AI-palvelimien kasvava tehontarve ajaa datakeskuksia kohti 800 voltin tasajännitejakelua. Korkeampi jännite ei kuitenkaan Schneider Electricin tutkimuksen mukaan välttämättä kasvata valokaaririskiä. Räkkitason simulaatiossa vikavirta nousi hetkellisesti 36 kiloampeeriin, mutta piikki vaimeni niin nopeasti, että valokaaren energia jäi selvästi turvarajan alapuolelle.
Tekoälykiihdyttimien tehonkulutuksen kasvu nostaa datakeskusten räkkien tehotiheyksiä nopeasti. Schneider Electricin mukaan 800 VDC -jakelusta on tämän vuoksi muodostumassa käytännöllinen ratkaisu megawattiluokan räkkien virransyöttöön. Samalla korkeampi tasajännite on nostanut esiin kysymyksen valokaaririskistä.
Schneider selvitti asiaa kahdessa erilaisessa 800 VDC -arkkitehtuurissa: räkin vieressä sijaitsevaan tehoyksikköön eli sidecariin perustuvassa ratkaisussa sekä keskitetyssä järjestelmässä, jossa 800 voltin tasajännite jaetaan laitostasolta useille IT-räkeille. Tutkimuksen mukaan ratkaisevaa ei ole pelkästään jännitetaso, vaan järjestelmän rakenne, kondensaattorien sijoittelu sekä se, kuinka nopeasti vikavirta pystytään rajoittamaan.
Räkkitason kokeessa tutkittiin 660 kilowatin sidecaria. Sen 800 voltin lähtö syötti viereisen IT-räkin teholähteitä. Muunninvaiheet eristävät muun sähköjärjestelmän nopeasti vikatilanteessa, joten valokaarta ruokkiva energia tulee käytännössä sidecarin ja IT-räkin kondensaattoreista.
Simulaatiossa vikavirta nousi noin 36 kiloampeeriin jo noin 90 mikrosekunnissa. Näin suuri lukema kuulostaa rajulta, mutta piikki jäi erittäin lyhyeksi: kondensaattorien purkautumisesta syntynyt vikavirta vaimeni alle puolessa millisekunnissa. Suurin osa alkuvaiheen vikavirrasta tuli IT-räkin teholähteiden tulokondensaattoreista.
Juuri tämä erottaa 800 VDC -järjestelmän perinteisestä vaihtovirtajakelusta. Tehoelektroniikkamuuntimilla syötetyssä järjestelmässä vikavirta voi ensin nousta erittäin nopeasti kondensaattorien purkautuessa ja sen jälkeen laskea yhtä nopeasti. Valokaaririskiä ei siksi voida päätellä pelkästä vikavirran huippuarvosta.
Perinteisessä AC-järjestelmässä vikavirta käyttäytyy ennustettavammin lähteen impedanssin perusteella. 800 VDC -järjestelmässä muuntimien ohjaus, kondensaattorit ja suojaus määräävät sekä vikavirran suuruuden että sen keston. Ensimmäiset millisekunnit ovat valokaaren energian kannalta ratkaisevia.
Schneider laski räkkitason valokaarienergian sekä NFPA 70E -standardin konservatiivisella kondensaattorimenetelmällä että tarkemmalla ETAP-mallinnuksella. Jo konservatiivinen laskenta antoi tuloksen, joka oli 96 prosenttia alle 1,2 cal/cm²:n viitearvon. ETAP-mallinnuksessa energia jäi noin 99 prosenttia tämän rajan alapuolelle.
Tutkimuksessa käytettiin lisäksi varovaisia oletuksia. Valokaarta katkaisevia suojalaitteita ei otettu laskennassa huomioon, ja osa järjestelmän induktansseista jätettiin mallista pois. Schneiderin mukaan todellisen järjestelmän valokaaririski voi siksi olla tutkittua tapausta pienempi.
Keskitetty 800 VDC -jakelu on vaikeampi tapaus. Schneiderin tutkimassa järjestelmässä yksi 4,8 megawatin tehonsyöttö syötti 24:ää 600 kilowatin IT-räkkiä. Energiaa järjestelmään toivat sekä AC/DC-muunnin että akkuvarasto, minkä lisäksi räkkien kondensaattorit voivat vikatilanteessa syöttää energiaa takaisin jakeluverkkoon.
Tässä arkkitehtuurissa tärkeäksi nousee takasyötön estäminen. Räkkien teholähteisiin sijoitetut käänteissulkulaitteet estävät muiden räkkien kondensaattoreihin varastoitunutta energiaa ruokkimasta vikaa. Simulaatioissa tämä pienensi selvästi vikavirran huippua ja rajasi vian lähellä oleviin energialähteisiin.
Schneiderin johtopäätös on, ettei 800 voltin tasajännite itsessään merkitse suurempaa valokaaririskiä. Tutkituissa arkkitehtuureissa riski voitiin pitää hallittuna, ja oikein toteutetussa järjestelmässä valokaaren vaikutusenergia voi olla samalla tasolla tai alempi kuin tavanomaisessa vaihtovirtajakelussa.
Valokaari pitää katkaista millisekunneissa
Valokaaren vaarallisuus riippuu voimakkaasti sen kestosta, mikä selviää yllä olevasta kuvasta. Schneider Electricin laskelman mukaan 1,2 cal/cm²:n turvaraja ylittyy 20 kiloampeerin vikavirralla noin 10 millisekunnissa, mutta suuremmilla virroilla huomattavasti nopeammin. Tutkitussa 800 VDC -räkissä 36 kiloampeerin virtapiikki vaimeni alle puolessa millisekunnissa.
Tutkimukseen voi tutustua täällä.
https://download.se.com/files?p_Doc_Ref=SPD_WP219_EN&p_enDocType=White+Paper&p_File_Name=WP219_V1_EN.pdf
Kiinalainen Hongqi on saanut uuden sähköautoakun latausnopeuden hetkellisesti 12C-tasolle. Valmistajan mukaan tulos perustuu uudenlaiseen anodimateriaaliin, elektrolyyttiin ja 15 prosenttia pienempään sisäiseen vastukseen.
Tekoälypalvelinten kasvava tehotiheys tekee datakeskusten varmistamisesta aiempaa monimutkaisempaa. Ylimääräiset teholähteet voivat parantaa käyttövarmuutta, mutta samalla ne lisäävät lämpökuormaa ja häiritsevät ilmavirtoja. Siksi tehonsyöttö, varmennus ja jäähdytys on suunniteltava yhtenä kokonaisuutena.