Aplicaciones de aparamenta de media tensión en centros de datos y proyectos de energía renovable

Dos industrias, una dependencia común

Los centros de datos y los proyectos de energía renovable parecen tener poco en común. Uno es un edificio climatizado lleno de racks de servidores, donde el principal resultado es la información digital. La otra es una extensa instalación al aire libre expuesta a la intemperie, donde la salida principal es energía eléctrica alimentada a una red de transmisión.

Sin embargo, debajo de la superficie comparten una dependencia crítica: aparamenta de media tensión que funciona perfectamente en condiciones operativas que se habrían considerado inusuales hace una década. Ambas industrias han crecido a una velocidad extraordinaria. Ambos enfrentan una intensa presión sobre los cronogramas de los proyectos y los costos de capital. Y ambos están especificando cada vez más equipos libres de SF₆: centros de datos impulsados ​​por compromisos corporativos de sostenibilidad, proyectos de energía renovable impulsados ​​por la lógica de que la generación limpia no debería depender de una infraestructura de alto PCA.

Este artículo examina en detalle los requisitos de aparamenta de media tensión de estos dos sectores. La atención se centra en las demandas técnicas que impulsan la selección de equipos, las configuraciones que han demostrado ser efectivas y los requisitos de documentación y cumplimiento que los equipos de adquisiciones de ambas industrias ahora consideran obligatorios.

Primera parte: centros de datos

La arquitectura eléctrica de un centro de datos moderno

Un centro de datos a hiperescala es fundamentalmente una instalación de conversión eléctrica. La energía llega a alto o medio voltaje desde la red pública, desciende a través de múltiples etapas de transformación y, finalmente, llega a los racks de servidores a bajo voltaje con requisitos de confiabilidad extraordinarios. El estándar de la industria para el tiempo de actividad (cinco nueves o 99,999 % de disponibilidad) permite poco más de cinco minutos de tiempo de inactividad por año, incluido todo el mantenimiento planificado.

Aparamenta de media tensiónse encuentra en el cruce crítico entre el suministro de servicios públicos y la red de distribución interna del centro de datos. En una arquitectura típica, los alimentadores de servicios públicos de 10 kV a 36 kV ingresan a la subestación en el sitio de la instalación, donde el tablero de distribución de media tensión proporciona protección del alimentador entrante, protección primaria del transformador y conmutación de la sección del bus. Aguas abajo, los tableros de distribución de media tensión adicionales pueden servir a grandes plantas de refrigeración, tableros de distribución de entrada de UPS y tableros de distribución en paralelo de generadores para sistemas de energía de respaldo.

El cuadro de esta arquitectura debe satisfacer varios criterios exigentes simultáneamente. Debe ser lo suficientemente compacto como para caber dentro del espacio del edificio, que es un inmueble costoso. Debe ser lo suficientemente confiable como para que las intervenciones de mantenimiento se midan en horas por década en lugar de horas por año. Y debe poder integrarse con el sistema de gestión de edificios y la plataforma de monitoreo de energía del centro de datos, proporcionando datos en tiempo real sobre la posición de los interruptores, eventos de protección y condición del equipo.

Por qué los disyuntores de vacío son estándar

El disyuntor de vacío se ha convertido en la opción predeterminada para la conmutación de media tensión en centros de datos por razones tanto técnicas como operativas.

Técnicamente, un interruptor de vacío extingue el arco dentro de una envoltura cerámica sellada donde no hay nada que quemar, nada que degradar y nada que filtrar. La ausencia de gas significa la ausencia de mantenimiento relacionado con el gas. Para un operador de centro de datos con una instalación que puede funcionar durante quince años sin un cierre importante, cualquier equipo que requiera atención periódica es una responsabilidad. Un disyuntor de vacío con un mecanismo operativo de clase M2 con capacidad para 10 000 operaciones mecánicas puede funcionar durante toda la vida útil de la instalación sin una sola intervención de mantenimiento en el propio interruptor.

Desde el punto de vista operativo, los disyuntores de vacío se adaptan bien al perfil de carga de un centro de datos. La carga del centro de datos es relativamente estable (los servidores no se detienen y arrancan como los motores industriales), lo que significa que la resistencia eléctrica del disyuntor rara vez se prueba mediante interrupciones frecuentes por fallas. El principal requisito operativo es la conmutación confiable durante las transferencias planificadas entre las fuentes de servicios públicos y generadores, lo cual es mecánicamente exigente pero eléctricamente sencillo. Un mecanismo de resorte de energía almacenada bien diseñado puede realizar esta función de manera constante durante décadas.

La configuración extraíble utilizada en aparamenta blindada como las series KYN28 o KYN61 ofrece otra ventaja para los centros de datos: se puede extraer un disyuntor a la posición de prueba o aislamiento para inspección sin desenergizar todo el bus. En una instalación donde los costos de tiempo de inactividad pueden exceder los $100,000 por minuto, esta característica de mantenibilidad por sí sola puede justificar la especificación del tablero.

El cambio hacia el uso libre de SF₆ en el sector de los centros de datos

Los operadores de centros de datos se han convertido en algunos de los defensores más influyentes de los equipos de distribución libres de SF₆, y su motivación no es principalmente el cumplimiento normativo. Muchos de los operadores más grandes, incluidos los proveedores de nube a hiperescala, han asumido compromisos públicos para lograr la neutralidad de carbono o emisiones netas cero en esta década. El SF₆, con su potencial de calentamiento global 24.300 veces mayor que el del CO₂, es una contradicción directa con esos compromisos si está presente en la infraestructura eléctrica de cada nueva instalación.

Un solo panel RMU o GIS de voltaje medio que contenga unos pocos kilogramos de SF₆ no representa, por sí solo, una gran fracción de la huella de carbono de un centro de datos. Pero los grandes operadores construyen docenas de instalaciones por año, cada una de las cuales contiene múltiples paneles de distribución. El inventario acumulado de SF₆ en una cartera global se puede medir en toneladas. Las tasas de fuga son bajas, pero no nulas, y la vida atmosférica del SF₆ significa que cada gramo emitido permanece en la atmósfera durante más de tres mil años.

Esta es la razón por la que las especificaciones de licitación de centros de datos ahora incluyen de manera rutinaria "libre de SF₆" como requisito obligatorio paraaparamenta de media tensión. El requisito está apareciendo no sólo en los mercados europeos, donde el Reglamento sobre gases fluorados de la UE proporciona un marco legal, sino también en América del Norte y Asia-Pacífico. Para los fabricantes de aparamenta, el mercado de centros de datos se ha convertido en un poderoso impulsor comercial del desarrollo de productos libres de SF₆, quizás el más poderoso fuera del sector de servicios públicos.

COTENELE suministra unidades principales de anillo sin SF₆ de 24 kV y paneles de disyuntores en vacío para proyectos de centros de datos, con aislamiento de aire seco y certificación de prueba de tipo según IEC 62271-200. El tanque de acero inoxidable sellado de por vida elimina el monitoreo, el llenado y la recuperación del gas al final de su vida útil de los procedimientos operativos de la instalación. Para un operador de centro de datos, esto significa un sistema menos que rastrear, un contrato de mantenimiento menos que administrar y un elemento menos que explicar en una auditoría ESG.

Segunda parte: Proyectos de energía renovable

Redes de colectores de parques eólicos

Un parque eólico presenta un entorno eléctrico fundamentalmente diferente al de un centro de datos o una planta industrial. Los generadores de turbinas eólicas individuales, normalmente con potencias de entre 2 MW y 8 MW cada uno, están dispersos en un área geográfica que puede abarcar decenas de kilómetros cuadrados. Cada turbina genera a bajo voltaje (generalmente 690 V o 1000 V) y aumenta a voltaje medio a través de un transformador montado en una plataforma en la base de la torre. Cables de media tensión, generalmente de 33 kV o 36 kV, van desde cada turbina hasta una subestación colectora central donde la energía se agrega y se intensifica nuevamente para su transmisión.

La aparamenta de la subestación colectora debe realizar una combinación de tareas que ninguna otra aplicación puede replicar. Los disyuntores que protegen cada alimentador de colector experimentan operaciones de conmutación frecuentes a medida que las turbinas arrancan y se detienen en respuesta a las condiciones del viento. La contribución de la corriente de falla de las turbinas eólicas basadas en inversores es fundamentalmente diferente de la corriente de falla de las máquinas síncronas: es de menor magnitud, decae más rápido y, a veces, es difícil para los relés de protección convencionales discriminar de la corriente de carga normal. Y la subestación misma suele estar en una ubicación remota donde las visitas de mantenimiento son costosas, dependen del clima y, a veces, imposibles durante semanas durante los meses de invierno.

Los disyuntores de vacío son muy adecuados para este entorno. La alta resistencia mecánica de un VCB moderno permite conmutaciones frecuentes sin degradación de los contactos. El interruptor en vacío es indiferente a la fuente de la corriente de falla que debe interrumpir; ya sea que provenga de un generador síncrono o de un recurso basado en inversor, la física de extinción del arco es la misma. Y la construcción sellada de por vida de un VCB moderno significa que no hay nada que un técnico de mantenimiento pueda inspeccionar dentro del interruptor, incluso si pudiera llegar al sitio.

Sistemas solares fotovoltaicos y de almacenamiento de energía

Las instalaciones solares fotovoltaicas a gran escala comparten algunas características con los parques eólicos (generación basada en inversores, dispersión geográfica, conmutación frecuente a medida que cambia la irradiancia), pero añaden sus propias complejidades. Las plantas solares suelen funcionar a un voltaje más bajo que los parques eólicos: el sistema de recolección de voltaje medio puede ser de 12 kV o 24 kV en lugar de 33 kV o 36 kV. El lado de CC de la planta, desde los módulos a través de las cajas de combinación hasta la entrada del inversor, opera a voltajes de hasta 1500 V CC y requiere un conjunto completamente separado de equipos de protección y aislamiento.

La creciente ubicación conjunta de los sistemas de almacenamiento de energía en baterías con la generación solar añade otra capa de requisitos de aparamenta. Un sistema de almacenamiento de energía de batería puede cargarse desde la red o desde el panel solar y descargarse de nuevo a la red según sea necesario, lo que significa que la aparamenta de media tensión en el punto de interconexión debe manejar el flujo de energía bidireccional. Los ajustes de protección deben tener en cuenta la contribución de la corriente de falla de los inversores de batería, que puede ser sustancial y aumentar rápidamente. Y la tarea de conmutación de los interruptores aumenta aún más, con múltiples ciclos de carga y descarga por día que se suman al recuento de operaciones mecánicas.

La capa de cumplimiento y documentación

Los proyectos de energía renovable, particularmente aquellos desarrollados por productores internacionales independientes de energía o financiados por bancos multilaterales de desarrollo, ahora conllevan requisitos de documentación que rivalizan con los de las licitaciones de servicios públicos. Un paquete de aparamenta de media tensión para un parque eólico o una planta solar generalmente requerirá certificados de prueba de tipo IEC para cada disyuntor y RMU, informes de pruebas de rutina de la fábrica, una declaración de conformidad con las regulaciones ambientales aplicables y una lista de referencia que demuestre la entrega previa de equipos similares.

La razón es sencilla: financiación de proyectos. Los prestamistas e inversores que proporcionan capital para proyectos de energía renovable llevan a cabo la debida diligencia técnica en cada paquete de equipo importante. Si el proveedor de aparamenta no puede proporcionar la documentación completa, el proyecto puede sufrir retrasos para alcanzar el cierre financiero. Este es un riesgo que los desarrolladores se toman muy en serio.

COTENELE suministra aparamenta de media tensión para proyectos de energías renovables con un paquete completo de documentación incluido de serie. Los certificados de prueba de tipo, los informes de pruebas de rutina y las declaraciones de cumplimiento se proporcionan en la etapa de licitación, no después del pedido. Para proyectos en Europa, esto incluye documentación que demuestre la conformidad con el Reglamento de gases fluorados de la UE. Para proyectos en otras regiones, el paquete se adapta a los requisitos locales.

La superposición tecnológica: lo que necesitan ambos sectores

A pesar de sus diferencias, los centros de datos y los proyectos de energía renovable convergen en un conjunto común de requisitos de aparamenta. Identificar esta superposición ayuda a explicar por qué ciertas tecnologías y configuraciones se han vuelto dominantes en ambos mercados.

Huella compacta. Los centros de datos valoran cada metro cuadrado de espacio en blanco. Las subestaciones colectoras de energía renovable suelen estar en terrenos con una superficie disponible limitada. Ambos sectores especifican aparamenta que minimiza el espacio físico sin comprometer el acceso para mantenimiento. Esta es una de las razones por las que los tableros de distribución extraíbles revestidos de metal y las RMU sin SF₆ han ganado participación: reúnen una funcionalidad sustancial en un formato compacto.

Fiabilidad sin mantenimiento frecuente. Los centros de datos no pueden permitirse el lujo de sufrir tiempos de inactividad. Los parques eólicos no pueden permitirse el lujo de enviar un técnico a una subestación remota todos los meses. Los disyuntores de vacío con interruptores sellados de por vida y las RMU con tanques de gas sellados abordan este requisito directamente.

Libre de SF₆ como punto de referencia. Para los centros de datos, el motor son los compromisos de sostenibilidad corporativa. Para los proyectos de energía renovable, el factor determinante es la incongruencia de utilizar un gas de alto PCA en la infraestructura que existe para producir energía limpia. Ambos llegan al mismo requisito de especificación.

Integración digital. Los centros de datos fueron los primeros en adoptar aparamenta inteligente con comunicación IEC 61850, impulsados ​​por la necesidad de integrar el monitoreo eléctrico en el sistema de gestión del edificio. Los proyectos de energía renovable están avanzando rápidamente, impulsados ​​por la necesidad de monitoreo remoto de sitios no tripulados. En ambos casos, los equipos de conmutación que pueden informar su propia condición, registrar las operaciones de conmutación y proporcionar una alerta temprana sobre el desarrollo de problemas reducen los costos y riesgos operativos.

Documentación completa. Ambos sectores están dominados por compradores sofisticados (operadores de centros de datos a gran escala, desarrolladores internacionales de energía renovable, fondos de infraestructura) que tratan la documentación como un requisito de control. Si la documentación no está completa, el equipo no se considera. Esto favorece a los fabricantes que han invertido en pruebas de tipo de terceros y que mantienen sistemas de documentación organizados.

Selección de aparamenta para estas aplicaciones: consideraciones prácticas

Para los ingenieros de proyectos y equipos de adquisiciones que trabajan en cualquiera de los sectores, varias consideraciones prácticas deben guiar la selección de tableros.

Comience con el voltaje y el nivel de falla, pero no se detenga ahí. La tensión nominal y la capacidad de corte en cortocircuito son los criterios mínimos de entrada. Más allá de ellos, evalúe la resistencia mecánica, los requisitos de mantenimiento durante la vida útil del proyecto y la disponibilidad de soporte de servicio local.

Verifique las pruebas de tipo para la configuración específica. Es posible que un fabricante haya probado un módulo estándar, pero no la combinación específica de módulos requerida para su diagrama unifilar. Confirme que se haya probado la configuración exacta o que el fabricante pueda proporcionar una justificación de ingeniería para ampliar la cobertura de la prueba de tipo.

Pregunta por la documentación antes de realizar el pedido. Si un proveedor no puede proporcionar certificados de prueba de tipo, plantillas de informes de pruebas de rutina y una declaración de cumplimiento en la etapa de licitación, es poco probable que los presente inmediatamente después de realizar el pedido. Los retrasos en la documentación pueden retrasar la financiación y la puesta en marcha del proyecto, y el momento de descubrirlos es antes de la adjudicación del contrato.

Considere el costo total del ciclo de vida, no sólo el precio de compra. Para un centro de datos con una vida útil de diseño de 15 años, el costo de una única interrupción no planificada eclipsa cualquier diferencia en el precio de compra del tablero. Para un parque eólico con 50 turbinas repartidas en una cadena montañosa, el costo de enviar a un técnico a inspeccionar un interruptor eclipsa los ahorros que se obtienen al elegir un producto de especificaciones más bajas. El interruptor es una pequeña fracción del costo total de capital del proyecto, pero una gran fracción del equipo que puede causar fallas catastróficas. Este no es el lugar para optimizar para obtener el precio inicial más bajo.

Conclusión

Los centros de datos y los proyectos de energía renovable representan dos de los segmentos de más rápido crecimiento del mercado mundial de aparamenta de media tensión. También son los segmentos donde la transición hacia equipos sostenibles, integrados digitalmente y libres de SF₆ está avanzando más rápidamente.

Las tecnologías de aparamenta que sirven bien a estos mercados (interrupción de vacío, aire seco y aislamiento sólido, configuraciones extraíbles con alta resistencia mecánica, monitoreo de condición integrado con comunicación IEC 61850) son las mismas tecnologías que definirán la industria de aparamenta en general durante la próxima década. Las lecciones aprendidas en los centros de datos y las aplicaciones de energía renovable están dando forma al desarrollo de productos en todos los segmentos del mercado.

Para COTENELE, atender a estos sectores significa proporcionar RMU de 24 kV libres de SF₆ y paneles de disyuntores en vacío que estén probados, con documentación completa y en producción en serie. Significa comprender que el equipo de adquisiciones de un centro de datos y el desarrollador de un parque eólico hablan lenguajes técnicos diferentes pero tienen el mismo requisito subyacente: equipos que funcionen de manera confiable durante décadas, con una intervención mínima y sin responsabilidad ambiental asociada. Nuestra gama de productos y sistemas de documentación se construyen en consecuencia.

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COTENELE suministra disyuntores de vacío de 12 kV a 40,5 kV, unidades principales de anillo sin SF₆ y aparamenta blindada completa para centros de datos, energía renovable, servicios públicos y aplicaciones industriales. Todos los productos se someten a pruebas de tipo según las normas IEC aplicables y se proporciona la documentación completa en la fase de licitación.

Acerca de COTENELE

COTENELE es un fabricante especializado de aparamenta de media tensión, que incluye aparamenta con aislamiento de gas ecológico y sin SF₆, disyuntores de vacío, unidades principales en anillo y paneles revestidos de metal para aplicaciones de 12 kV a 40,5 kV. Nuestros productos sirven a operadores de centros de datos, desarrolladores de energía renovable, empresas de servicios públicos y compradores industriales en Europa, Asia y Medio Oriente. Cada producto se somete a pruebas de tipo según las normas IEC aplicables, y se proporciona documentación completa para la presentación de ofertas y la entrega del proyecto.