Ứng dụng thiết bị đóng cắt trung thế trong trung tâm dữ liệu và dự án năng lượng tái tạo

Hai ngành công nghiệp, một sự phụ thuộc chung

Các trung tâm dữ liệu và các dự án năng lượng tái tạo dường như có rất ít điểm chung. Một là tòa nhà được kiểm soát khí hậu chứa đầy các giá đỡ máy chủ, nơi đầu ra chính là thông tin kỹ thuật số. Cái còn lại là một công trình lắp đặt ngoài trời rộng lớn, chịu ảnh hưởng của thời tiết, trong đó đầu ra chính là năng lượng điện được đưa vào lưới điện truyền tải.

Tuy nhiên, bên dưới bề mặt, chúng có chung một sự phụ thuộc quan trọng: thiết bị đóng cắt trung thế hoạt động hoàn hảo trong các điều kiện vận hành vốn được coi là bất thường cách đây một thập kỷ. Cả hai ngành đều tăng trưởng với tốc độ phi thường. Cả hai đều phải đối mặt với áp lực lớn về tiến độ dự án và chi phí vốn. Và cả hai đều đang ngày càng chỉ định thiết bị không chứa SF₆—các trung tâm dữ liệu được thúc đẩy bởi các cam kết bền vững của công ty, các dự án năng lượng tái tạo được thúc đẩy bởi logic rằng việc tạo ra năng lượng sạch không nên phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng có GWP cao.

Bài viết này xem xét chi tiết các yêu cầu về thiết bị đóng cắt trung thế của hai lĩnh vực này. Trọng tâm là các nhu cầu kỹ thuật thúc đẩy việc lựa chọn thiết bị, cấu hình đã được chứng minh là hiệu quả cũng như các yêu cầu về tài liệu và tuân thủ mà nhóm mua sắm ở cả hai ngành hiện coi là bắt buộc.

Phần thứ nhất: Trung tâm dữ liệu

Kiến trúc điện của một trung tâm dữ liệu hiện đại

Một trung tâm dữ liệu siêu quy mô về cơ bản là một cơ sở chuyển đổi điện. Nguồn điện đến ở điện áp cao hoặc trung bình từ lưới điện, giảm dần qua nhiều giai đoạn chuyển đổi và cuối cùng đến các giá đỡ máy chủ ở điện áp thấp với yêu cầu về độ tin cậy đặc biệt. Tiêu chuẩn ngành về thời gian hoạt động—năm số chín, hay độ khả dụng 99,999%—chỉ cho phép thời gian ngừng hoạt động hơn năm phút mỗi năm, bao gồm tất cả các hoạt động bảo trì theo kế hoạch.

Thiết bị đóng cắt trung thếnằm ở điểm giao nhau quan trọng giữa nguồn cung cấp tiện ích và mạng phân phối nội bộ của trung tâm dữ liệu. Trong kiến ​​trúc điển hình, các lộ điện từ 10 kV đến 36 kV đi vào trạm biến áp tại chỗ của cơ sở, nơi thiết bị đóng cắt trung thế cung cấp chức năng bảo vệ lộ điện đến, bảo vệ sơ cấp máy biến áp và chuyển mạch phần thanh cái. Ở hạ lưu, thiết bị đóng cắt trung thế bổ sung có thể phục vụ các nhà máy làm lạnh lớn, tổng đài đầu vào UPS và thiết bị đóng cắt song song máy phát điện cho hệ thống điện dự phòng.

Thiết bị đóng cắt trong kiến ​​trúc này phải đáp ứng đồng thời một số tiêu chí khắt khe. Nó phải đủ nhỏ gọn để vừa với diện tích của tòa nhà, vốn là bất động sản đắt tiền. Phải đủ tin cậy để các biện pháp can thiệp bảo trì được tính bằng giờ mỗi thập kỷ thay vì số giờ mỗi năm. Và nó phải có khả năng tích hợp với hệ thống quản lý tòa nhà và nền tảng giám sát nguồn điện của trung tâm dữ liệu, cung cấp dữ liệu thời gian thực về vị trí chuyển mạch, sự kiện bảo vệ và tình trạng thiết bị.

Tại sao máy cắt chân không là tiêu chuẩn

Bộ ngắt mạch chân không đã trở thành lựa chọn mặc định để chuyển mạch điện áp trung thế trong các trung tâm dữ liệu vì những lý do cả về mặt kỹ thuật và vận hành.

Về mặt kỹ thuật, một thiết bị ngắt chân không sẽ dập tắt hồ quang bên trong một vỏ gốm kín, nơi không có gì để đốt, không có gì để phân hủy và không có gì để rò rỉ. Việc không có gas có nghĩa là không có bảo trì liên quan đến gas. Đối với nhà điều hành trung tâm dữ liệu có cơ sở có thể hoạt động trong 15 năm mà không cần ngừng hoạt động nghiêm trọng, bất kỳ thiết bị nào cần được bảo trì định kỳ đều là trách nhiệm pháp lý. Bộ ngắt mạch chân không có cơ chế vận hành cấp M2 được xếp hạng cho 10.000 hoạt động cơ học có thể phục vụ trong suốt vòng đời của cơ sở mà không cần can thiệp bảo trì một lần nào trên chính bộ ngắt.

Về mặt vận hành, máy cắt chân không rất phù hợp với đặc tính tải của trung tâm dữ liệu. Tải của trung tâm dữ liệu ở trạng thái tương đối ổn định—các máy chủ không dừng và khởi động giống như động cơ công nghiệp—điều đó có nghĩa là độ bền điện của cầu dao hiếm khi được kiểm tra do sự cố gián đoạn thường xuyên. Yêu cầu vận hành chính là chuyển mạch đáng tin cậy trong quá trình chuyển giao theo kế hoạch giữa nguồn điện và nguồn máy phát điện, đòi hỏi khắt khe về mặt cơ học nhưng lại đơn giản về mặt điện. Một cơ cấu lò xo tích trữ năng lượng được thiết kế tốt có thể thực hiện chức năng này một cách nhất quán trong nhiều thập kỷ.

Cấu hình có thể rút ra được sử dụng trong thiết bị đóng cắt bọc kim loại như dòng KYN28 hoặc KYN61 mang lại một lợi thế khác cho trung tâm dữ liệu: cầu dao có thể được đưa ra để kiểm tra hoặc đặt ở vị trí cách ly để kiểm tra mà không cần ngắt điện toàn bộ bus. Trong một cơ sở mà chi phí ngừng hoạt động có thể vượt quá 100.000 USD mỗi phút, riêng tính năng bảo trì này có thể chứng minh được thông số kỹ thuật của thiết bị đóng cắt.

Sự chuyển đổi sang không chứa SF₆ trong lĩnh vực trung tâm dữ liệu

Các nhà khai thác trung tâm dữ liệu đã trở thành một trong những người ủng hộ có ảnh hưởng nhất đối với thiết bị chuyển mạch không chứa SF₆ và động lực của họ chủ yếu không phải là tuân thủ quy định. Nhiều nhà khai thác lớn nhất—bao gồm cả các nhà cung cấp đám mây siêu quy mô—đã đưa ra cam kết công khai nhằm đạt được mức phát thải carbon trung tính hoặc lượng khí thải ròng bằng 0 trong thập kỷ này. SF₆, với khả năng làm nóng lên toàn cầu gấp 24.300 lần so với CO₂, sẽ mâu thuẫn trực tiếp với những cam kết đó nếu nó có mặt trong cơ sở hạ tầng điện của mọi cơ sở mới.

Một bảng điều khiển RMU hoặc GIS điện áp trung bình chứa vài kg SF₆ bản thân nó không chiếm một phần lớn lượng khí thải carbon của trung tâm dữ liệu. Nhưng các nhà khai thác lớn xây dựng hàng chục cơ sở mỗi năm, mỗi cơ sở có nhiều bảng điều khiển thiết bị đóng cắt. Hàng tồn kho SF₆ tích lũy trên toàn bộ danh mục đầu tư toàn cầu có thể được tính bằng tấn. Tỷ lệ rò rỉ thấp nhưng không phải bằng 0 và thời gian tồn tại trong khí quyển của SF₆ có nghĩa là mỗi gram phát ra sẽ tồn tại trong khí quyển trong hơn ba nghìn năm.

Đây là lý do tại sao thông số kỹ thuật đấu thầu của trung tâm dữ liệu hiện nay thường xuyên bao gồm "Không có SF₆" như một yêu cầu bắt buộc đối vớithiết bị đóng cắt trung thế. Yêu cầu này không chỉ xuất hiện ở các thị trường châu Âu, nơi Quy định về khí F của EU cung cấp khuôn khổ pháp lý, mà còn ở Bắc Mỹ và châu Á-Thái Bình Dương. Đối với các nhà sản xuất thiết bị đóng cắt, thị trường trung tâm dữ liệu đã trở thành động lực thương mại mạnh mẽ cho việc phát triển sản phẩm không chứa SF₆—có lẽ là động lực mạnh mẽ nhất ngoài lĩnh vực tiện ích.

COTENELE cung cấp các thiết bị chính dạng vòng 24 kV SF₆ và bảng cầu dao chân không cho các dự án trung tâm dữ liệu, có khả năng cách nhiệt không khí khô và chứng nhận thử nghiệm điển hình theo tiêu chuẩn IEC 62271-200. Bình chứa bằng thép không gỉ được niêm phong trọn đời giúp loại bỏ việc giám sát khí, nạp lại và phục hồi khi hết vòng đời khỏi quy trình vận hành của cơ sở. Đối với nhà điều hành trung tâm dữ liệu, điều này có nghĩa là có ít hệ thống hơn để theo dõi, ít hợp đồng bảo trì hơn để quản lý và ít mục hơn để giải thích trong quá trình kiểm tra ESG.

Phần thứ hai: Các dự án năng lượng tái tạo

Mạng lưới thu gom trang trại gió

Trang trại gió thể hiện một môi trường điện khác biệt cơ bản với trung tâm dữ liệu hoặc nhà máy công nghiệp. Các máy phát điện tua-bin gió riêng lẻ, thường có công suất từ ​​2 MW đến 8 MW, nằm rải rác trên một khu vực địa lý có thể trải rộng hàng chục km2. Mỗi tuabin tạo ra điện áp thấp—thường là 690 V hoặc 1000 V—và tăng lên điện áp trung bình thông qua một máy biến áp gắn trên tấm đệm ở chân tháp. Cáp trung thế, thường ở điện áp 33 kV hoặc 36 kV, chạy từ mỗi tuabin đến trạm biến áp thu gom trung tâm, nơi điện được tổng hợp và tăng cường trở lại để truyền tải.

Thiết bị đóng cắt trong trạm biến áp thu gom phải xử lý nhiều nhiệm vụ mà không ứng dụng nào khác có thể lặp lại. Bộ ngắt mạch bảo vệ mỗi bộ cấp nguồn thu gom trải qua các hoạt động chuyển mạch thường xuyên khi tua-bin khởi động và dừng để đáp ứng với điều kiện gió. Sự đóng góp của dòng điện sự cố từ các tuabin gió dựa trên bộ biến tần về cơ bản khác với dòng điện sự cố máy đồng bộ—độ lớn thấp hơn, suy giảm nhanh hơn và đôi khi rơle bảo vệ thông thường khó phân biệt được với dòng tải thông thường. Và bản thân trạm biến áp thường ở một địa điểm xa xôi, nơi việc bảo trì tốn kém, phụ thuộc vào thời tiết và đôi khi không thể thực hiện được trong nhiều tuần trong những tháng mùa đông.

Máy cắt chân không rất phù hợp với môi trường này. Độ bền cơ học cao của VCB hiện đại cho phép chuyển mạch thường xuyên mà không làm suy giảm tiếp điểm. Bộ ngắt chân không không quan tâm đến nguồn dòng điện sự cố mà nó phải ngắt—cho dù nó đến từ máy phát đồng bộ hay nguồn dựa trên bộ biến tần thì cơ chế dập tắt hồ quang đều giống nhau. Và cấu trúc kín trọn đời của một VCB hiện đại có nghĩa là kỹ thuật viên bảo trì không cần phải kiểm tra bên trong thiết bị ngắt, ngay cả khi họ có thể đến hiện trường.

Hệ thống lưu trữ năng lượng và quang điện mặt trời

Việc lắp đặt quang điện mặt trời ở quy mô tiện ích có chung một số đặc điểm với các trang trại gió—sản xuất dựa trên bộ biến tần, phân tán về mặt địa lý, chuyển đổi thường xuyên khi bức xạ thay đổi—nhưng lại có thêm sự phức tạp riêng. Các nhà máy năng lượng mặt trời thường hoạt động ở điện áp thấp hơn so với các trang trại gió: hệ thống thu thập điện áp trung thế có thể là 12 kV hoặc 24 kV thay vì 33 kV hoặc 36 kV. Phía DC của nhà máy, từ các mô-đun thông qua hộp tổ hợp đến đầu vào biến tần, hoạt động ở điện áp lên tới 1500 V DC và yêu cầu một bộ thiết bị bảo vệ và cách ly hoàn toàn riêng biệt.

Sự đồng vị trí ngày càng tăng của các hệ thống lưu trữ năng lượng pin với việc sản xuất năng lượng mặt trời sẽ bổ sung thêm một lớp yêu cầu về thiết bị đóng cắt. Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin có thể sạc từ lưới hoặc từ mảng năng lượng mặt trời và xả trở lại lưới khi cần, điều đó có nghĩa là thiết bị đóng cắt trung áp tại điểm kết nối phải xử lý dòng điện hai chiều. Các cài đặt bảo vệ phải tính đến sự đóng góp của dòng điện sự cố từ bộ biến tần pin, dòng điện này có thể tăng đáng kể và tăng nhanh. Và nhiệm vụ chuyển mạch trên máy cắt còn tăng hơn nữa, với nhiều chu kỳ sạc-xả mỗi ngày sẽ làm tăng thêm số lượng hoạt động cơ học.

Lớp tuân thủ và tài liệu

Các dự án năng lượng tái tạo, đặc biệt là các dự án được phát triển bởi các nhà sản xuất điện độc lập quốc tế hoặc được tài trợ bởi các ngân hàng phát triển đa phương, hiện có các yêu cầu về tài liệu cạnh tranh với các yêu cầu của đấu thầu tiện ích. Gói thiết bị đóng cắt trung thế cho trang trại gió hoặc nhà máy năng lượng mặt trời thường sẽ yêu cầu chứng chỉ thử nghiệm điển hình IEC cho mọi cầu dao và RMU, báo cáo thử nghiệm định kỳ từ nhà máy, tuyên bố tuân thủ các quy định môi trường hiện hành và danh sách tham khảo chứng minh trước khi giao thiết bị tương tự.

Lý do rất đơn giản: tài trợ cho dự án. Bên cho vay và nhà đầu tư cung cấp vốn cho các dự án năng lượng tái tạo tiến hành thẩm định kỹ thuật đối với từng gói thiết bị chính. Nếu nhà cung cấp thiết bị đóng cắt không thể cung cấp tài liệu đầy đủ, dự án có thể phải đối mặt với sự chậm trễ trong việc hoàn tất tài chính. Đây là một rủi ro mà các nhà phát triển rất coi trọng.

COTENELE cung cấp thiết bị đóng cắt trung thế cho các dự án năng lượng tái tạo với gói tài liệu hoàn chỉnh đi kèm theo tiêu chuẩn. Chứng chỉ kiểm tra điển hình, báo cáo kiểm tra định kỳ và tuyên bố tuân thủ được cung cấp ở giai đoạn đấu thầu chứ không phải sau khi đặt hàng. Đối với các dự án ở Châu Âu, điều này bao gồm tài liệu chứng minh sự phù hợp với Quy định về khí F của EU. Đối với các dự án ở các khu vực khác, gói này được điều chỉnh theo yêu cầu của địa phương.

Sự chồng chéo về công nghệ: Điều cả hai ngành cần

Bất chấp sự khác biệt, các trung tâm dữ liệu và các dự án năng lượng tái tạo đều hội tụ một loạt yêu cầu chung về thiết bị đóng cắt. Việc xác định sự chồng chéo này giúp giải thích lý do tại sao một số công nghệ và cấu hình nhất định lại chiếm ưu thế trên cả hai thị trường.

Dấu chân nhỏ gọn. Trung tâm dữ liệu coi trọng từng mét vuông khoảng trắng. Các trạm thu năng lượng tái tạo thường nằm trên đất liền với diện tích sẵn có hạn chế. Cả hai lĩnh vực đều chỉ định thiết bị đóng cắt giúp giảm thiểu dấu chân vật lý mà không ảnh hưởng đến khả năng tiếp cận để bảo trì. Đây là một lý do khiến thiết bị đóng cắt có thể rút ra được bọc kim loại và RMU không chứa SF₆ giành được thị phần—chúng gói gọn chức năng đáng kể vào một vỏ bọc nhỏ gọn.

Độ tin cậy mà không cần bảo trì thường xuyên. Trung tâm dữ liệu không thể chịu được thời gian ngừng hoạt động. Các trang trại gió không đủ khả năng cử kỹ thuật viên đến trạm biến áp ở xa hàng tháng. Bộ ngắt mạch chân không có bộ ngắt mạch kín suốt đời và RMU có bình khí kín giải quyết trực tiếp yêu cầu này.

Không chứa SF₆ làm cơ sở. Đối với các trung tâm dữ liệu, động lực chính là các cam kết bền vững của doanh nghiệp. Đối với các dự án năng lượng tái tạo, nguyên nhân là sự không phù hợp của việc sử dụng khí có GWP cao trong cơ sở hạ tầng hiện có để sản xuất năng lượng sạch. Cả hai đều đạt được yêu cầu đặc điểm kỹ thuật giống nhau.

Tích hợp kỹ thuật số. Các trung tâm dữ liệu đã sớm áp dụng thiết bị chuyển mạch thông minh có giao tiếp IEC 61850, do nhu cầu tích hợp giám sát điện vào hệ thống quản lý tòa nhà. Các dự án năng lượng tái tạo đang nhanh chóng được triển khai, do nhu cầu giám sát từ xa các địa điểm không người lái. Trong cả hai trường hợp, thiết bị đóng cắt có thể báo cáo tình trạng của chính nó, ghi lại hoạt động chuyển mạch và đưa ra cảnh báo sớm về các vấn đề đang phát triển giúp giảm chi phí vận hành và rủi ro.

Tài liệu đầy đủ. Cả hai lĩnh vực này đều bị chi phối bởi những người mua sành sỏi—các nhà điều hành trung tâm dữ liệu siêu quy mô, các nhà phát triển năng lượng tái tạo quốc tế, các quỹ cơ sở hạ tầng—những người coi tài liệu như yêu cầu của người gác cổng. Nếu giấy tờ không đầy đủ thì thiết bị không được xem xét. Điều này có lợi cho các nhà sản xuất đã đầu tư vào thử nghiệm loại của bên thứ ba và duy trì hệ thống tài liệu có tổ chức.

Lựa chọn thiết bị đóng cắt cho các ứng dụng này: Những cân nhắc thực tế

Đối với các kỹ sư dự án và nhóm mua sắm làm việc trong cả hai lĩnh vực, một số cân nhắc thực tế sẽ hướng dẫn việc lựa chọn thiết bị đóng cắt.

Bắt đầu với điện áp và mức độ lỗi, nhưng không dừng lại ở đó. Điện áp định mức và khả năng ngắt ngắn mạch là tiêu chí đầu vào tối thiểu. Ngoài ra, hãy đánh giá độ bền cơ học, yêu cầu bảo trì trong suốt vòng đời dự án và tính sẵn có của dịch vụ hỗ trợ tại địa phương.

Xác minh kiểm tra loại cho cấu hình cụ thể. Nhà sản xuất có thể đã kiểm tra kiểu một mô-đun tiêu chuẩn nhưng không phải là sự kết hợp cụ thể của các mô-đun cần thiết cho sơ đồ một đường của bạn. Xác nhận rằng cấu hình chính xác đã được kiểm tra hoặc nhà sản xuất có thể đưa ra lý do kỹ thuật để mở rộng phạm vi kiểm tra loại.

Hỏi về tài liệu trước khi đặt hàng. Nếu nhà cung cấp không thể cung cấp chứng chỉ kiểm tra điển hình, mẫu báo cáo kiểm tra định kỳ và tuyên bố tuân thủ ở giai đoạn đấu thầu thì họ khó có thể sản xuất chúng ngay sau khi đặt hàng. Sự chậm trễ trong việc lập hồ sơ có thể cản trở việc tài trợ và vận hành dự án, và thời gian để phát hiện ra chúng là trước khi trao hợp đồng.

Xem xét tổng chi phí vòng đời, không chỉ giá mua. Đối với một trung tâm dữ liệu có tuổi thọ thiết kế là 15 năm, chi phí cho một lần ngừng hoạt động ngoài kế hoạch sẽ nhỏ hơn bất kỳ sự khác biệt nào trong giá mua thiết bị đóng cắt. Đối với một trang trại gió có 50 tua-bin trải dài trên một dãy núi, chi phí cử kỹ thuật viên đến kiểm tra máy cắt sẽ nhỏ hơn số tiền tiết kiệm được khi chọn sản phẩm có thông số kỹ thuật thấp hơn. Thiết bị đóng cắt chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng chi phí vốn của dự án nhưng lại chiếm một phần lớn trong thiết bị có thể gây ra sự cố nghiêm trọng. Đây không phải là nơi để tối ưu hóa với mức giá ban đầu thấp nhất.

Phần kết luận

Các trung tâm dữ liệu và các dự án năng lượng tái tạo đại diện cho hai phân khúc phát triển nhanh nhất của thị trường thiết bị đóng cắt trung thế toàn cầu. Đây cũng là những phân khúc mà quá trình chuyển đổi sang thiết bị bền vững, tích hợp kỹ thuật số, không chứa SF₆ đang tiến triển nhanh nhất.

Các công nghệ thiết bị đóng cắt phục vụ tốt cho các thị trường này—gián đoạn chân không, không khí khô và cách điện rắn, cấu hình có thể rút ra được với độ bền cơ học cao, giám sát tình trạng tích hợp với truyền thông IEC 61850—là những công nghệ tương tự sẽ định hình ngành công nghiệp thiết bị đóng cắt rộng hơn trong thập kỷ tới. Những bài học kinh nghiệm về trung tâm dữ liệu và ứng dụng năng lượng tái tạo đang định hình quá trình phát triển sản phẩm trên tất cả các phân khúc thị trường.

Đối với COTENELE, việc phục vụ các lĩnh vực này có nghĩa là cung cấp RMU 24 kV không có SF₆ và bảng cầu dao chân không đã được kiểm tra kiểu, hoàn thiện tài liệu và được sản xuất nối tiếp. Điều đó có nghĩa là hiểu rằng nhóm mua sắm trung tâm dữ liệu và nhà phát triển trang trại gió nói các ngôn ngữ kỹ thuật khác nhau nhưng có cùng yêu cầu cơ bản: thiết bị hoạt động đáng tin cậy trong nhiều thập kỷ, với sự can thiệp tối thiểu và không kèm theo trách nhiệm pháp lý về môi trường. Hệ thống tài liệu và phạm vi sản phẩm của chúng tôi được xây dựng phù hợp.

Bạn đang tìm kiếm thiết bị đóng cắt trung thế cho dự án tiếp theo của mình?

COTENELE cung cấp máy cắt chân không 12 kV đến 40,5 kV, thiết bị chính dạng vòng không chứa SF₆ và thiết bị đóng cắt bọc kim loại hoàn chỉnh cho trung tâm dữ liệu, năng lượng tái tạo, tiện ích và ứng dụng công nghiệp. Tất cả các sản phẩm đều được kiểm tra điển hình theo tiêu chuẩn IEC hiện hành với tài liệu đầy đủ được cung cấp ở giai đoạn đấu thầu.

Giới thiệu về COTENELE

COTENELE là nhà sản xuất chuyên dụng về thiết bị đóng cắt trung thế, bao gồm thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí thân thiện với môi trường không chứa SF₆, bộ ngắt mạch chân không, bộ phận mạch vòng và tấm ốp kim loại cho các ứng dụng 12 kV đến 40,5 kV. Sản phẩm của chúng tôi phục vụ các nhà điều hành trung tâm dữ liệu, nhà phát triển năng lượng tái tạo, tiện ích và người mua công nghiệp trên khắp Châu Âu, Châu Á và Trung Đông. Mọi sản phẩm đều được thử nghiệm điển hình theo các tiêu chuẩn IEC hiện hành, kèm theo tài liệu đầy đủ được cung cấp để nộp hồ sơ dự thầu và bàn giao dự án.