Aplicações de painéis de média tensão em data centers e projetos de energia renovável

Duas indústrias, uma dependência comum

Os data centers e os projetos de energia renovável parecem ter pouco em comum. Um deles é um edifício climatizado repleto de racks de servidores, onde a saída principal é a informação digital. A outra é uma ampla instalação externa exposta às intempéries, onde a saída principal é a energia elétrica alimentada em uma rede de transmissão.

No entanto, abaixo da superfície, eles compartilham uma dependência crítica: painéis de média tensão que funcionam perfeitamente sob condições operacionais que seriam consideradas incomuns há uma década. Ambas as indústrias cresceram a uma velocidade extraordinária. Ambos enfrentam intensa pressão nos cronogramas dos projetos e nos custos de capital. E ambos estão cada vez mais a especificar equipamentos isentos de SF₆ – centros de dados impulsionados por compromissos de sustentabilidade empresarial, projetos de energias renováveis ​​impulsionados pela lógica de que a geração limpa não deve depender de infraestruturas com elevado PAG.

Este artigo examina detalhadamente os requisitos dos painéis de média tensão desses dois setores. O foco está nas demandas técnicas que orientam a seleção de equipamentos, nas configurações que se mostraram eficazes e nos requisitos de documentação e conformidade que as equipes de compras em ambos os setores consideram agora obrigatórias.

Parte Um: Data Centers

A arquitetura elétrica de um data center moderno

Um data center em hiperescala é fundamentalmente uma instalação de conversão elétrica. A energia chega em alta ou média tensão da rede elétrica, passa por vários estágios de transformação e, por fim, chega aos racks de servidores em baixa tensão, com requisitos extraordinários de confiabilidade. O padrão da indústria para tempo de atividade – cinco noves ou 99,999% de disponibilidade – permite pouco mais de cinco minutos de tempo de inatividade por ano, incluindo toda a manutenção planejada.

Aparelhagem de média tensãofica na junção crítica entre o fornecimento da concessionária e a rede de distribuição interna do data center. Em uma arquitetura típica, os alimentadores de serviços públicos de 10 kV a 36 kV entram na subestação local da instalação, onde o painel de distribuição de média tensão fornece proteção ao alimentador de entrada, proteção primária do transformador e comutação de seção de barramento. A jusante, comutadores de média tensão adicionais podem servir grandes plantas de resfriamento, quadros de distribuição de entrada de UPS e comutadores de paralelo de gerador para sistemas de energia de reserva.

O painel nesta arquitetura deve satisfazer vários critérios exigentes simultaneamente. Deve ser compacto o suficiente para caber na área do edifício, que é um imóvel caro. Deve ser suficientemente fiável para que as intervenções de manutenção sejam medidas em horas por década, em vez de horas por ano. E deve ser capaz de se integrar ao sistema de gerenciamento predial e à plataforma de monitoramento de energia do data center, fornecendo dados em tempo real sobre a posição dos interruptores, eventos de proteção e condições do equipamento.

Por que os disjuntores a vácuo são padrão

O disjuntor a vácuo tornou-se a escolha padrão para comutação de média tensão em data centers por motivos técnicos e operacionais.

Tecnicamente, um interruptor a vácuo extingue o arco dentro de um envelope cerâmico selado onde não há nada para queimar, nada para degradar e nada para vazar. A ausência de gás significa a ausência de manutenção relacionada ao gás. Para um operador de data center com instalações que podem funcionar por quinze anos sem uma grande parada, qualquer equipamento que exija atenção periódica é um risco. Um disjuntor a vácuo com mecanismo operacional classe M2 classificado para 10.000 operações mecânicas pode servir durante toda a vida útil da instalação sem uma única intervenção de manutenção no próprio interruptor.

Operacionalmente, os disjuntores a vácuo são adequados ao perfil de carga de um data center. A carga do data center é relativamente estável – os servidores não param e iniciam como os motores industriais – o que significa que a resistência elétrica do disjuntor raramente é testada por interrupções frequentes de falhas. O principal requisito operacional é a comutação confiável durante as transferências planejadas entre as fontes da concessionária e do gerador, o que é mecanicamente exigente, mas eletricamente simples. Um mecanismo de mola de energia armazenada bem projetado pode desempenhar essa função de forma consistente por décadas.

A configuração extraível usada em painéis revestidos de metal, como as séries KYN28 ou KYN61, oferece outra vantagem para data centers: um disjuntor pode ser transferido para a posição de teste ou isolado para inspeção sem desenergizar todo o barramento. Em uma instalação onde os custos de tempo de inatividade podem exceder US$ 100.000 por minuto, esse recurso de manutenção por si só pode justificar a especificação do conjunto de manobra.

A mudança para livre de SF₆ no setor de data center

Os operadores de centros de dados tornaram-se alguns dos defensores mais influentes dos comutadores livres de SF₆ e a sua motivação não é principalmente a conformidade regulamentar. Muitas das maiores operadoras — incluindo os fornecedores de nuvem em hiperescala — assumiram compromissos públicos para alcançar a neutralidade de carbono ou emissões líquidas zero nesta década. O SF₆, com o seu potencial de aquecimento global 24.300 vezes superior ao do CO₂, é uma contradição direta com esses compromissos se estiver presente na infraestrutura elétrica de cada nova instalação.

Um único painel RMU ou GIS de média tensão contendo alguns quilogramas de SF₆ não representa, por si só, uma grande fração da pegada de carbono de um data center. Mas as grandes operadoras constroem dezenas de instalações por ano, cada uma contendo vários painéis de manobra. O estoque cumulativo de SF₆ em um portfólio global pode ser medido em toneladas. As taxas de vazamento são baixas, mas não zero, e a vida atmosférica do SF₆ significa que cada grama emitida permanece na atmosfera por mais de três mil anos.

É por isso que as especificações de licitações para data centers agora incluem rotineiramente "isento de SF₆" como requisito obrigatório paraaparelhagem de média tensão. O requisito está a surgir não apenas nos mercados europeus, onde o Regulamento da UE sobre gases fluorados fornece um quadro jurídico, mas também na América do Norte e na Ásia-Pacífico. Para os fabricantes de painéis de distribuição, o mercado de data centers tornou-se um poderoso impulsionador comercial do desenvolvimento de produtos livres de SF₆ – talvez o mais poderoso fora do setor de serviços públicos.

A COTENELE fornece unidades principais de anel sem SF₆ de 24 kV e painéis de disjuntores a vácuo para projetos de data centers, com isolamento de ar seco e certificação de teste de tipo conforme IEC 62271-200. O tanque de aço inoxidável selado para toda a vida útil elimina o monitoramento de gás, o reabastecimento e a recuperação no final da vida útil dos procedimentos operacionais da instalação. Para um operador de data center, isso significa menos um sistema para monitorar, menos um contrato de manutenção para gerenciar e menos um item para explicar em uma auditoria ESG.

Parte Dois: Projetos de Energia Renovável

Redes Coletoras de Parques Eólicos

Um parque eólico apresenta um ambiente elétrico fundamentalmente diferente de um data center ou de uma planta industrial. Os geradores de turbinas eólicas individuais, normalmente classificados entre 2 MW e 8 MW cada, estão espalhados por uma área geográfica que pode abranger dezenas de quilômetros quadrados. Cada turbina gera em baixa tensão – normalmente 690 V ou 1000 V – e aumenta para média tensão através de um transformador montado na base da torre. Cabos de média tensão, geralmente de 33 kV ou 36 kV, vão de cada turbina até uma subestação coletora central, onde a energia é agregada e intensificada novamente para transmissão.

O painel na subestação coletora deve lidar com uma combinação de funções que nenhuma outra aplicação consegue replicar. Os disjuntores que protegem cada alimentador de coletor passam por operações de comutação frequentes à medida que as turbinas iniciam e param em resposta às condições do vento. A contribuição da corrente de falta das turbinas eólicas baseadas em inversores é fundamentalmente diferente da corrente de falta da máquina síncrona – menor em magnitude, decaimento mais rápido e, às vezes, difícil para os relés de proteção convencionais discriminarem a corrente de carga normal. E a própria subestação geralmente fica em um local remoto onde as visitas de manutenção são caras, dependem do clima e, às vezes, impossíveis durante semanas durante os meses de inverno.

Os disjuntores a vácuo são adequados para esse ambiente. A alta resistência mecânica de um VCB moderno permite comutação frequente sem degradação do contato. O interruptor a vácuo é indiferente à fonte da corrente de falta que deve interromper – seja proveniente de um gerador síncrono ou de um recurso baseado em inversor, a física de extinção do arco é a mesma. E a construção selada para toda a vida útil de um VCB moderno significa que não há nada para um técnico de manutenção inspecionar dentro do interruptor, mesmo que ele possa chegar ao local.

Sistemas solares fotovoltaicos e de armazenamento de energia

As instalações solares fotovoltaicas em grande escala partilham algumas características com os parques eólicos – geração baseada em inversores, dispersão geográfica, comutação frequente à medida que a irradiância muda – mas acrescentam as suas próprias complexidades. As usinas solares normalmente operam em tensão mais baixa do que os parques eólicos: o sistema de coleta de média tensão pode ser de 12 kV ou 24 kV em vez de 33 kV ou 36 kV. O lado CC da planta, desde os módulos, passando pelas caixas combinadoras até a entrada do inversor, opera em tensões de até 1.500 V CC e requer um conjunto completamente separado de equipamentos de proteção e isolamento.

A crescente co-localização de sistemas de armazenamento de energia de baterias com geração solar acrescenta outra camada de requisitos de aparelhagem. Um sistema de armazenamento de energia de bateria pode carregar da rede ou do painel solar e descarregar de volta para a rede conforme necessário, o que significa que o painel de distribuição de média tensão no ponto de interconexão deve lidar com o fluxo de energia bidirecional. As configurações de proteção devem levar em conta a contribuição da corrente de falta dos inversores da bateria, que pode ser substancial e aumentar rapidamente. E o dever de comutação nos disjuntores aumenta ainda mais, com vários ciclos de carga-descarga por dia aumentando a contagem de operações mecânicas.

A camada de conformidade e documentação

Os projectos de energias renováveis, especialmente os desenvolvidos por produtores de energia independentes internacionais ou financiados por bancos multilaterais de desenvolvimento, exigem agora requisitos de documentação que rivalizam com os dos concursos de serviços públicos. Um pacote de manobra de média tensão para um parque eólico ou usina solar normalmente exigirá certificados de teste de tipo IEC para cada disjuntor e RMU, relatórios de testes de rotina da fábrica, uma declaração de conformidade com os regulamentos ambientais aplicáveis ​​e uma lista de referência demonstrando a entrega prévia de equipamentos similares.

A razão é simples: financiamento de projetos. Os credores e investidores que fornecem capital para projetos de energia renovável realizam a devida diligência técnica em todos os principais pacotes de equipamentos. Se o fornecedor do equipamento de manobra não puder fornecer a documentação completa, o projeto poderá enfrentar atrasos no fechamento financeiro. Este é um risco que os desenvolvedores levam muito a sério.

A COTENELE fornece painéis de média tensão para projetos de energia renovável com um pacote completo de documentação incluído como padrão. Certificados de testes de tipo, relatórios de testes de rotina e declarações de conformidade são fornecidos na fase de licitação, e não após o pedido. Para projetos na Europa, isto inclui documentação que demonstra a conformidade com o Regulamento da UE sobre gases fluorados. Para projetos em outras regiões, o pacote é adaptado às necessidades locais.

A sobreposição tecnológica: o que ambos os setores precisam

Apesar das diferenças, os data centers e os projetos de energia renovável convergem para um conjunto comum de requisitos de painéis de distribuição. A identificação desta sobreposição ajuda a explicar por que certas tecnologias e configurações se tornaram dominantes em ambos os mercados.

Pegada compacta. Os data centers valorizam cada metro quadrado de espaço em branco. As subestações coletoras de energia renovável estão frequentemente em terrenos com área disponível limitada. Ambos os setores especificam painéis que minimizam a área física sem comprometer o acesso para manutenção. Esta é uma das razões pelas quais os painéis extraíveis revestidos de metal e as RMUs livres de SF₆ ganharam participação – eles agregam funcionalidades substanciais em um envelope compacto.

Confiabilidade sem manutenção frequente. Os data centers não podem permitir períodos de inatividade. Os parques eólicos não podem permitir-se enviar um técnico para uma subestação remota todos os meses. Disjuntores a vácuo com interruptores selados para toda a vida e RMUs com tanques de gás selados atendem diretamente a esse requisito.

Livre de SF₆ como linha de base. Para data centers, o motivador são os compromissos de sustentabilidade corporativa. Para projectos de energias renováveis, o factor determinante é a incongruência da utilização de um gás com elevado potencial de aquecimento global nas infra-estruturas existentes para produzir energia limpa. Ambos chegam ao mesmo requisito de especificação.

Integração digital. Os data centers foram os primeiros a adotar equipamentos de manobra inteligentes com comunicação IEC 61850, impulsionados pela necessidade de integrar o monitoramento elétrico ao sistema de gerenciamento predial. Os projetos de energias renováveis ​​estão a seguir-se rapidamente, impulsionados pela necessidade de monitorização remota de locais não tripulados. Em ambos os casos, o equipamento de manobra que pode relatar sua própria condição, registrar operações de comutação e fornecer alerta precoce sobre problemas em desenvolvimento reduz o custo e o risco operacional.

Documentação completa. Ambos os setores são dominados por compradores sofisticados – operadores de centros de dados de hiperescala, promotores internacionais de energias renováveis, fundos de infraestruturas – que tratam a documentação como um requisito de proteção. Se a documentação não estiver completa, o equipamento não será considerado. Isto favorece os fabricantes que investiram em testes de tipo de terceiros e que mantêm sistemas de documentação organizados.

Selecionando painéis para estas aplicações: considerações práticas

Para engenheiros de projeto e equipes de compras que trabalham em qualquer setor, diversas considerações práticas devem orientar a seleção do equipamento de manobra.

Comece com a tensão e o nível de falha, mas não pare aí. Tensão nominal e capacidade de interrupção de curto-circuito são os critérios mínimos de entrada. Além deles, avalie a resistência mecânica, os requisitos de manutenção ao longo da vida do projeto e a disponibilidade de suporte de serviço local.

Verifique o teste de tipo para a configuração específica. Um fabricante pode ter testado o tipo de um módulo padrão, mas não a combinação específica de módulos necessária para o seu diagrama unifilar. Confirme se a configuração exata foi testada ou se o fabricante pode fornecer uma justificativa de engenharia para estender a cobertura do teste de tipo.

Pergunte sobre a documentação antes de fazer o pedido. Se um fornecedor não puder fornecer certificados de teste de tipo, modelos de relatórios de testes de rotina e uma declaração de conformidade na fase de licitação, é improvável que os produza imediatamente após o pedido. Atrasos na documentação podem atrasar o financiamento e o comissionamento do projeto, e o momento para descobri-los é antes da adjudicação do contrato.

Considere o custo total do ciclo de vida, não apenas o preço de compra. Para um data center com vida útil projetada de 15 anos, o custo de uma única interrupção não planejada supera qualquer diferença no preço de compra do painel de distribuição. Para um parque eólico com 50 turbinas espalhadas por uma cordilheira, o custo de enviar um técnico para inspecionar um disjuntor supera as economias decorrentes da escolha de um produto com especificações mais baixas. O painel representa uma pequena fração do custo total de capital do projeto, mas uma grande fração do equipamento que pode causar falhas catastróficas. Este não é o lugar para otimizar o preço inicial mais baixo.

Conclusão

Os data centers e os projetos de energia renovável representam dois dos segmentos de crescimento mais rápido do mercado global de painéis de média tensão. São também os segmentos onde a transição para equipamentos sustentáveis, digitalmente integrados e isentos de SF₆ está a avançar mais rapidamente.

As tecnologias de painéis que atendem bem a esses mercados – interrupção a vácuo, ar seco e isolamento sólido, configurações extraíveis com alta resistência mecânica, monitoramento de condição integrado com comunicação IEC 61850 – são as mesmas tecnologias que definirão a indústria mais ampla de painéis de manobra na próxima década. As lições aprendidas em data centers e aplicações de energia renovável estão moldando o desenvolvimento de produtos em todos os segmentos de mercado.

Para a COTENELE, atender esses setores significa fornecer RMUs de 24 kV livres de SF₆ e painéis de disjuntores a vácuo testados, com documentação completa e em produção em série. Significa compreender que uma equipa de aquisição de centros de dados e um promotor de parques eólicos falam línguas técnicas diferentes, mas têm o mesmo requisito subjacente: equipamento que funcione de forma fiável durante décadas, com intervenção mínima e sem qualquer responsabilidade ambiental associada. Nossa linha de produtos e sistemas de documentação são construídos de acordo.

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A COTENELE fornece disjuntores a vácuo de 12 kV a 40,5 kV, unidades principais de anel sem SF₆ e painéis de distribuição revestidos de metal completos para data centers, energia renovável, serviços públicos e aplicações industriais. Todos os produtos são testados de acordo com as normas IEC aplicáveis, com documentação completa fornecida na fase de licitação.

Sobre COTENELE

A COTENELE é um fabricante especializado de painéis de média tensão, incluindo painéis isolados a gás ecológicos livres de SF₆, disjuntores a vácuo, unidades principais de anel e painéis revestidos de metal para aplicações de 12 kV a 40,5 kV. Nossos produtos atendem operadores de data centers, desenvolvedores de energia renovável, serviços públicos e compradores industriais em toda a Europa, Ásia e Oriente Médio. Cada produto é testado de acordo com os padrões IEC aplicáveis, com documentação completa fornecida para envio de propostas e entrega de projetos.