• Soddisfare i requisiti delle infrastrutture elettriche nei Data Center

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

Obiettivi di apprendimento

  • Comprendere i requisiti dei Data Center moderni e come soddisfarli.
  • Conoscere i requisiti delle apparecchiature chiave e della loro installazione.
  • Comprendere come specificare correttamente i cablaggi per diverse tensioni.

Un Data Center può essere descritto utilizzando un'analogia: un Data Center è un utero senza vista, ma per computer. Progettato per accogliere comodamente apparecchiature complesse, il Data Center richiede un'infrastruttura elettrica robusta e altamente affidabile con requisiti di gran lunga superiori a quelli di strutture commerciali e industriali simili.

Queste differenze di infrastrutture ad elevata affidabilità sono ottenute rispondendo a specifiche esigenze in termini di efficienza operativa, selezionando e installando correttamente le apparecchiature elettriche e specificando cablaggi e metodi di progettazione corretti con tensioni appropriate, pur nel contempo soddisfacendo i requisiti di manutenzione programmata.

La prima fase in questo processo consiste nel definire i requisiti fondamentali dell'impianto elettrico e gli obiettivi del Data Center. I seguenti requisiti sono tipici per un’installazione di elevata affidabilità:

Le blindosbarre dei Data Center presentano molte giunture, in genere ogni 3 m nei segmenti rettilinei, e questo comporta problemi di affidabilità delle apparecchiature e di possibilità di manutenzione concomitante. Pertanto una progettazione precisa è fondamentale. Fonte: Universal Electric Corp.1. I componenti e gli impianti ridondanti equivalgono a una persona che esce di casa al mattino con pantaloni troppo grandi e che quindi indossa una cintura e un paio di bretelle. Se la cintura dovesse rompersi, saranno le bretelle a tenere in posizione i pantaloni e viceversa. In ogni caso, questa persona non ha di che preoccuparsi.

2. Possibilità di manutenzione concomitante significa assicurare che ciascun componente e impianto (sia di alimentazione che di raffreddamento) asservito ai computer possa essere rimosso dal servizio per la sostituzione, riparazione o manutenzione senza dover spegnere i computer.

3. La tolleranza ai guasti, che è differente dalla possibilità di manutenzione concomitante, significa che quando un componente o impianto si rompe o si guasta, gli impianti si riconfigurano automaticamente in modo che i computer non si spengano. La tolleranza ai guasti è un processo automatico; la possibilità di manutenzione concomitante è un processo manuale. Parte della tolleranza ai guasti è la compartimentazione in modo che un incendio o un’esplosione in un'area non comportino una perdita totale di alimentazione, di raffreddamento, o entrambi, verso i computer.

4. Un'alimentazione di emergenza viene garantita da un generatore impostato per fornire corrente quando l'alimentazione di rete non è disponibile.

5. Il coordinamento selettivo delle sovracorrenti degli interruttori e/o dei fusibili viene ottenuto in modo che, durante un guasto, venga spenta solo una minima parte dell'impianto. Idealmente, l'impianto aprirà solo gli interruttori che alimentano il singolo apparecchio guasto e nient'altro a monte di esso.

6. La costruzione scalabile e modulare consente al Data Center di espandersi in futuro senza creare una capacità in eccesso fin dall'inizio. Questo è cruciale per due motivi: per prima cosa, si presta sempre attenzione al proprio budget, pertanto se in futuro saranno necessari 10 MW di computer ma al momento ne sono necessari solo 5, il costo totale di proprietà (TCO) può essere ridotto al minimo realizzando una struttura scalabile e modulare per 10 MW, ma un'infrastruttura interna ridotta a soli 5 MW per cominciare. Secondariamente, la manutenzione di un Data Center scalabile e modulare è più semplice. I Data Center con un'eccessiva capacità inutilizzata rappresentano un vero problema in termini di manutenzione. Un'attenta valutazione della configurazione definitiva dell'impianto e delle fasi di espansione è necessaria per ridurre al minimo i rischi ed eliminare la necessità di spegnere le apparecchiature informatiche durante l'espansione.

7. Nei Data Center i circuiti sotterranei vengono utilizzati per due motivi: le aziende ritengono che siano meno costosi da installare e che forniscano una sicurezza fisica e una compartimentazione per gli impianti di cablaggio del Data Center. Tuttavia è importante notare che richiedono calcoli speciali nella fase di progettazione. I calcoli Neher-McGrath riportati nel National Electrical Code (NEC) 310.15.C e nell'ANNEX B devono essere utilizzati per progettare tutti i circuiti sotterranei. Tali calcoli spesso portano a richiedere una quantità e una dimensione dei conduttori sotterranei notevolmente maggiore di quanto sarebbe necessario con impianti aerei. Pertanto i risparmi attesi rispetto ai circuiti aerei spesso risultano essere una falsa speranza.

8. L'enfasi sull'efficienza operativa (spese di esercizio ridotte) e sulla riduzione al minimo del TCO può essere soddisfatta riducendo l'efficienza energetica (PUE).

Ciascuno di questi requisiti/obiettivi è cruciale, perché a differenza del tipico stabilimento commerciale o industriale, il carico del Data Center è continuo, con temperature ambiente più elevate in molte aree. Ad esempio, le sezioni posteriori dei cabinet dati possono raggiungere i 40-45 °C dove sono installati i cavi dei circuiti derivati, mentre i corridoi caldi possono raggiungere le stesse temperature quando i cablaggi dei circuiti derivati sono stesi a monte dei cabinet. Tali temperature elevate sono causate da una temperatura dell'aria di mandata maggiore verso le apparecchiature informatiche, utilizzata come strategia di riduzione della PUE. Le stanze con apparecchiature elettriche (ad eccezione di quelle contenenti accumulatori) possono funzionare fino a 40 °C per ridurre la PUE. Le temperature estreme di un Data Center ne rendono la progettazione per temperature di esercizio elevate oltre che per i requisiti normativi molto più critica rispetto alla progettazione di un tipico stabilimento commerciale o industriale.

Uso e manutenzione

In alternativa alle blindosbarre, il cavo può essere assemblato in una passerella portacavi con grandi cavi di alimentazione a conduttore singolo al suo interno e può essere facilmente modificato sul campo per adattarsi alle specifiche condizioni. Con solo due terminazioni (una a ciascuna estremità, con un cavo solidoOltre agli specifici requisiti di progettazione fondamentali, i progettisti di Data Center più abili devono anche prendere in considerazione la manutenzione delle apparecchiature durante la progettazione, poiché la facilità di manutenzione sarà cruciale per garantire il funzionamento continuo e affidabile del Data Center. Poiché per sostenere l'ambiente critico è richiesta molta manutenzione, la possibilità di manutenzione concomitante, la segnalazione del pericolo di archi elettrici e la riduzione del tempo medio di riparazione (MTTR) giocano un ruolo critico nella manutenzione delle operazioni elettriche del Data Center.

Progettare gli impianti elettrici di un Data Center per consentire la manutenzione concomitante significa creare una disposizione in cui ciascun apparecchio o impianto che alimenti i computer possa essere rimosso dalla linea a fini di manutenzione mentre il carico continua ad operare.

Occasionalmente la manutenzione viene eseguita su un apparecchio mentre è sotto tensione (lavoro a caldo). Sebbene un Data Center dall'elevata affidabilità sia progettato per rendere possibile la manutenzione concomitante, alcuni operatori scelgono il lavoro a caldo per ridurre i tempi di manutenzione. Sebbene esistano molte procedure di sicurezza per questo tipo di manutenzione, il modo migliore per comprendere i rischi associati a ciascun apparecchio del Data Center è comprendere la sua etichettatura relativa al pericolo di archi elettrici. Tale etichettatura rispecchia il pericolo di archi elettrici calcolato per ciascun apparecchio e identifica il livello di dispositivi di protezione individuale (DPI) e le distanze necessari per una manutenzione sicura. È importante comprendere che alcuni interventi di manutenzione su piccoli componenti in spazi ristretti non possono essere eseguiti con DPI di livello 3 e 4 ai sensi dello standard NFPA 70E.

La riduzione al minimo del tempo necessario per la riparazione di un apparecchio elettrico del Data Center è cruciale, e anche riportarlo in servizio per soddisfare le necessità del carico (MTTR) è un altro fattore importante nel calcolo preventivo della manutenzione del Data Center e nelle specifiche delle apparecchiature. Specifiche appropriate possono ridurre l'MTTR. Ad esempio, un interruttore estraibile a bassa tensione da 4000 A può essere estratto e sostituito con uno di scorta in 15 minuti, mentre un interruttore simile a montaggio fisso può richiedere un'ora o più per la sua sostituzione.

Selezione delle apparecchiature elettriche

Una volta soddisfatti i requisiti di progettazione di manutenzione e di base, la selezione delle apparecchiature elettriche del Data Center assume la principale importanza. Nei Data Center sono utilizzati esclusivamente gli interruttori (tranne che per l'utilizzo occasionale di fusibili di media tensione con quadri di distribuzione di rete all'esterno degli edifici) per la loro capacità di ridurre l'MTTR e di facilitare la possibilità di manutenzione concomitante e la relativa facilità di ottenere il coordinamento selettivo delle sovracorrenti.

Gli interruttori possono essere montati in due modi: fissi, in cui l'interruttore è imbullonato al bus, oppure estraibili, in cui è collegato al bus tramite un meccanismo a leva che facilita l'estrazione dell'interruttore tramite una manovella o una leva. Se montati in modo estraibile, gli interruttori possono effettivamente ridurre l'MTTR e facilitare la possibilità di manutenzione concomitante, mentre tutti i quadri di distribuzione con fusibili sono stazionari e pertanto richiedono un tempo maggiore per la sostituzione rispetto agli interruttori estraibili.

Spesso nei Data Center vengono specificati dispositivi di commutazione UL 1558 invece di quadri elettrici UL 891. Un quadro elettrico ha un valore nominale della corrente di guasto che non dura più di tre cicli, equivalente a 0,05 secondi o poco più di 50 ms. I dispositivi di commutazione, al contrario, hanno un valore nominale di trasporto della corrente di guasto di 30 cicli o 0,5 secondi. Sebbene siano più resistenti e robusti, hanno un prezzo molto più elevato e spesso requisiti di spazio maggiori. La selezione di quadri di distribuzione o elettrici diviene critica quando si esegue il coordinamento selettivo delle sovracorrenti.

Due delle tecniche impiegate sono l’interblocco selettivo di zona e la stratificazione degli sganci dell'interruttore a breve termine. A prescindere dalla tecnica utilizzata, l'interruttore del quadro elettrico o di distribuzione che elimina il guasto può essere programmato per un'attesa fino a 0,4 secondi prima dello sgancio; questo viene chiamato ritardo a breve termine. Alcune impostazioni comuni sono 0,1, 0,2, 0,3, 0,4 e 0,5 secondi; i quadri di distribuzione UL 1558 devono essere specificati al posto dei quadri elettrici UL 891 se l'interruttore a monte presenta uno sgancio di breve termine ma nessuno sgancio istantaneo.

Gli interruttori possono dover essere declassati se il valore X/R calcolato in un guasto è insolitamente elevato (questo è un altro modo per dire che il fattore di potenza calcolato in un guasto è insolitamente basso). Gli interruttori scatolati hanno valori nominali per diversi X/R massimi, a seconda del loro valore nominale di interruzione (IR): 1,73 X/R per una capacità di interruzione di 10.000 ampere (KAIC) IR, 3,18 X/R per KAIC da 10 a 20, e 4,9 X/R per un valore KAIC maggiore di 20. Gli interruttori con case isolato hanno valori nominali di 6,59 X/R. Gli interruttori di potenza hanno valori nominali di 6,59 X/R se sprovvisti di fusibili, ma solo di 4,9 X/R se provvisti di fusibili.

Il declassamento può essere notevole: se viene utilizzato un interruttore di potenza con fusibile con valore nominale di 200 KAIC quando il valore X/R è 19,9, il valore nominale di interruzione di 200 KAIC deve essere declassato del 17%, a 166 KAIC.

Queste situazioni di X/R elevato in genere si verificano nei Data Center quando l'impianto di alimentazione di emergenza è in parallelo con la rete per un trasferimento del carico di transizione chiuso. Si tratta di una situazione in cui la corrente di guasto disponibile e il valore X/R sono al massimo; non è insolito che un generatore di emergenza abbia un X/R pari a 32. Idealmente il progettista dovrebbe eseguire un'analisi dell'impianto elettrico per determinare quanto siano disponibili a ciascun interruttore la corrente di guasto e il valore X/R massimi, per assicurare che l'interruttore possa interrompere in sicurezza il carico come progettato. Questa analisi deve anche includere una considerazione delle impostazioni delle unità di sgancio previste dell'interruttore. Se un interruttore fa parte di uno schema di coordinamento selettivo delle sovracorrenti, come dovrebbe essere nel caso dei Data Center, un interruttore sprovvisto di sgancio istantaneo deve essere in grado di trasportare la corrente di guasto disponibile fino a quando il suo sgancio di breve termine si esaurisce ed elimina il guasto. In tale situazione, l'interruttore deve essere impiegato al suo valore nominale di tenuta, che in genere è inferiore rispetto al valore nominale di interruzione. Una volta completata questa analisi, il valore X/R e pertanto i valori nominali di interruzione e resistenza dell'interruttore necessari in questa posizione possono essere specificati correttamente. Poiché il carico dei Data Center è sia critico che costante, tutti gli interruttori che alimentano un carico critico devono avere valori nominali del 100% poiché l’utilizzo di interruttori con valore nominale dell’80% aumenta inutilmente i costi di cablaggio. Ad esempio, se il Data Center presenta un carico continuo di 400 A, un interruttore da 500 A utilizzato a una capacità dell'80% sarebbe sufficiente; tuttavia in questo caso sarà necessario fornire un cablaggio da 500 A a valle dell’interruttore, con un costo fino al 25% maggiore di quanto sia effettivamente necessario con un interruttore con capacità del 100%. Sebbene sia più costoso, l'interruttore con capacità del 100% riduce il TCO e i costi di eccessiva progettazione.

Le terminazioni di interruttori e bus dei quadri di distribuzione sono progettate di norma per permettere ai conduttori di funzionare con una temperatura nominale di 90 °C in condizioni di manutenzione e di emergenza. Sebbene un segmento di cavo per utilizzi commerciali possa avere un valore nominale tale da consentirgli di funzionare a una condizione di picco di 75 °C, i Data Center richiedono un valore nominale di amperaggio e una temperatura dei conduttori maggiori per erogare più potenza quando necessario. Spesso queste esigenze si verificano in condizioni di emergenza o manutenzione.

La best practice è che tutti gli interruttori che sopportano un carico critico (infrastruttura informatica, rete ed apparecchiature di raffreddamento continuo) siano omologati ai sensi della norma ANSI/NETA per le specifiche di omologazione per le apparecchiature e gli impianti di alimentazione elettrica durante la messa in servizio. Molti interruttori non sganciano oppure sganciano quando non dovrebbero se non vengono collaudati ma posti direttamente in servizio. Sono rare le opportunità in cui è possibile portare offline l'interruttore per la verifica delle prestazioni, specialmente in uno stabilimento critico con un carico continuo, anche se gli impianti elettrici possono essere sottoposti a manutenzione concomitante. Non è insolito che gli ingegneri rilevino un tasso di guasto degli interruttori piccoli uniforme pari al 6-15%. Pertanto è scontato che questa fase risulti cruciale.

Tipi e metodi di cablaggio

La selezione delle apparecchiature e la progettazione dell'infrastruttura elettrica di base sono supportate dalle specifiche appropriate dei cablaggi del Data Center. Dal tipo di cablaggio scelto ai suoi metodi di installazione, dalle tensioni al supporto, il cablaggio rappresenta letteralmente l'apparato venoso del corpo del Data Center.

Il rame è il materiale conduttore preferito per la sua facilità di utilizzo e il suo ridotto rischio storico oltre che per la possibilità di funzionare in spazi ristretti. Detto questo, i conduttori in alluminio possono essere utilizzati per grandi alimentatori quando è necessaria una riduzione dei costi iniziali, anche se i cavi in alluminio sono più difficili da terminare negli interruttori o in un bus, perché l'alluminio si espande e si contrae maggiormente rispetto al rame al variare del carico. I conduttori in alluminio di maggiori dimensioni spesso richiedono più spazio all’interno di quadri elettrici e di distribuzione e pannelli elettrici. I collegamenti in alluminio inoltre richiedono maggiori test e maggiore manutenzione. Una best practice per i conduttori in alluminio è la scansione termica annuale dei giunti e delle terminazioni in condizioni di carico di picco. Il serraggio dei giunti e dei collegamenti che non soddisfano gli standard viene quindi eseguito normalmente in un momento in cui il rischio di un carico critico fuori servizio sia ridotto al minimo.

Le passerelle portacavi, in genere utilizzate sul soffitto, assomigliano a una scala sospesa dal soffitto e sono utilizzate nella progettazione elettrica dei Data Center grazie alla loro installazione affidabile, flessibile e dai costi ridotti. A differenza delle blindosbarre, la passerella portacavi può essere facilmente modificata sul campo.

Nei Data Center vengono utilizzati diversi metodi di cablaggio. I Data Center sono principalmente allestiti con conduttori a installazione aerea e sotterranea in condotte e canaline, ma sono impiegate anche passerelle portacavi, blindosbarre e bus cavi.

Spesso le aziende elettriche preferiscono utilizzare conduttori sotterranei poiché i costi d'installazione sono ridotti, risparmiando automaticamente 1,5 m di cavo a entrambe le estremità ed eliminando i costi necessari per la sospensione dei componenti. Questo presume l'installazione della stessa quantità e dimensione di conduttori sia in forma sotterranea che ad installazione aerea. Una progettazione corretta che utilizzi i calcoli Neher-McGrath spesso richiede una quantità maggiore e dimensioni superiori dei conduttori per l'installazione sotterranea rispetto all'installazione aerea, riducendo o eliminando pertanto questo presunto vantaggio. Le condotte sotterranee devono avere dimensioni maggiori per contrastare l'isolamento aggiuntivo fornito naturalmente dal terreno. Con i conduttori aerei tuttavia è più facile eliminare il calore generato naturalmente.

Inoltre una costruzione del Data Center modulare e scalabile può rendere difficile l'installazione corretta delle canaline sotterranee per apparecchiature future, poiché non esiste un metodo preciso al 100% per sapere dove dovrebbero emergere le canaline per future espansioni.

È necessario prestare attenzione a dimensionare i conduttori in modo corretto per le temperature ambiente elevate nei rack delle apparecchiature computerizzate, nei corridoi caldi delle sale dati e nei vani contenenti apparecchiature elettriche. La tabella NEC 310.15(B)(16) presuppone che la temperatura ambiente sia 30 °C. Tuttavia quando la temperatura ambiente è maggiore di 30 °C, il conduttore non è in grado di condurre continuamente la corrente di carico corrispondente al suo valore nominale a 30 °C, e deve essere declassato in base alla temperatura ambiente effettiva.

Sebbene talvolta siano utilizzate nell'infrastruttura elettrica dei Data Center, le blindosbarre presentano problemi sia di affidabilità che di manutenzione a causa della presenza di più giunti. In genere i giunti delle blindosbarre si trovano ogni 3 m in segmenti rettilinei, pertanto per ogni 30 m di segmento rettilineo si possono trovare fino a 11 giunti (va ricordato anche che attacchi, gomiti e così via implicano ulteriori giunti). Questo può rendere le blindosbarre più suscettibili ai guasti e la manutenzione più difficile. Inoltre le blindosbarre sono prodotti assemblati in fabbrica in base alle misurazioni sul campo. Se una delle misure è errata o se una parte della blindosbarra è troppo grande o troppo piccola, non può essere modificata sul campo. È necessario ordinare un nuovo pezzo dalla fabbrica, spesso con una considerevole attesa.

Le passerelle portacavi, in genere utilizzate sul soffitto, assomigliano a una scala sospesa dal soffitto e sono utilizzate nella progettazione elettrica dei Data Center grazie alla loro installazione affidabile, flessibile e dai costi ridotti. I cavi con conduttore singolo o con più conduttori possono essere installati nella passerella portacavi e sono specificati cavi armati per fornire una maggiore tolleranza ai guasti. Una passerella portacavi può essere facilmente modificata sul campo per adattarsi alle specifiche condizioni, pertanto le misurazioni precise non sono altrettanto critiche quanto lo sono per le blindosbarre. È importante rendersi conto che ogni cavo in una passerella portacavi può andare perduto se anche uno solo di essi dovesse guastarsi e bruciarsi, a meno che tutti i cavi siano armati. Un altro punto vitale è che l’impilamento delle passerelle portacavi una sopra l'altra può causare guasti a catena. Se si dovesse guastare un cavo nella passerella portacavi inferiore, questo potrebbe causare un incendio che brucerebbe ogni cavo presente in quella passerella portacavi oltre che nelle passerelle portacavi sopra di essa.

Il bus cavi è un'alternativa alle blindosbarre che presenta molti vantaggi. Assemblato come una passerella portacavi con grandi cavi di alimentazione a conduttore singolo al suo interno e con distanziatori fra i cavi, può essere facilmente modificato sul campo per adattarsi alle specifiche condizioni. A differenza delle blindosbarre, i bus cavi in genere hanno solo due terminazioni (una a ciascuna estremità, con un cavo solido fra di essi) e sono privi di giunture e quindi più affidabili. Il numero ridotto di terminazioni e giunti inoltre riduce la manutenzione.

Tensione e installazione

Il rame è il materiale conduttore preferito per i cavi dei Data Center per la sua facilità di utilizzo e il suo ridotto rischio storico oltre che per la possibilità di funzionare in spazi ristretti. Nella parte superiore viene utilizzato un cavo di bassa tensione in una gamma da 0 a 2000 V. Nella parte inferiore viene utilizzatoNei Data Center moderni vengono utilizzate sia basse che medie tensioni. La corretta selezione delle tensioni esula dallo scopo di questo articolo. La selezione dei tipi di isolamento appropriati è essenziale per garantire l'affidabilità desiderata. Un isolamento di bassa tensione (600 V o meno) sui conduttori in genere ha un valore nominale pari a 34 °C: in posizioni asciutte e installazioni aeree viene utilizzato un isolamento del filo rivestito in nylon termoplastico resistente al calore elevato di tipo NEC (THHN), mentre in posizioni sotterranee, umide o bagnate viene utilizzato un rivestimento impermeabile in gomma resistente al calore elevato di tipo NEC (RHHW-2) o XLP-2 (polietilene reticolato). I cavi di media tensione (1.000 V o più) in genere sono schermati con isolamento in gomma propilene etilene (EPR) o XLP e valore nominale di 90 °C o 105 °C, e con selezione di livelli di isolamento del 100%, 133% o 173%, a seconda della messa a terra del neutro dell'impianto.

Se il neutro dell'impianto è messo a terra in solido, in genere viene specificato un livello di isolamento del 100%. Se il neutro dell'impianto è messo a terra a impedenza, e gli viene consentito di funzionare fino a un’ora con una fase messa a terra, in genere viene specificato un livello di isolamento del 133%. Se il neutro dell'impianto è messo a terra a impedenza, e gli viene consentito di funzionare per più di un’ora con una fase messa a terra, in genere viene specificato un livello di isolamento del 173%. (L'alta tensione è 69.000 V o maggiore e in genere non è utilizzata nei Data Center ed è normalmente progettata per installazioni in esterni per stazioni elettriche).

I Data Center richiedono un'infrastruttura elettrica robusta e altamente affidabile con requisiti di gran lunga superiori rispetto a quelli di strutture commerciali e industriali simili. Inoltre in molte aree si trovano temperature elevate poiché gli operatori cercano di aumentare la PUE e l'efficienza operativa. Il soddisfacimento di questi requisiti di efficienza operativa richiede una corretta specifica delle apparecchiature e del cablaggio e l'implementazione di metodi di progettazione con tensioni e impianti appropriati. Per assicurare che l'infrastruttura elettrica del Data Center sia costruita per la lunga durata è necessario uno sforzo coordinato.


Christopher M. Johnston è vicepresidente senior e ingegnere capo del team delle strutture critiche di Syska Hennessy Group. Johnston è specializzato nella pianificazione, progettazione, costruzione, collaudo e messa in servizio di strutture mission-critical 7x24 e dirige un team di ricerca e sviluppo per affrontare problemi tecnici attuali e futuri di ambienti critici e super critici. Con oltre quarant'anni di esperienza ingegneristica, ha rivestito il ruolo di funzionario del controllo qualità e ingegnere capo in molti progetti.

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