobreintensidad selectiva.

Los interruptores automáticos se pueden montar de dos maneras: con montaje fijo si el interruptor está atornillado al bus, o con montaje extraíble si se conecta al bus a través de un mecanismo que hace que sea fácil presionar una manivela o palanca con el dedo para retirar el interruptor automático. Cuando se usa el montaje extraíble, el interruptor automático puede reducir efectivamente el valor de MTTR y ayudar a la mantenibilidad concurrente, puesto que todos los fusibles de aparamenta usan montaje estacionario y por lo tanto requieren más tiempo para reemplazarlos que un interruptor automático con montaje extraíble.

En los Data Centers a menudo se especifica aparamenta UL 1558 en lugar de cuadros de distribución UL 891. Un cuadro de distribución se dimensiona para que la intensidad de defecto dure no más de tres ciclos, lo que equivale a 0,05 seg. o un poco más de 50 milisegundos. Por el contrario, los aparatos de conmutación se dimensionan para transportar intensidades de defecto de 30 ciclos, o 0,5 seg. Aunque más sólida y robusta, la aparamenta también tiene un precio más elevado y a menudo requiere más espacio. La selección de cuadros de distribución o aparamenta se vuelve crítica al realizar la coordinación de sobreintensidad selectiva.

Dos técnicas empleadas son enclavamiento selectivo de zonas y solapamiento de disparos de corto plazo. Independientemente de la técnica, el interruptor automático de aparamenta o de cuadro de distribución que borra el defecto se podría programar para esperar hasta 0,4 segundos antes del disparo; esto se denomina retardo de tiempo corto. Los ajustes comunes son 0,1, 0,2, 0,3, 0,4 y 0.5 seg.; se debería especificar aparamenta UL 1558 en lugar de cuadros de distribución UL 891 si el interruptor automático aguas arriba tiene un disparo de corto plazo, pero no un disparo instantáneo

Los interruptores automáticos podrían necesitar derrateo si la relación X/R calculada para un defecto es inusualmente alta. (Esta es otra manera de decir que el factor de potencia calculado durante un defecto es inusualmente bajo). Los interruptores automáticos en caja moldeada se especifican para varias X/R máximas, en función de su capacidad de interrupción (IR): 1,73 X/R para 10.000 amperios de capacidad de interrupción (KAIC) IR, 3,18 X/R para KAIC de 10 a 20, y 4,9 X/R para KAIC mayor que 20. Los interruptores automáticos en caja aislada se especifican para 6,59 X/R. Los interruptores automáticos de potencia se especifican para 6,59 X/R si no tienen fusible, pero solo para 4,9 X/R si tienen fusible.

La desclasificación de la potencia puede ser sustancial. Si se aplica un interruptor automático de potencia con fusible y un valor nominal de 200 KAIC cuando X/R es 19,9, la capacidad de interrupción de 200 KAIC deberá reducirse un 17% hasta 166 KAIC.

Estas situaciones de alto X/R ocurren típicamente en los Data Centers cuando la planta de energía de reserva está en paralelo con la empresa de suministro eléctrico para una transferencia de carga con transición cerrada. Esta es la situación cuando la intensidad de defecto disponible y X/R están en el máximo; no es inusual para un generador de reserva tener una relación X/R de 32. Idealmente, el ingeniero de diseño debe hacer un análisis del sistema eléctrico para determinar cuánta de la intensidad máxima de defecto y X/R están disponibles en cada interruptor para asegurar que el interruptor puede interrumpir de forma segura la carga como se ha diseñado. Este análisis también debe tener en cuenta los ajustes esperados de la unidad de control del interruptor automático. Si un interruptor automático forma parte de un plan de coordinación de sobreintensidad selectiva, como debe ser en el caso de los Data Centers, un interruptor sin un disparo instantáneo debe ser capaz de soportar la intensidad de defecto disponible hasta que finalice su temporización de corto plazo y se anule el defecto. En esta situación, el interruptor automático se debe activar a su capacidad admisible, que suele ser inferior a su capacidad de interrupción. Una vez completado este análisis, se puede especificar correctamente la relación X/R, y por tanto los valores nominales de interrupción y resistencia del interruptor automático necesario en esta ubicación. Debido a que la carga del Data Center es a la vez crítica y constante, todos los interruptores automáticos que alimentan una carga crítica deben estar dimensionados para el 100%, puesto que el uso de interruptores automáticos dimensionados para el 80% incrementa innecesariamente los costes de cableado. Por ejemplo, si el Data Center tiene una carga continua de 400 A, un interruptor automático de 500 A al que se aplica un 80% de su capacidad sería suficiente; sin embargo, entonces debería utilizarse un cableado de 500 A aguas abajo del interruptor automático, que costaría hasta un 25% más de lo que realmente se necesita con un interruptor dimensionado para el 100%. Aunque sean más costosos, los interruptores automáticos dimensionados para el 100% reducirán el coste total de la propiedad (CTP) y los costes por diseños demasiado sofisticados.

Las terminaciones de bus de aparamenta y de interruptores automáticos normalmente se diseñan para permitir que los conductores operen a 90 C en condiciones de mantenimiento y de emergencia. Aunque un trozo de alambre para uso comercial podría tener las especificaciones para funcionar en condiciones máximas a 75 C, los Data Centers exigen mayores amperaje y temperatura de conductor para suministrar más energía cuando sea necesario. A menudo, estas necesidades se producen durante una situación de emergencia o mantenimiento.

Es una buena práctica que todos los interruptores automáticos que transportan una carga crítica (IT, redes y equipos de refrigeración continua) se comprueben durante la puesta en funcionamiento según las especificaciones de las normas ANSI/NETA para pruebas de aceptación de equipos y sistemas de energía eléctrica. Muchos interruptores automáticos no se dispararán, o se dispararán cuando no deberían, si no se prueban y se ponen directamente en servicio. Es difícil encontrar una oportunidad de poner fuera de línea un interruptor automático para hacerle pruebas de rendimiento, especialmente en instalaciones críticas con una carga continua, incluso si los sistemas eléctricos admiten operaciones de mantenimiento concurrente. No es raro que los ingenieros obtengan una pequeña y uniforme tasa de fallos de los interruptores automáticos de entre un 6% y un 15%. Por lo tanto, no hace falta recordar que este paso es crucial.

Tipos de cableado y métodos

El diseño de la infraestructura eléctrica de base y la selección de los equipos tienen como soporte una correcta especificación del cableado del Data Center. Desde el tipo de cableado elegido a sus métodos de instalación, tensiones y soporte, los cableados son literalmente las venas del cuerpo del Data Center.

El cobre es el material conductor preferido por su facilidad de uso, bajo riesgo histórico y capacidad para trabajar en espacios ajustados. Dicho esto, se pueden utilizar conductores de aluminio para grandes alimentadores cuando se requiera una reducción de los costes iniciales, a pesar de que los cables de aluminio son más difíciles de terminar en interruptores automáticos o en un bus, puesto que el aluminio se expande y contrae más que el cobre al cambiar la carga. Los conductores de aluminio más grandes a menudo requieren más espacio dentro de la aparamenta, los cuadros de distribución y los cuadros de distribución principales. Las conexiones de aluminio también requieren más pruebas y mantenimiento. Una buena práctica con los conductores de aluminio es termoexplorar anualmente las uniones y terminaciones en condiciones de carga pico. Después se cierran herméticamente las uniones y conexiones de bajo nivel normalmente en un momento en que se minimiza el riesgo de fallos de suministro a las cargas críticas.

Las bandejas de cables, que normalmente se utilizan suspendidas, se asemejan a una escalera que cuelga del techo y se utilizan en el diseño eléctrico de Data Centers por su instalación fiable, flexible y de bajo coste. A diferencia de los conductos de barra, la bandeja de cable se puede modificar fácilmente sobre el terreno

En los Data Centers se utilizan diversos métodos de cableado. Los Data Centers están repletos sobre todo de conductores aéreos y subterráneos en conductos y tubos, mientras que también se emplean conductos de barra, bandejas de cables y embarrados.

Los contratistas eléctricos prefieren los conductores subterráneos porque perciben que se reducen los costes de instalación por el ahorro automático de 1,5 metros de tendido a ambos extremos y al eliminar los gastos de suspensión. Asumen que se instalan el mismo número y tamaño de conductores bajo tierra y suspendidos. Un diseño adecuado utilizando los cálculos de Neher-McGrath demuestra que a menudo es preciso un mayor número de conductores y de mayores tamaños si se instalan bajo tierra que si se instalan suspendidos, con lo que se reduce o elimina esa ventaja percibida. Los conductores subterráneos se deben dimensionar de un mayor tamaño para contrarrestar el aislamiento natural adicional que proporciona el suelo. Sin embargo, con conductores aéreos es más fácil deshacerse de forma natural del calor generado.

Además, la construcción de Data Centers modulares y escalables puede complicar una correcta instalación de los conductos subterráneos para equipos futuros, ya que no hay una manera precisa al 100% de saber dónde deben aflorar a la superficie los conductos para futuras salidas.

Se debe tener cuidado para dimensionar adecuadamente los conductores para las elevadas temperaturas ambientales presentes en bastidores de equipos de computación, pasillos calientes de salas de datos y habitaciones de equipos eléctricos. La Tabla 310.15 (B) (16) del NEC asume que la temperatura ambiente es de 30 °C (86 °F). Sin embargo, cuando la temperatura ambiente es superior a 30 °C, el conductor no transportará continuamente la corriente de carga que se calculó para 30 °C y se debe derratear para la temperatura ambiente real.

Aunque a veces se utiliza en la infraestructura eléctrica del Data Center, los conductos de barra se enfrentan a problemas tanto de fiabilidad como de mantenibilidad, debido a las múltiples uniones que se encuentran en los conductos de barra. Las uniones de los conductos de barra se encuentran típicamente cada 10 pies (3 m) en tramos rectos, de modo que por cada 100 pies de tramo recto, puede haber hasta 11 uniones (recuerde que los acoples, codos, etc., suman uniones adicionales). Esto puede hacer que los conductos de barra sean más susceptibles a fallos y tengan un mantenimiento más difícil. Además, los conductos de barra son productos ensamblados en fábrica construidos para adaptarse a las mediciones de campo. Si cualquiera de las mediciones están equivocadas o un trozo de conducto de barra no encaja, no se puede modificar sobre el terreno. Se debe pedir a la fábrica una nueva pieza, lo cual implica a menudo una espera considerable.

Las bandejas de cables, que normalmente se utilizan suspendidas, se asemejan a una escalera que cuelga del techo y se utilizan en el diseño eléctrico de Data Centers por su instalación fiable, flexible y de bajo coste. En una bandeja de cables se pueden instalar cables de un solo conductor y de varios conductores, y a menudo se especifican cables blindados para proporcionar una mayor tolerancia a fallos. Una bandeja de cable se puede modificar fácilmente sobre el terreno para adaptarse a las condiciones prácticas, por lo que una medición precisa no es tan crítica como lo es para los conductos de barra. Es importante darse cuenta de que pueden perderse todos los cables de una bandeja de cables si uno de ellos falla y se quema, a menos que todos los cables estén blindados. Otro punto crucial es que apilar bandejas de cables, una encima de otra, puede dar lugar a fallos en cascada. Si falla un cable en la bandeja inferior, podría provocar un incendio que podría quemar todos los cables de esa bandeja, así como los que se encuentren encima.

Los embarrados son una alternativa al conducto de barra que tiene muchas ventajas. Montados como una bandeja de cables con grandes cables de alimentación de un único conductor tendido dentro de ellos, incluyendo tacos separadores entre los cables, se pueden modificar fácilmente sobre el terreno para adaptarse a las condiciones particulares. Contrariamente a los conductos de barra, los embarrados normalmente solo tienen dos terminaciones (una en cada extremo, con un cable sólido en medio) y no tienen uniones, lo cual los hace más fiables. El reducido número de terminaciones y uniones también reduce el mantenimiento.

Tensión e instalación

El cobre es el material conductor preferido para los cables de los Data Centers por su facilidad de uso, bajo riesgo histórico y su capacidad para trabajar en lugares reducidos. En la parte superior, se utiliza cable de baja tensión en los Data Centers con un rango de 0 a 2000 V. En la parte inferior, se utiliza cable de media tensiónEn los Data Centers actuales se utilizan tensiones tanto bajas como medidas. La selección adecuada de la tensión está fuera del alcance de este artículo. La selección de los tipos de aislamiento adecuados es esencial para proporcionar la fiabilidad deseada. El aislamiento para baja tensión (600 V o menos) de los conductores normalmente se evalúa para 34 °C (94 °F) utilizando aislamiento de cable recubierto con nylon termoplástico tipo NEC para alta temperatura (THHN) en lugares secos, y goma tipo NEC impermeable para altas temperaturas (RHHW-2) o XLP-2 (polietileno reticulado) en lugares húmedos, empapados o subterráneos. Los cables de media tensión (1000 V o más) generalmente están apantallados con aislamiento de caucho de etileno propileno (EPR) especificados para 90 °C (194 °F) o 105 °C (221 °F) o XLP, y con niveles de aislamiento del 100%, 133% o 173% seleccionados, basados en el sistema de conexión a tierra neutra.

Si el sistema de neutro está conectado a tierra sólidamente, entonces normalmente se especifica un nivel de aislamiento del 100%. Si el sistema de neutro tiene impedancia a tierra y se le permitirá operar hasta una hora con fase a tierra, entonces normalmente se especifica un nivel de aislamiento del 133%. Si el sistema de neutro tiene impedancia a tierra y se le permitirá operar más de una hora con una fase a tierra, entonces normalmente se especifica un nivel de aislamiento del 173%. (Se denomina alta tensión a una tensión de 69.000 V o superior, que normalmente no se utiliza dentro de los Data Centers y por lo general se diseña para instalarse en el exterior para las compañías eléctricas).

Los Data Centers requieren una infraestructura eléctrica muy robusta y fiable que supera con creces la de instalaciones comerciales e industriales. Además, en muchas áreas hay temperaturas elevadas al intentar los operadores aumentar el nivel de eficiencia energética (PUE) y la eficiencia operativa. El cumplimiento de estas eficiencias operacionales requiere una especificación adecuada de equipos y cableados, y la aplicación de métodos de diseño con tensiones y sistemas adecuados. Se necesita un esfuerzo coordinado para garantizar que la infraestructura eléctrica del Data Center se construirá para durar.


Christopher M. Johnston es vicepresidente principal y jefe de ingenieros del equipo de instalaciones críticas de Syska Hennessy Group. Johnston se especializa en planificación, diseño, construcción, pruebas y puesta en servicio de instalaciones de misiones críticas 7x24 y dirige los proyectos de los equipos de investigación y desarrollo para abordar cuestiones técnicas actuales e inminentes en instalaciones críticas e hipercríticas. Con más de 40 años de experiencia como ingeniero, ha trabajado como responsable de control de calidad e ingeniero supervisor en muchos proyectos.

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