Toepassingen van middenspanningsschakelapparatuur in datacenters en duurzame energieprojecten

Twee industrieën, één gemeenschappelijke afhankelijkheid

Datacenters en duurzame energieprojecten lijken weinig met elkaar gemeen te hebben. Eén daarvan is een klimaatgecontroleerd gebouw vol serverracks, waar de primaire output digitale informatie is. De andere is een uitgestrekte buiteninstallatie die is blootgesteld aan het weer, waarbij de primaire output elektrische energie is die aan een transmissienet wordt geleverd.

Onder de oppervlakte delen ze echter een cruciale afhankelijkheid: middenspanningsschakelapparatuur die feilloos presteert onder bedrijfsomstandigheden die tien jaar geleden als ongebruikelijk zouden zijn beschouwd. Beide industrieën zijn met buitengewone snelheid gegroeid. Beiden worden geconfronteerd met grote druk op de projecttijdlijnen en kapitaalkosten. En beide specificeren steeds vaker SF₆-vrije apparatuur: datacenters die worden aangestuurd door duurzaamheidsverplichtingen van bedrijven, duurzame energieprojecten die worden aangedreven door de logica dat schone opwekking niet afhankelijk mag zijn van infrastructuur met een hoog GWP.

In dit artikel worden de vereisten voor middenspanningsschakelapparatuur van deze twee sectoren in detail onderzocht. De focus ligt op de technische eisen die de selectie van apparatuur bepalen, de configuraties die effectief zijn gebleken, en de documentatie- en nalevingsvereisten die inkoopteams in beide sectoren nu als verplicht beschouwen.

Deel één: Datacenters

De elektrische architectuur van een modern datacenter

Een hyperscale datacenter is in wezen een elektrische conversiefaciliteit. De stroom arriveert op hoge of middenspanning vanuit het elektriciteitsnet, gaat via meerdere transformatiefasen omlaag en bereikt uiteindelijk serverracks op lage spanning met buitengewone betrouwbaarheidseisen. De industrienorm voor uptime (vijf negens, oftewel 99,999% beschikbaarheid) staat iets meer dan vijf minuten downtime per jaar toe, inclusief al het geplande onderhoud.

Middenspanningsschakelapparatuurbevindt zich op het kritieke kruispunt tussen de nutsvoorziening en het interne distributienetwerk van het datacenter. In een typische architectuur komen nutsvoorzieningen van 10 kV tot 36 kV het on-site onderstation van de faciliteit binnen, waar middenspanningsschakelaars bescherming bieden aan inkomende voedingen, primaire bescherming van de transformator en schakeling van bussecties. Stroomafwaarts kunnen aanvullende middenspanningsschakelaars grote koelinstallaties, UPS-ingangsschakelborden en generator-parallelle schakelapparatuur voor back-upstroomsystemen bedienen.

De schakelapparatuur in deze architectuur moet tegelijkertijd aan meerdere veeleisende criteria voldoen. Het moet compact genoeg zijn om binnen de voetafdruk van het gebouw te passen, wat duur onroerend goed is. Het moet betrouwbaar genoeg zijn zodat onderhoudsinterventies worden gemeten in uren per decennium in plaats van in uren per jaar. En het moet kunnen worden geïntegreerd met het gebouwbeheersysteem en het energiemonitoringplatform van het datacenter, waardoor realtime gegevens kunnen worden verstrekt over de stand van de schakelaars, beveiligingsgebeurtenissen en de staat van de apparatuur.

Waarom vacuümstroomonderbrekers standaard zijn

De vacuümstroomonderbreker is de standaardkeuze geworden voor middenspanningsschakeling in datacenters om redenen die zowel technisch als operationeel zijn.

Technisch gezien dooft een vacuümonderbreker de boog in een afgesloten keramisch omhulsel waar niets kan branden, niets kan worden afgebroken en niets kan lekken. De afwezigheid van gas betekent de afwezigheid van gasgerelateerd onderhoud. Voor een datacenterexploitant met een faciliteit die vijftien jaar kan blijven draaien zonder grote stilstand, is alle apparatuur die periodiek onderhoud nodig heeft een risico. Een vacuümstroomonderbreker met een M2-klasse bedieningsmechanisme dat geschikt is voor 10.000 mechanische handelingen kan de hele levensduur van de faciliteit functioneren zonder een enkele onderhoudsinterventie aan de onderbreker zelf.

Operationeel gezien zijn vacuümstroomonderbrekers zeer geschikt voor het belastingsprofiel van een datacenter. De belasting van het datacenter is relatief stabiel (servers stoppen en starten niet zoals industriële motoren), wat betekent dat de elektrische levensduur van de onderbreker zelden wordt getest door frequente onderbrekingen door fouten. De primaire operationele vereiste is betrouwbaar schakelen tijdens geplande overdrachten tussen nuts- en generatorbronnen, wat mechanisch veeleisend maar elektrisch eenvoudig is. Een goed ontworpen veermechanisme met opgeslagen energie kan deze functie tientallen jaren lang consistent uitvoeren.

De uittrekbare configuratie die wordt gebruikt in met metaal beklede schakelapparatuur zoals de KYN28- of KYN61-serie biedt nog een voordeel voor datacenters: een onderbreker kan voor inspectie naar de test- of geïsoleerde positie worden gebracht zonder de hele bus spanningsloos te maken. In een faciliteit waar de kosten voor downtime kunnen oplopen tot meer dan $100.000 per minuut, kan deze onderhoudbaarheidsfunctie alleen al de specificatie van de schakelapparatuur rechtvaardigen.

De verschuiving naar SF₆-vrij in de datacentersector

Exploitanten van datacenters zijn een van de meest invloedrijke voorstanders van SF₆-vrije schakelapparatuur geworden, en hun motivatie is niet in de eerste plaats het naleven van de regelgeving. Veel van de grootste operators – waaronder de hyperscale cloudproviders – hebben publieke toezeggingen gedaan om binnen dit decennium koolstofneutraliteit of een netto-nuluitstoot te bereiken. SF₆, met een aardopwarmingsvermogen dat 24.300 keer groter is dan dat van CO₂, is een directe tegenspraak met deze beloften als het aanwezig is in de elektrische infrastructuur van elke nieuwe faciliteit.

Eén enkel RMU- of GIS-paneel met middenspanning dat een paar kilo SF₆ bevat, vertegenwoordigt op zichzelf geen groot deel van de CO2-voetafdruk van een datacenter. Maar grote exploitanten bouwen tientallen installaties per jaar, die elk meerdere schakelpanelen bevatten. De cumulatieve SF₆-inventaris over een mondiale portefeuille kan worden gemeten in tonnen. De lekkagepercentages zijn laag, maar niet nul, en de atmosferische levensduur van SF₆ betekent dat elke uitgestoten gram meer dan drieduizend jaar in de atmosfeer blijft.

Dit is de reden waarom de aanbestedingsspecificaties voor datacenters nu routinematig "SF₆-vrij" als verplichte vereiste opnemenmiddenspanningsschakelaars. De vereiste verschijnt niet alleen op de Europese markten, waar de EU F-gassenverordening een juridisch kader biedt, maar ook in Noord-Amerika en Azië-Pacific. Voor fabrikanten van schakelapparatuur is de datacentermarkt een krachtige commerciële motor geworden voor SF₆-vrije productontwikkeling – misschien wel de krachtigste buiten de nutssector.

COTENELE levert 24 kV SF₆-vrije ringhoofdeenheden en vacuümstroomonderbrekerpanelen aan datacenterprojecten, met droge luchtisolatie en typetestcertificering volgens IEC 62271-200. De voor de levensduur afgedichte roestvrijstalen tank elimineert gasmonitoring, bijvullen en herstel aan het einde van de levensduur van de operationele procedures van de faciliteit. Voor een datacenterexploitant betekent dit één systeem minder om te volgen, één onderhoudscontract minder om te beheren en één item minder om uit te leggen in een ESG-audit.

Deel twee: Hernieuwbare energieprojecten

Collectornetwerken voor windparken

Een windpark biedt een elektrische omgeving die fundamenteel anders is dan een datacenter of een industriële installatie. De individuele windturbinegeneratoren, die doorgaans elk een vermogen hebben van 2 MW tot 8 MW, zijn verspreid over een geografisch gebied dat tientallen vierkante kilometers kan bestrijken. Elke turbine genereert een lage spanning (doorgaans 690 V of 1000 V) en stijgt op naar middenspanning via een op een pad gemonteerde transformator aan de voet van de toren. Middenspanningskabels, meestal van 33 kV of 36 kV, lopen van elke turbine naar een centraal verzamelstation waar de stroom wordt geaggregeerd en weer wordt opgevoerd voor transmissie.

De schakelapparatuur in het verzamelstation moet een combinatie van taken aankunnen die geen enkele andere toepassing volledig repliceert. De stroomonderbrekers die elke collectortoevoer beschermen, worden regelmatig geschakeld wanneer turbines starten en stoppen als reactie op windomstandigheden. De foutstroombijdrage van op inverters gebaseerde windturbines is fundamenteel anders dan die van synchrone machinefoutstroom: kleiner in omvang, sneller vervalt en soms moeilijk te onderscheiden voor conventionele beveiligingsrelais van normale belastingsstroom. En het onderstation zelf bevindt zich vaak op een afgelegen locatie waar onderhoudsbezoeken duur en weersafhankelijk zijn en tijdens de wintermaanden soms wekenlang onmogelijk zijn.

Vacuümstroomonderbrekers zijn zeer geschikt voor deze omgeving. Het hoge mechanische uithoudingsvermogen van een moderne VCB maakt veelvuldig schakelen mogelijk zonder verslechtering van het contact. De vacuümonderbreker staat onverschillig tegenover de bron van de foutstroom die hij moet onderbreken - of deze nu afkomstig is van een synchrone generator of een op een omvormer gebaseerde hulpbron, de boogdovende fysica is hetzelfde. En de levenslange verzegelde constructie van een moderne VCB betekent dat een onderhoudsmonteur niets hoeft te inspecteren in de onderbreker, zelfs als hij de locatie zou kunnen bereiken.

Zonne-PV en energieopslagsystemen

Fotovoltaïsche zonne-energie-installaties op utiliteitsschaal hebben enkele kenmerken gemeen met windparken – op omvormers gebaseerde opwekking, geografische spreiding, veelvuldig schakelen als de instraling verandert – maar voegen hun eigen complexiteit toe. Zonne-energiecentrales werken doorgaans op een lagere spanning dan windparken: het middenspanningsopvangsysteem kan 12 kV of 24 kV zijn in plaats van 33 kV of 36 kV. De DC-zijde van de installatie, van de modules via de combinerboxen tot de ingang van de omvormer, werkt op spanningen tot 1500 V DC en vereist een volledig afzonderlijke set beveiligings- en isolatieapparatuur.

De toenemende co-locatie van batterij-energieopslagsystemen met zonne-energie voegt een nieuwe laag aan schakelapparatuurvereisten toe. Een batterij-energieopslagsysteem kan worden opgeladen vanaf het elektriciteitsnet of vanaf de zonnepanelen en indien nodig weer worden ontladen naar het elektriciteitsnet, wat betekent dat de middenspanningsschakelaars op het verbindingspunt de bidirectionele stroomstroom moeten verwerken. De beveiligingsinstellingen moeten rekening houden met de bijdrage van de foutstroom van de batterijomvormers, die aanzienlijk en snel kan toenemen. En de schakelplicht op de onderbrekers neemt verder toe, waarbij meerdere laad-ontlaadcycli per dag bijdragen aan het aantal mechanische handelingen.

De compliance- en documentatielaag

Projecten voor hernieuwbare energie, vooral die welke zijn ontwikkeld door internationale onafhankelijke energieproducenten of gefinancierd door multilaterale ontwikkelingsbanken, hebben nu documentatievereisten die kunnen wedijveren met die van openbare aanbestedingen. Voor een middenspanningsschakelapparatuurpakket voor een windpark of zonne-energiecentrale zijn doorgaans IEC-typetestcertificaten vereist voor elke stroomonderbreker en RMU, routinetestrapporten van de fabriek, een verklaring van conformiteit met de toepasselijke milieuvoorschriften en een referentielijst die de eerdere levering van soortgelijke apparatuur aantoont.

De reden is eenvoudig: projectfinanciering. De kredietverstrekkers en investeerders die kapitaal verstrekken voor projecten op het gebied van hernieuwbare energie voeren technisch due diligence-onderzoek uit op elk groot uitrustingspakket. Als de leverancier van de schakelapparatuur geen volledige documentatie kan verstrekken, kan het project vertraging oplopen bij het bereiken van de financiële afsluiting. Dit is een risico dat ontwikkelaars zeer serieus nemen.

COTENELE levert middenspanningsschakelapparatuur voor duurzame energieprojecten, waarbij standaard een compleet documentatiepakket wordt meegeleverd. Typetestcertificaten, routinetestrapporten en conformiteitsverklaringen worden verstrekt in de aanbestedingsfase, niet na de bestelling. Voor projecten in Europa omvat dit documentatie die de conformiteit met de EU F-gassenverordening aantoont. Voor projecten in andere regio’s wordt het pakket afgestemd op de lokale wensen.

De technologie-overlapping: wat beide sectoren nodig hebben

Ondanks hun verschillen komen datacenters en duurzame energieprojecten samen in een gemeenschappelijke reeks schakelapparatuurvereisten. Het identificeren van deze overlap helpt verklaren waarom bepaalde technologieën en configuraties dominant zijn geworden op beide markten.

Compacte voetafdruk. Datacenters waarderen elke vierkante meter witte ruimte. Collectorsubstations voor hernieuwbare energie bevinden zich vaak op land met een beperkt beschikbaar oppervlak. Beide sectoren specificeren schakelapparatuur die de fysieke voetafdruk minimaliseert zonder de toegang voor onderhoud in gevaar te brengen. Dit is een van de redenen waarom met metaal beklede uittrekbare schakelapparatuur en SF₆-vrije RMU's marktaandeel hebben gewonnen: ze verpakken substantiële functionaliteit in een compacte envelop.

Betrouwbaarheid zonder frequent onderhoud. Datacenters kunnen zich geen downtime veroorloven. Windparken kunnen het zich niet veroorloven om elke maand een technicus naar een afgelegen onderstation te sturen. Vacuümstroomonderbrekers met levenslange verzegelde onderbrekers en RMU's met afgedichte gastanks komen direct aan deze eis tegemoet.

SF₆-vrij als basislijn. Voor datacenters zijn de duurzaamheidsdoelstellingen van bedrijven de drijvende kracht. Voor projecten op het gebied van duurzame energie is de drijvende kracht de incongruentie van het gebruik van gas met een hoog GWP in bestaande infrastructuur om schone energie te produceren. Beide komen tot dezelfde specificatie-eis.

Digitale integratie. Datacenters waren early adopters van intelligente schakelapparatuur met IEC 61850-communicatie, gedreven door de noodzaak om elektrische monitoring te integreren in het gebouwbeheersysteem. Hernieuwbare energieprojecten volgen elkaar snel op, gedreven door de behoefte aan monitoring op afstand van onbemande locaties. In beide gevallen reduceert schakelapparatuur die zijn eigen toestand kan rapporteren, schakeloperaties kan registreren en vroegtijdig kan waarschuwen bij zich ontwikkelende problemen, de operationele kosten en het risico.

Volledige documentatie. Beide sectoren worden gedomineerd door geavanceerde kopers – exploitanten van hyperscale datacenters, internationale ontwikkelaars van hernieuwbare energie, infrastructuurfondsen – die documentatie als een poortwachtervereiste beschouwen. Als het papierwerk niet compleet is, wordt de apparatuur niet in aanmerking genomen. Dit bevoordeelt fabrikanten die hebben geïnvesteerd in typetesten door derden en die georganiseerde documentatiesystemen onderhouden.

Schakelapparatuur selecteren voor deze toepassingen: praktische overwegingen

Voor projectingenieurs en inkoopteams die in beide sectoren werken, moeten verschillende praktische overwegingen de keuze van schakelapparatuur bepalen.

Begin met het spannings- en foutniveau, maar stop daar niet. Nominale spanning en kortsluitvermogen zijn de minimale toelatingscriteria. Evalueer daarnaast het mechanische uithoudingsvermogen, de onderhoudsvereisten gedurende de levensduur van het project en de beschikbaarheid van lokale serviceondersteuning.

Verifieer typetests voor de specifieke configuratie. Het kan zijn dat een fabrikant een standaardmodule heeft getypeerd, maar niet de specifieke combinatie van modules die vereist is voor uw enkellijnsschema. Bevestig dat de exacte configuratie is getest, of dat de fabrikant technische rechtvaardiging kan geven voor het uitbreiden van de dekking van de typetest.

Vraag naar documentatie voordat de bestelling wordt geplaatst. Als een leverancier in de aanbestedingsfase geen typetestcertificaten, sjablonen voor routinematige testrapporten en een conformiteitsverklaring kan overleggen, is het onwaarschijnlijk dat hij deze onmiddellijk na de bestelling zal overleggen. Vertragingen in de documentatie kunnen de financiering en inbedrijfstelling van projecten vertragen, en de tijd om deze te ontdekken ligt vóór de gunning van het contract.

Houd rekening met de totale levenscycluskosten, niet alleen met de aankoopprijs. Voor een datacenter met een ontwerplevensduur van vijftien jaar zijn de kosten van een enkele ongeplande uitval kleiner dan het verschil in de aanschafprijs van de schakelapparatuur. Voor een windpark met 50 turbines verspreid over een bergketen vallen de kosten voor het sturen van een technicus om een ​​sloophamer te inspecteren in het niet bij de besparingen die voortvloeien uit de keuze voor een product met lagere specificaties. De schakelapparatuur vormt een klein deel van de totale projectkapitaalkosten, maar een groot deel van de apparatuur die catastrofale storingen kan veroorzaken. Dit is niet de plek om te optimaliseren voor de laagste initiële prijs.

Conclusie

Datacenters en duurzame energieprojecten vertegenwoordigen twee van de snelst groeiende segmenten van de mondiale markt voor middenspanningsschakelaars. Het zijn ook de segmenten waar de transitie naar duurzame, digitaal geïntegreerde, SF₆-vrije apparatuur het snelst vordert.

De schakelapparatuurtechnologieën die deze markten goed bedienen – vacuümonderbreking, droge lucht en solide isolatie, uittrekbare configuraties met een hoge mechanische duurzaamheid, geïntegreerde conditiebewaking met IEC 61850-communicatie – zijn dezelfde technologieën die de bredere schakelapparatuurindustrie de komende tien jaar zullen definiëren. De lessen die zijn geleerd in toepassingen voor datacenters en hernieuwbare energie geven vorm aan de productontwikkeling in alle marktsegmenten.

Voor COTENELE betekent het bedienen van deze sectoren het leveren van 24 kV SF₆-vrije RMU's en vacuümstroomonderbrekerpanelen die typegetest zijn, documentatie compleet zijn en in serieproductie zijn. Het betekent begrijpen dat een inkoopteam voor een datacenter en een ontwikkelaar van een windpark verschillende technische talen spreken, maar dezelfde onderliggende eis hebben: apparatuur die tientallen jaren betrouwbaar werkt, met minimale tussenkomst en zonder enige milieuaansprakelijkheid. Ons productassortiment en documentatiesystemen zijn daarop afgestemd.

Op zoek naar middenspanningsschakelapparatuur voor uw volgende project?

COTENELE levert vacuümstroomonderbrekers van 12 kV tot 40,5 kV, SF₆-vrije ringhoofdeenheden en complete met metaal beklede schakelapparatuur voor datacenters, duurzame energie, nutsvoorzieningen en industriële toepassingen. Alle producten zijn typegetest volgens de toepasselijke IEC-normen, waarbij de volledige documentatie in de aanbestedingsfase wordt verstrekt.

Over COTENELE

COTENELE is een gespecialiseerde fabrikant van middenspanningsschakelapparatuur, waaronder SF₆-vrije milieuvriendelijke gasgeïsoleerde schakelapparatuur, vacuümstroomonderbrekers, ringhoofdeenheden en met metaal beklede panelen voor toepassingen van 12 kV tot 40,5 kV. Onze producten zijn bedoeld voor datacenterexploitanten, ontwikkelaars van hernieuwbare energie, nutsbedrijven en industriële kopers in Europa, Azië en het Midden-Oosten. Elk product wordt onderworpen aan een typetest volgens de toepasselijke IEC-normen, waarbij volledige documentatie wordt verstrekt voor het indienen van offertes en het opleveren van projecten.