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    • Satisfacemos las demandas de la infraestructura eléctrica en los centros de datos

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

    Objetivos de aprendizaje

    • Entender los requerimientos actuales del centro de datos y su cumplimiento.
    • Conocer los requerimientos para el equipo clave y su instalación.
    • Entender cómo especificar de manera correcta el cableado para distintas tensiones.

    Describir un centro de datos mediante una analogía; éste es una matriz sin vista —para computadoras. Con un diseño enfocado a que el equipo complejo sea cómodo. El centro de datos requiere una infraestructura eléctrica sólida y altamente fiable que sea superior a las de las instalaciones comerciales e industriales de sus pares.

    Estas diferencias de una infraestructura altamente confiable se cierran mediante el cumplimiento de eficiencias operativas únicas, al elegir e instalar de manera correcta el equipo eléctrico, y al especificar el cableado y los métodos de diseño que corresponden, de tal forma que se cumpla con los requerimientos de mantenimiento de dicha actividad.

    El primer paso en este proceso es definir los requerimientos principales/ metas del centro de datos en relación con el sistema eléctrico clave. Estos son comunes para una instalación de alta fiabilidad.

    Los conductos de barras en los centros de datos están compuestos por una gran cantidad uniones, que por lo general, se encuentran cada 10 pies en tramos rectos; lo cual resulta en la fiabilidad del equipo y problemas simultáneos de mantenibilidad. Por ende, un diseño preciso es fundamental. Cortesía: Universal Electric Corp. 1. Los componentes y sistemas redundantes se entienden mediante la representación de una persona que sale de su casa por la mañana con pantalones muy grandes, quien deberá cargar un cinturón y un par de tirantes. Si el cinturón se rompe, los tirantes mantendrán en pantalón arriba y vice versa. De cualquier forma, permance vestido.

    2. Mantenibilidad concurrente es garantizar que cada componente y sistema (de energía y enfriamiento) que alimenta a las computadoras pueda detenerse para realizar su remplazo, reparación o mantenimiento sin tener que apagar las computadoras.

    3. Tolerancia a fallos, diferente a la mantenibilidad concurrente, es la reconfiguración automática de los sistemas, cuando algún componente o sistema se descompone o falla, para que las computadoras no se apaguen. La tolerancia a fallos es un proceso automático, mientras que la mantenibilidad concurrente es un proceso manual. Parte de la tolerancia a fallos es la división en compartimentos, de tal forma que el fuego o la explosión en un área no resulte en pérdida total de energía, enfriamiento, o ambas en las computadoras.

    4. Mediante una planta generadora que se coloca para suministrar energía eléctrica cuando la compañía de servicios no está disponible, se logra el respaldo completo de la energía en espera.

    5. Se logra la coordinación selectiva de la sobrecorriente de los interruptores y/o fusibles para que durante un fallo, únicamente se apague una mínima cantidad del sistema. De manera ideal, el sistema abrirá sólo los interruptores que alimentan a la única pieza del equipo con fallas, y nada más.

    6. Una construcción modular y expandible permite la ampliación futura del centro de datos sin excederse en la construcción de la capacidad desde el primer día. Esto es crucial por dos motivos: Primero. Todos cuidan su bolsillo, si a la larga se requieren 10MW para computadoras pero sólo 5 MW al día, entonces el costo total de propiedad (TCO) puede minimizarse con la construcción de un compartimento modular y expansible de 10MW, de los cuales, sólo se requieren 5MW para la infraestructura interior, el primer día. Segundo. Un centro de datos por módulos y expansible es más fácil de mantener. Los centros de datos con un exceso de capacidad sin utilizar representan un problema de mantenimiento. Es necesario estar atento a la última configuración del servicio y a las fases de expansión para minimizar el riesgo y evitar que las computadoras se apaguen durante dicha actividad.

    7. Los circuitos subterráneos se usan por dos motivos: Los contratistas consideran que su instalación es más económica, además los aseguran de manera física y generan compartimentos para el sistema de cableado del centro de datos. No obstante, es importante señalar que requieren cálculos especiales durante la fase de diseño. Para el diseño de todos los circuitos subterráneos deberán usarse los cálculos Neher-McGrath, que se encuentran en el Código Eléctrico Nacional (NEC) 310.15.C y ANEXO B Por lo general, el resultado de estos cálculos es el número y tamaño de conductores subterráneos que son considerablemente más grandes que los que se requieren en la superficie. Por lo tanto, el ahorro previsto de estos en comparación con el de los circuitos aéreos es, muchas veces, una falsa esperanza.

    8. Énfasis en la eficiencia operativa (gasto operativo reducido, u OPEX) y en minimizar el Costo Total de Propiedad, lo cual puede lograrse mediante la reducción de la eficiencia del consumo energético (PUE).

    Todos estos requisitos/ metas son cruciales ya que, a diferencia de las instalaciones comerciales o industriales típicas, la carga del centro de datos es continua, con temperaturas ambientales elevadas en muchas áreas. Por ejemplo, las secciones traseras de los gabinetes de datos pueden estar a una temperatura de 104 a 113 F, que es en donde se instala el cableado del circuito derivado; mientras que los pasillos calientes pueden alcanzar la misma temperatura de 104 a 113 F, y es donde los cables del circuito derivado se colocan aguas arriba desde los gabinetes. Estas temperaturas elevadas son el resultado de una temperatura mayor del aire de suministro para las computradoras, como una estrategia para reducir la Eficiencia del Consumo Energético. Las salas de equipos eléctricos (con excepción de aquellas que guardan baterías de almacenamiento) pueden operar hasta 104 F para reducir la Eficiencia del Consumo Energético. Las temperaturas extremas de un centro de datos hacen que su diseño de operación a temperaturas altas, así como los requisitos de código sean mucho más críticos que el diseño habitual de una instalación comercial o industrial.

    Operaciones y mantenimiento

    Una alternativa para el conducto de barras es montar grandes cables de alimentación de conductor único en una bandeja porta-cables, los cuales pueden modificarse fácilmente en el campo para ajustarse a las condiciones de éste. Con sólo dos terminaciones (una en cada extremo, con un cable firme entre éstas) y sin uniones, el cable bus resulta más fiable que el conducto de barras. Además de los requerimientos específicos del diseño base, los diseñadores especializados de centros de datos deben considerar también el diseño para el mantenimiento del equipo, ya que un mantenimiento sencillo será clave para cumplir con la continuidad y fiabilidad de las operaciones del centro de datos. Debido a que se requiere un gran mantenimiento para sostener el ambiente crítico, el mantenimiento concurrente, las etiquetas de peligro por relámpagos de arco, así como la reducción del tiempo promedio para reparar (MTTR) son indispensables para mantener las operaciones eléctricas de un centro de datos.

    Diseñar los sistemas eléctricos del centro de datos para lograr un mantenimiento concurrente implica la creación de un mecanismo, en donde cualquier equipo o sistema que alimenta a las computadoras pueda desconectarse para su mantenimiento mientras la carga continúa en operación.

    En algunas ocasiones, el mantenimiento de un equipo se realiza mientras éste está energizado (trabajo en caliente). Aunque el diseño de un centro de datos de alta fiabilidad es de mantenimiento concurrente, algunos operadores optan por el trabajo en caliente para reducir el tiempo de mantenimiento. A pesar de que existe una gran cantidad de procedimientos de seguridad establecidos, la mejor manera para entender los riesgos relacionados con cada equipo del centro de datos es entender sus etiquetas arco eléctrico. Dichas etiquetas reflejan el riesgo de arco eléctrico de todos los equipos y muestran el nivel de equipo de protección personal (PPE), así como distancias necesarias para un mantenimiento seguro. Es importante saber que el mantenimiento de partes pequeñas, en áreas restringidas, no puede realizarse con PPE, nivel 3 y 4 de la Asociación Nacional de Protección contra el Fuego 70 E.

    Minimizar el tiempo de reparación de un equipo eléctrico indispensable para centro de datos, y ponerlo nuevamente en funcionamiento para cumplir con las necesidades de la carga (Tiempo Promedio para Reparar) resulta también importante para calcular con tiempo el mantenimiento del centro de datos y para especificar el equipo. Una especificación correcta puede reducir el Tiempo Promedio para Reparar (MMTR) Por ejemplo, un interruptor BT extraíble de 4000 puede retirarse y reemplazarse en 15 minutos por uno en existencia; mientras que el reemplazo de un interruptor fijo puede tomar una hora o más.

    Selección de equipo eléctrico

    Una vez cumplidos los requisitos de diseño base y de mantenimiento, la elección del equipo eléctrico del centro de datos pasará a primer plano. El uso de interruptores es exclusivo de los centros de datos (con excepción del uso ocasional de fusibles MT con switchgear, fuera de la instalación) por su capacidad de reducción del Tiempo Promedio para Reparación (MTTR) y ayuda en el mantenimiento concurrente, así como por facilitar el logro relativo de la coordinación selectiva de sobre-corriente.

    Los interruptores pueden colocarse de cualquiera de las dos maneras: fijo, el interruptor se atornilla al bus, o bien, extraíble, éste se conecta al bus mediante un mecanismo que facilita girar una manivela o palanca para extraer el interruptor. Cuando el interruptor es extraíble, éste puede reducir el MTTR y ayudar con el mantenimiento concurrente; no obstante, si la aparamenta de fusibles es fija, el tiempo de reemplazo es mayor que el de un interruptor extraíble.

    En los centros de datos es común que se especifique el switchgear UL 1558 en lugar del tablero de distribución UL 891. Se asigna un tablero de distribución para que la corriente de cortocircuito no dure más de tres ciclos, que equivalen a 0.05 seg. o un poco más de 50 miliseg. Por otro lado, se asigna un switchgear para transportar corriente de cortocircuito por 30 ciclos, o 0.5 seg. A pesar de su mayor fuerza y resistencia, este implica un precio más elevado, y frecuentemente requiere mayor espacio. La selección de tableros de distribución o switchgears es fundamental cuando se realiza la coordinación selectiva de sobre-corriente.

    Dos técnicas que se utilizan son la selección de zona para el enclavamiento y estratificación de disparos breves del interruptor. Independientemente de la técnica, el interruptor del switchboard o tablero de distribución que elimina los cortocircuitos puede programarse para esperar por 0.4 seg. antes de desconectarse; a esto se le conoce como retraso breve. Las configuraciones habituales son 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, y 0.5 seg. Se deberá especificar el switchboard UL 1558 en lugar de los tableros de distribución UL 891 si el disparo del interruptor situado aguas abajo es corto y retrasado

    Es posible una reducción en los interruptores si la X/R que se calculó durante un fallo es sorpresivamente elevada. (Ésta es otra forma de confirmar que el factor de potencia calculado en un cortocircuito es sorpresivamente bajo). Se califican interruptores en caja moldeada para varias X/R máximas, dependiendo de su capacidad de interrupción (IR): X/R de 1.73 para una capacidad de interrupción (KAIC) de 10 mil A, X/R de 3.18 para 10 a 20 KAIC, y X/R de 4.9 para más de 20 KAIC. Los interruptores en caja aislada son calificados en 6.59 X/R. El X/R de los interruptores automáticos es 6.59 si carecen de fusibles, y 4.9 si cuentan con uno.

    La reducción puede ser sustancial si un interruptor con fusible de 200 KAIC tiene una X/R de 19.9, entonces la capacidad de interrupción de 200 KAIC deberá disminuir un 17% para tener 166 KAIC.

    Estas situaciones de X/R cuyo valor es alto, típicamente ocurren en los centros de datos cuando la central eléctrica standby se vincula con el servicio para lograr la transferencia cerrada de carga en transición. Esta situación se presenta cuando la corriente de cortocircuito disponible y la relación X/R están al máximo nivel. Es normal que la relación X/R de un generador de reserva sea de 32. De manera ideal, el ingeniero del diseño deberá realizar un análisis del sistema eléctrico para determinar la disponibilidad de la corriente de cortocircuito y relación X/R de cada interruptor, de tal forma que pueda garantizar la interrupción segura de la carga, según su diseño. Así mismo, este análisis deberá incluir la configuración anticipada de la unidad de disparo del interruptor. Si un interruptor forma parte de un esquema selectivo de coordinación de la sobrecorriente, tal como deberían serlo los centros de datos, entonces un interruptor sin disparo instantáneo deberá ser capaz de transportar la corriente de cortocircuito disponible, hasta que finalice su breve disparo y elimine el fallo. Bajo esta situación, el interruptor deberá aplicarse a su capacidad de resistencia, la cual es, por lo general, menor que su capacidad de interrupción. Una vez finalice este análisis,se puede especificar correctamente la capacidad X/R, así como la de interrupción y resistencia, del interruptor que se requiere en esta ubicación. Debido a que la carga del centro de datos es crítica y constante, se asignarán por completo todos los interruptores que suministran una carga crítica, ya que el uso del 80% de interruptores representa un aumento innecesario de los costos del cableado. Por ejemplo, si un centro de datos tiene una carga continua de 400 amp., entonces un interruptor de 500 amp. aplicado al 80% de su capacidad será suficiente. No obstante, un cableado de 500 amp. deberá colocarse corriente abajo del interruptor, cuyo costo es hasta de 25% mayor a lo que se realmente se necesita con un interruptor 100% asignado. Aunque el interruptor tasado a un 100% es más caro, éste reducirá el Costo Total de Propiedad (TCO) y los costos de diseño adicional.

    El diseño habitual de las terminaciones del interruptor y del bus del switchgear tiene como fin permitir que los conductores funcionen a una capacidad de 90 C durante el mantenimiento y condiciones de emergencia. Aunque se asigne un cable de uso comercial para operar a una condición óptima de 75 C, los centros de datos requieren una capacidad mayor de amperios y una temperatura más alta del conductor para suministrar más energía cuando se requiera. En ocasiones, estas necesidades surgen durante una condición de emergencia o mantenimiento.

    Una buena práctica es probar, durante la puesta en funcionamiento, todos los interruptores que transportan una carga crítica (IT, redes, y equipo de enfriamiento continuo) conforme al Estándar de Especificaciones de Aceptación de Pruebas para los Equipos y Sistemas de Energía Eléctrica ANSI/NETA Muchos interruptores fallarán durante el disparo, o se dispararán cuando no deben, si no se prueban, por tal motivo, se mandarán directamente a servicio. No es común encontrar una oportunidad para desconectar el interruptor y realizar la prueba de rendimiento, en particular en una herramienta crítica con carga continua, incluso si los sistemas eléctricos están en mantenimiento Es normal que lo ingenieros observen un índice continuo de pequeños fallos en el interruptor, de un 6% a 15%. Por tal motivo, no hace falta decir que este paso es esencial.

    Tipos de cableado, métodos

    Tanto el diseño base de una infraestructura eléctrica como la elección de equipo se sustentan mediante una especificación adecuada del cableado del centro de datos. A partir del tipo de cableado que se elige hasta sus métodos de instalación, tensión, y soporte, éste representa si lugar a dudas las venas del cuerpo del centro de datos.

    El cobre, por su facilidad de uso, bajos riesgos históricos, y capacidad de uso en lugares reducidos, es el material conductor de preferencia. Una vez dicho esto, los conductores de aluminio pueden utilizarse para alimentadores grandes cuando la reducción del primer costo sea necesaria, aunque estos son más complejos para la suspensión de los interruptores o un bus, debido a que la contracción y expansión del aluminio es mayor a la del cobre cuando la carga cambia. Los conductores de aluminio más grandes frecuentemente requieren un mayor espacio en el switchboard, tablero de distribución y panel. Así mismo, las conexiones de aluminio requieren más pruebas y mantenimiento. Una buena práctica para los conductores de aluminio es realizar cada año un escaneo térmico de las juntas y terminaciones durante condiciones óptimas de carga. El ajuste de juntas o conexiones de calidad inferior se realiza cuando se minimiza el riesgo de una interrupción de carga crítica.

    Las bandejas portacables, que normalmente se colocan por encima, se asemejan a una escalera que cuelga del techo y se usan en el diseño eléctrico de un centro de datos ’ para que su instalación sea fiable, flexible y de bajo costo. A diferencia de los conductos de barras, las bandejas de cables pueden modificarse fácilmente en el sitio

    En los centros de datos se usa una variedad de métodos de cableado. Los centros de datos se componen principalmente por conductores subterráneos y aéreos en ductos y conductos, aunque también se emplean conductos de barras, bandejas portacables, y buses.

    Los contratistas eléctricos prefieren conductores subterráneos ya que consideran que los costos de instalación serán menores al evitar el uso de cables de 5 pies de extremo a extremo y al eliminar el gasto por su colocación aérea. Consideran que es el mismo número y tamaño de conductores el que se instala bajo tierra y en superficie. Un diseño adecuado que se rige por los cálculos Meher-McGrath requiere con frecuencia la instalación de un mayor número y tamaño de conductores subterráneos que aéreos, para reducir o eliminar esta ventaja que se percibe. Los conductores subterráneos deben ser más grandes para contrarrestar el aislamiento adicional que proporciona de manera natural la tierra. Cabe mencionar que con conductores aéreos es más fácil eliminar el calor generado de forma natural.

    Aunado a esto, con la construcción de un centro de datos escalable y modular puede lograrse la instalación correcta de ductos subterráneos para equipos futuros, ya que no existe ninguna forma 100% exacta para saber de dónde surgirán los ductos para una próxima construcción.

    Poner atención en el orden correcto de aquellos conductores bajo temperaturas ambientales altas, en estantes de computadoras, pasillos calientes de salas de datos y salas de equipo eléctrico. La Tabla 310.15 (B)(16) de la NEC establece que la temperatura ambiente es de 86 F. No obstante, cuando la temperatura ambiente es mayor a 86 F, el conductor no transporta de manera continua la corriente de carga por estar a 86 F, por lo que su temperatura ambiental deberá disminuir a la real.

    A pesar de que los conductos de barras se ocupan de vez en cuando en la infraestructura eléctrica del centro de datos, estos enfrentan problemas de fiabilidad y mantenimiento debido a la cantidad elevada de juntas que se encuentran dentro de estos. Las juntas de los conductos de barras se ubican cada 10 pies en tramos rectos, así que por cada 100 pies, se puede encontrar aproximadamente 11 juntas (recuerde que los racores, codos, etc. incrementan el número de juntas). Esto puede causar que los conductos de barras sean más susceptibles a fallos y el mantenimiento más complejo. Además, los conductos de barras son productos ensamblados en fábrica para ajustarse a las mediciones en campo. Si alguna de las mediciones es incorrecta o algún componente del conducto de barras no encaja, éste no podrá modificarse en sitio. Por lo que deberá pedirse una pieza nueva a la fábrica, lo que a menudo implica un tiempo de espera considerable.

    Las bandejas portacables, que normalmente se colocan por encima, se asemejan a una escalera que cuelga del techo y se usan en el diseño eléctrico de un centro de datos para que su instalación sea fiable, flexible y de bajo costo. Los cables de uno y múltiples conductores pueden colocarse en la bandeja portacables; y a menudo se detalla que los cables blindados proporcionan una mayor tolerancia a fallos. La bandeja portacables puede modificarse fácilmente en el sitio para cumplir con las condiciones; por lo tanto, una medición precisa no es tan crítica como lo es para un conducto de barras. Es importante tener en cuenta que todos los cables en la bandeja pueden perderse si sólo uno presenta un fallo o se quema, a menos que todos los cables estén blindados. Otro punto fundamental es que el apilar bandejas portacables una sobre la otra puede provocar fallos en cascada. Si uno de los cables cae en la bandeja inferior, éste puede causar un incendio que queme todos los cables tendidos ahí, así como los de las bandejas de arriba.

    El bus, que cuenta con muchas ventajas, es una alternativa para el conducto de barras. Su composición es como la de una bandeja portacables con cables eléctricos de un sólo conductor tendidos en su interior, y separadores entre estos; y puede modificarse fácilmente en sitio para ajustarse a las condiciones requeridas A diferencia de los conductos de barras, los buses tienen por lo general dos terminaciones (una en cada extremo, con cable reforzado entre estos), y no tienen uniones, lo cual los hace más fiables. Un número menor de terminaciones y juntas también reduce el mantenimiento.

    Tensión e instalación

    El cobre, por su facilidad de uso, riesgos históricos bajos, y capacidad de uso en lugares reducidos, es el material conductor de preferencia. En la parte superior, se utiliza el cable BT en los centros de datos con un rango de 0 a 2000 V; mientras que en la parte inferior, se usa el cable MT para más de 2000 V.En los centros de datos actuales se usan BT y MT La selección de la tensión adecuada no es parte del alcance de este artículo. La selección de los tipos de aislamiento adecuado es fundamental para ofrecer la fiabilidad deseada. El aislamiento BT (600 V o menos) de los conductores se mide usualmente a 94 F con el aislamiento del cable aéreo recubierto con naylon termoplástico de alta resistencia (THHN) de NEC, en lugares secos; y un cable de caucho a prueba de agua de alta resistencia de NEC (RHHW-2) o XLP-2 (polietileno reticulado) en sitios mojados, húmedos o subterráneos. Los cables MT (1000 V o más) están generalmente protegidos con un aislante de 194 F o 221 F de caucho etileno propileno (EPR) o XLP, y con niveles de aislamiento seleccionados del 100%, 133% o 173%, con base en la puesta a tierra neutral del sistema.

    Si el neutral del sistema tiene una base firme, entonces es normal que se especifique un nivel de aislamiento del 100% Si el neutral del sistema tiene una base de impedancia y se le permite operar en una fase de una hora, entonces se especifica el nivel de aislamiento al 133%. Si el neutral del sistema tiene una base de impedancia y se le permite operar en una fase de una hora, entonces se especifica el nivel de aislamiento al 173%. (Una AT es de 69 000 V o más, la cual no se usa por lo regular dentro de centros de datos pero cuenta con un diseño de instalación externa en los equipos.

    Los centros de datos requieren una infraestructura eléctrica altamente solida y fiable, que supere en gran medida la de las instalaciones comerciales e industriales. Además, las temperaturas altas están presentes en mucha áreas, ya que los operadores intentan incrementar la PUE y la eficiencia operativa. Para el cumplimiento de estas eficiencias operativas se requiere una especificación correcta del equipo y el cableado, así como la implementación de los métodos de diseño con tensiones y sistemas adecuados. Se requiere un esfuerzo coordinado para garantizar la duración de la construcción de la infraestructura eléctrica del centro de datos.


    Christopher M. Johnston es Vicepresidente Senior e ingeniero jefe del equipo de instalaciones críticas del Grupo Syska Hennessy. Johnston se especializa en la planeación, diseño, construcción, pruebas e funcionamiento de las instalaciones críticas diarias de la misión; además encamina los esfuerzos de investigación y desarrollo del equipo para tratar los problemas técnicos actuales e inminentes en las instalaciones críticas y extremadamente críticas. Con más de 40 años de experiencia en ingeniería, ha fungido como Responsable de Aseguramiento de Calidad e ingeniero supervisor en muchos proyectos.

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