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Calidad de Energía en Data Centers
CALIDAD DE ENERGÍA EN DATA CENTER
I.E. OSCAR F. OLIVERA D.
Calidad de Energía en Data Centers
QUE ES UN PROBLEMA DE CALIDAD DE ENERGÍA Cuando ocurre cualquier desviación de la tensión, la corriente o la frecuencia que provoque la mala operación de los equipos de uso final y deteriore la economía o el bienestar de los usuarios; asimismo cuando ocurre alguna interrupción del flujo de energía eléctrica.
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QUE ES UN PROBLEMA DE CALIDAD DE ENERGÍA EFECTOS: • Incremento en las pérdidas de energía. • Daños a la producción, a la economía y la competitividad empresarial • Incremento del costo, deterioro de la confiabilidad, de la disponibilidad y del confort.
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CALIDAD DE ENERGÍA
INTERRELACIÓN
LA EFICIENCIA Y LA PRODUCTIVIDAD
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CALIDAD DE ENERGÍA AUMENTO EN LA COMPETITIVIDAD • • • • • •
Usando equipos de alta eficiencia como motores eléctricos, bombas, etc. Uso de dispositivos electrónicos y de computación (microcontroladores, computadores, PLC, etc.). Reduciendo los costos vinculados con la continuidad del servicio y la calidad de la energía. Reduciendo las pérdidas de energía. Evitando los costos por sobredimensionamiento y tarifas. Evitando el envejecimiento prematuro de los equipos
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CALIDAD DE ENERGÍA EL PROBLEMA ES QUE: Los equipos electrónicos son una fuente de perturbaciones para la calidad de la energía eléctrica pues distorsionan las ondas de tensión y corriente. Por otro lado los equipos son sensibles a distorsión o magnitud de la onda de tensión por lo que una variación en la calidad de la energía eléctrica puede ocasionar fallas que paren la operación del cliente, ocasionando tiempo perdido y costos adicionales inesperados.
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CALIDAD DE ENERGÍA ENTONCES CUAL ES LA SOLUCIÓN: Hay que convivir con el problema y encontrarle soluciones cada vez mas optimas
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PROBLEMAS DE HOY SEGÚN LA IEEE 1159 DE 1995 los fenómenos electromagnéticos pueden ser de tres tipos: • Variaciones en el valor RMS de la tensión o la corriente. • Perturbaciones de carácter transitorio. • Deformaciones en la forma de onda.
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PROBLEMAS DE HOY características típicas de los fenómenos Electromagnéticos:
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PROBLEMAS DE HOY características típicas de los fenómenos Electromagnéticos:
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PROBLEMAS DE HOY características típicas de los fenómenos Electromagnéticos:
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PROBLEMAS DE HOY características típicas de los fenómenos Electromagnéticos:
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DEFINICION IMPORTANTE
CARACTERÍSTICAS TÍPICAS DE LOS FENÓMENOS ELECTROMAGNÉTICOS
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DEFINICION IMPORTANTE • Transitorios impulsivos • Transitorios oscilatorios • Variaciones de tensión Depresiones Crestas Interrupciones • Variaciones de tensión de larga duración
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DEFINICION IMPORTANTE • Desequilibrio de tensiones • Distorsión de la forma de onda Corriente DC Armónicos Inter armónicos Muescas de Tensión (Notching) Ruido • Fluctuaciones de tensión • Variaciones de la frecuencia en el sistema de potencia Calidad de Energía en Data Centers
DEFINICION IMPORTANTE • Transitorios impulsivos Cambio súbito unidireccional (positivo o negativo) de la tensión, la corriente, o ambos. Cambio de la frecuencia con respecto a la del sistema de potencia
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DEFINICION IMPORTANTE • Transitorios oscilatorios Cambio súbito de la tensión, la corriente o ambos, con polaridades positivas y negativas. También cambios de frecuencia con respecto a la de operación del sistema Se clasifican en: transitorios de alta, media y baja frecuencia Alta frecuencia: transitorios oscilatorios con una frecuencia > 500KHz – duración microsegundos Media frecuencia: transitorios oscilatorios con una frecuencia entre 5 y 500KHz Baja frecuencia: transitorios oscilatorios con una frecuencia < 5KHz – duración 0.3ms a 50 ms
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TRANSITORIOS Transitorios Oscilatorios
Transitorios baja frecuencia
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DEFINICION IMPORTANTE • Depresiones SAG O DIP – VALLES O HUECOS
consisten en una reducción entre 0,1 y 0,9 p.u. en el valor R.M.S. de la tensión o corriente con una duración de 0,5 ciclos a un minuto Asociadas a: • Fallas del sistema • La energización de grandes cargas • Arranque de motores de elevada potencia • Energización de transformadores de potencia
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DEFINICION IMPORTANTE • Depresiones Evitar los SAG Estabilizar la señal de tensión a través de acondicionadores de red
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DEFINICION IMPORTANTE • Crestas (Swell) Incremento del valor R.M.S. de la tensión o la corriente entre 1,1 y 1,8 p.u. con una duración desde 0,5 ciclo a un minuto Asociadas a: • Fallas del sistema • Desconexión de grandes cargas • Energización de grandes bancos de condensadores Genera: Elevación temporal de la tensión en las fases no falladas durante una falla línea a tierra
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DEFINICION IMPORTANTE • Crestas (Swell)
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DEFINICION IMPORTANTE • Interrupciones ocurre cuando la tensión o la corriente de la carga disminuyen a menos de 0,1 p.u. por un período de tiempo que no excede un minuto Es el resultado de: • Fallas en el sistema, • Equipos averiados • Mal funcionamiento de los sistemas de control.
Las interrupciones se caracterizan por su duración ya que la magnitud de la tensión es siempre inferior al 10% de su valor nominal
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DEFINICION IMPORTANTE • Interrupciones
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DEFINICION IMPORTANTE • Variaciones de tensión Son aquellas desviaciones del valor R.M.S. de la tensión que ocurren con una duración superior a un minuto. Sobre tensión: 110% del valor nominal Baja tensión: 90% del valor nominal
En Colombia los límites están definidos por la Resolución CREG 024 de 2005 entre +10% y – 10% de la tensión nominal.
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DEFINICION IMPORTANTE • Variaciones de tensión La norma ANSI C84.1 especifica las tolerancias
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DEFINICION IMPORTANTE • Desequilibrio - desbalance El desequilibrio de Tensiones en un sistema eléctrico ocurre cuando las tensiones entre las tres líneas no son iguales y puede ser definido como la desviación máxima respecto al valor promedio de las tensiones de línea, dividida entre el promedio del las tensiones de línea, expresado en porcentaje
Se recomienda que el desequilibrio de tensiones sea menor al 2%.
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DEFINICION IMPORTANTE • Distorsión de la forma de onda Desviación estable del comportamiento idealmente sinusoidal de la tensión o la corriente a la frecuencia fundamental del sistema de potencia • • • • •
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Corrimiento DC Armónicos Interarmónicos Hendiduras Ruido
DEFINICION IMPORTANTE • Corriente DC (offset) Ocurre debido al efecto de la rectificación de media onda, extensores de vida o controladores de luces incandescentes Efectos: Produce efectos perjudiciales al polarizar los núcleos de los transformadores de forma que se saturen en operación normal causando el calentamiento y la pérdida de vida útil en estos equipos. Aumento de la corrosión en los electrodos de puesta a tierra y en otros conductores y conectores
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DEFINICION IMPORTANTE • Armonicos Los armónicos son tensiones o corrientes sinusoidales cuya frecuencia es un múltiplo integral de la frecuencia fundamental del sistema la cual, para el caso de nuestro país es 60 Hz. La distorsión armónica se origina, fundamentalmente, por la característica no lineal de las cargas en los sistemas de potencia El nivel de distorsión armónica se describe por el espectro total armónico mediante las magnitudes y el ángulo de fase de cada componente individual
criterio denominado THD
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DEFINICION IMPORTANTE • Armónicos
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DEFINICION IMPORTANTE • Efectos de los Armónicos Pueden causar errores adicionales en las lecturas de los medidores de electricidad, tipo disco de inducción. Causan vibraciones y ruido acústico en transformadores, reactores y máquinas rotativas. Causa de interferencias en las comunicaciones y en los circuitos de control. Provocar disturbios en los sistemas electrónicos. Por ejemplo, afectan el normal desempeño de los tiristores.
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DEFINICION IMPORTANTE • . Efectos de los Armónicos Provocan la disminución del factor de potencia. Están asociados con el calentamiento de condensadores. Pueden provocar ferro-resonancia.
Provocan calentamiento adicional debido al incremento de las pérdidas en transformadores y máquinas. Al incrementarse la corriente debido a los armónicos, se aumentan el calentamiento y de las pérdidas en los cables. Causan sobrecargas en transformadores, máquinas y cables de los sistemas eléctricos.
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DEFINICION IMPORTANTE • Mitigan Efectos de los Armónicos El monitoreo constante de los sistemas para detectar la presencia de armónicos indeseables. La utilización de filtros para eliminar los armónicos indeseables.
El dimensionamiento los transformadores, máquinas y cables teniendo en cuenta la presencia de corrientes no sinusoidales (presencia de armónicos).
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DEFINICION IMPORTANTE • Muescas de tensión (Notching) Son perturbaciones periódicas en la forma de onda de tensión, causadas por la operación normal de los dispositivos de electrónica de potencia, cuando la corriente es conmutada de una fase a otra
Causan fallas en las CPU, impresoras láser y mal funcionamiento de algunos equipos electrónicos
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DEFINICION IMPORTANTE • Muescas de tensión (Notching)
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DEFINICION IMPORTANTE • Ruido El ruido es una señal eléctrica indeseable con un contenido espectral inferior a 200 kHz superpuesto a la tensión o a la corriente del sistema en los conductores de las fases o en los conductores neutros o líneas de señales
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DEFINICION IMPORTANTE • Fluctuaciones de tensión son variaciones sistemáticas del envolvente de la tensión o una serie de cambios aleatorios de la tensión cuya magnitud no excede normalmente los rangos de tensión especificados por la norma ANSI C84.1.
variaciones rápidas y continuas de la magnitud de la corriente pueden causar variaciones de tensión que son frecuentemente denominadas “flicker”
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REDES DE ENERGÍA ELÉCTRICA REGULADA DIMENSIONAMIENTO DE REDES REGULADAS ....
Distribución de circuitos Protecciones termomagnéticas Corriente nominal Totalizadores Regulación Corrientes de corto circuito Acometidas a UPS´s Tiempos de suplencia Sistemas de transferencia Carga por estación de trabajo
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ENERGIA CRITICA ALTERNATIVAS PARA MEJORAR LA REGULACIÓN Regulación monofásica Disminución de carga de los circuitos Reubicación de P.D.U para optimizar longitudes Redimensionamiento de calibres de conductores Manejo de tipo de aislamiento (TW-THW y THHN) del conductor Regulación trifásica (Acometidas) Optimizar longitudes Redimensionar calibres de conductores Vs aislamiento. Configurar conductores en haz
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POWER DISTRIBUTION UNIT (P.D.U)
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Tablero General de distribución de potencia. TVSS ( se dimensiona según el nivel del Data Center). Transformador de Aislamiento K 13 E.P.O Transferencia Totalizador Distribución circuital Gabinete de 42 knock outs Equipo de medicion (V, I, KW-H, F.P, F, S, P, Q)
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REGULACIÓN DE TENSIÓN (Monofásica - Trifásica)
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REGULACIÓN DE TENSIÓN (Monofásica - Trifásica)
R 5 % (Subestación – salida más lejana) R 3 % (Tablero de distribución – salida más lejana)
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SELECCION DE CONDUCTORES NTC 2050 210-19 1.Capacidad de corriente en amperios. N.E.C 310-16 2.Caída de tensión, en porcentaje del voltaje nominal. N.E.C 210- 19 8(a) FPN N° 4. 3.Intensidad nominal de la protección asociada. N.E.C 240-6 4.Capacidad de soporte de corriente de cortocircuito del conductor.
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REGULACION Desde el punto de vista de regulación, el artículo 210- 19(a) “General” (FPN No. 4) N.E.C dice: “Conductor for branch circuit as defined in article 100 sized of prevent a voltaje drop exceeding 3% at the farthest outlet of power, heatings and lighting loads, or combinations of such loads and where the maximum total voltaje drop on both feeders and branch circuits to the farthest outlet does not exceed 5%, will provide reasonable efficiently on operation”
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PUESTAS A TIERRA
BLDG A
BLDG B
200kV 3kV @ 200m Calidad de Energía en Data Centers
15kV @ 90m V = 12kV
SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA REQUISITOS DE UN SISTEMA DE PUESTA A TIERRA SEGÚN NTC 2050 DE 1996 ART. 250
Garantizar condiciones de seguridad en los seres vivos Presentar mínima variación a la resistencia debida a cambios ambientales Permitir a los equipos de protección despejar rápidamente las fallas Tener suficiente capacidad de conducción y disipación de corrientes de falla Evitar ruidos eléctricos Ser resistente a la corrosión Tener facilidad de mantenimiento Tener en cuenta el artículo 250 NEC
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SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA
Tierra de pararrayos Tierra de equipo sensible TIA/EIA 942 (G.5.1.6) Tratamiento de tierras (ET-CODENSA-489) Configuraciones (Triángulo equilátero, varilla sencilla, cuadrilátero) Bobinas de choque Barrajes de tierra (J-STD ANSI/EIA/TIA607A) Tierra aislada Código de colores Ruidos y transientes de modo normal y modo común Calidad de Energía en Data Centers
TOMACORIENTES CON TIERRA AISLADA TOMACORRIENTES HOSPITAL GRADE ISOLATED GROUND.
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TOMACORIENTES CON TIERRA AISLADA De acuerdo al artículo 250-74 de la NTC 2050 de 1996: “Donde se requiera reducción de ruido eléctrico (interferencia electromagnética- EMI) en el circuito de tierra, se permite un tomacorriente con el terminal de tierra aislado del receptáculo donde va a ser montado. El terminal de tierra del tomacorriente debe ser aterrizado a través de un conductor, el cual puede pasar por varios tableros sin ser aterrizado a su sistema de puesta a tierra general, hasta que llegue a una de barra de puesta a tierra como lo permitido en la sección 384-20”. Calidad de Energía en Data Centers
TOMACORIENTES CON TIERRA AISLADA Adicionalmente se deben cumplir las especificaciones del artículo 410-56 de la NTC 2050 de 1996 que establece que los tomacorrientes con polo a tierra aislado diseñados para la reducción de ruido eléctrico, deben ser identificados con un triángulo de color naranja, localizado en el frente del tomacorriente y deben ser señalizadas con un punto verde localizado en el frente que las identifica con el grado hospitalario. Los tomacorriente de estas características deben estar registradas acorde con UL498. Calidad de Energía en Data Centers
NEUTRO Y TIERRA
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SISTEMA TRIFASICO BALANCEADO
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SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA GENERALIDADES Electrodos (NTC 2050 250-83) Separaciones Profundidades Interconexión FAVIGEL/HIDROSOLTA/SANICK-GEL- > 20ohm-m (CODENSA ET 489) Resistencias recomendadas: pararrayos, subestación, comunicaciones. Cajas de inspección (CODENSA ET 489) Conductores desnudos Vs. Conductores aislados
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ELECTRODOS ELECTRODOS NTC 2050 250-83 Tuberías metálicas. Estructura metálica de edificios.
Electrodo empotrado en concreto. Anillo de puesta a tierra. Electrodos de placa.
R= 25 Ohmios Calidad de Energía en Data Centers
ELECTRODOS ELECTRODOS NTC 2050 250-83 Diámetro 5/8” Hierro o acero. Diámetro no menor de 1/2” Metales no ferrosos. Longitud 2.4 m
Separación: 4.8 m (2L) R= 25 Ohmios
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INSTALACION DE ELECTRODO TAPA DE CONCRETO DE 2500 PSI CON MANIJA
TUBO DE GRES DE 10"
CONEXION EXOTERMICA RELLENO DE FAVIGEL
CABLE DE COBRE 2/0 AWG
VARILLA DE COBRE DE 5/8" x 2.40m.
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FAVIGEL- CIRCUITO EQUIVALENE
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R vs T 100%
Resistencia
80%
60%
40%
20%
0% 0
5
10
15
20
Tiempo (Días)
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25
30
35
CONECTORES RECONOCIDOS (NTC 2050 250-81)
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CLASES DE MOLDES
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PROCEDIMIENTO CON SOLDADURA EXOTERMICA (NTC 2050 250-81)
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S.P.T DE EQUIPOS SENSIBLES
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S.P.T EN TELECOMUNICACIONES
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S.P.T EN ANTENAS PARARRAYOS
UNIDAD DE RADIO FRECUENCIA CABLE DE PUESTA A TIERRA POSTE DE LA MALLA ESLABONADA
CABLE APANTALLAMIE NTO
HALO PROTECCI ON TIPO C BATERIA
ANILLOS ELECTRODO
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CALIDAD DE ENERGIA
CONCEPTO GENERAL Es la relativa frecuencia y severidad de las desviaciones en la potencia suministrada, de la estable y habitual forma de onda sinusoidal de voltaje o corriente a una frecuencia fundamental.
FACTORES GENERALES
• •
Factores Externos: Asociados con fenómenos atmosféricos. Utility Power Cuando los problemas se originan en el mismo sistema eléctrico: transformadores, cables, aisladores, seccionadores, interruptores de potencia.
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CALIDAD DE ENERGIA-COMPONENTES
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POWER QUALITY (CAP)
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POWER QUALITY • • • • • • • • •
NORMATIVIDAD APLICABLE NEC (National Electrical Code) ANSI/TIA/EIA 942 RETIE/NTC 2050 1996 (Código Eléctrico Colombiano). CODENSA ET 489. S.P.T IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineering) UL (Underwriters Laboratories) IEC (Institute Electrotechnical Comite) CSA (Canadian Standards EN (European Standards)
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Problemas CAP Regulación de tensión-Sobretensiones y Subtensiones (Swells y Sags) Transientes (spikes y surges) de modo normal y modo común. Ruido (noise) eléctrico de modo normal y modo común. Componentes armónicos de la frecuencia fundamental-distorsión de onda. Variaciones de frecuencia-regulación de frecuencia. Interrupciones momentáneas del fluido eléctrico (Brownout). Interrupciones de larga duración del fluido eléctrico (Blackout) Corrientes circundantes por puestas a tierra deficientes. Desbalance de fases
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PROBLEMAS DE LAS REDES ELECTRICAS
SURGE
NOISE
OVER VOLTAGE
UNDER VOLTAGE
HARMONIC DISTORTION
BLACKOUT
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VARIACIONES DE TENSION CAUSAS ALTA DEMANDA O ALTA CARGA REPENTINO CRECIMIENTO DE CARGAS. PROBLEMAS EN EL GENERADOR LEJANIA DE SUBESTACIONES
PROBLEMAS CAUSADOS FALSEDAD EN LOS DATOS O PERDIDA DE LA INFORMACION. DAÑO EN EQUIPOS ELECTRONICOS. INTERFERENCIAS.
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VARIACIONES DE TENSION CAUSAS
CERCANIA A SUBESTACIONES ELECTRCAS FALLA EN GENERADORES O TRANSFORMADORES REPENTINO DECRECIMIENTO DE CARGAS.
SOBRE VOLTAJE
PROBLEMAS CAUSADOS
FALSEDAD EN LOS DATOS O PERDIDA DE LA INFORMACION. DAÑO EN EQUIPOS ELECTRONICOS. INTERFERENCIAS.
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RUIDO – Interferencia de Radio
Frecuencias – Interferencia Electromagnética – Mal Sistema de Aterrizaje.
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ACOPLAMIENTO
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S.P.T
BLDG A
BLDG B
200kV 3kV @ 200m Calidad de Energía en Data Centers
15kV @ 90m V = 12kV
TRANSIENTES CAUSAS EXTERNAS CONEXIÓN Y DESCONEXION DE CARGAS ACCIONAMIENTO DE MOTORES COPIADORAS/IMPRESORAS CORTO CIRCUITOS PROBLEMAS CAUSADOS DATOS FALSOS O PERDIDA DE LA INFORMACION. DAÑO EN EQUIPOS ELECTRONICOS Y FUENTES.
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TRANSIENTES (SURGES)
Vs > 2 Vp (Vrms x 1,4142) f > 1000 Hz. Sobretensión transitoria (Surge): tensión anormal entre dos puntos del sistema, que es mayor que el valor máximo presentado entre los mismos dos puntos bajo condiciones de servicio normal. Bogotá – Colombia Calidad de Energía en Data Centers
CAUSAS DE LOS TRANSIENTES Causa Externas
Causas Internas
Ambientales
Switcheo en la red del usuario
i.e. Descargas atmosféricas Compañía de Energía
i.e. Switcheo en la red Otros Usuarios La calidad de la energía decrece conforme se incrementa el número de usuarios conectados a la misma alimentación
Bogotá – Colombia Calidad de Energía en Data Centers
- Aire Acondicionado - Motores
- Sistemas de Refrigeración - Balastras - Elevadores - Banco de Capacitores - Etc.
Bogotá – Colombia Calidad de Energía en Data Centers
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Transient Anomalies Catastrophe Failure Degradation Safe Zone
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EFECTOS DE LOS TRANSIENTES • •
• • • • • •
•
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Deterioro y falla de componentes electrónicos; PLC´s, Servidores, Fuentes conmutadas, etc. Deterioro de los aislamientos en motores Eléctricos, Transformadores. Funcionamiento Errático de equipos electrónicos por perdida de referencia. Computadores trabados. Errores de procesamiento de datos. Pérdida de datos. Tarjetas electrónicas quemadas. Pérdida de aislamiento eléctrica y daño permanente en equipos. Cables quemados.
Communication Board
5 volt Signal
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Logic Ground
Typical Degradation Magnified view of 2 traces in an IC chip
5 volt signal
Dielectric Insulation Breakdown Point 50 volts
IC Chip Failure Calidad de Energía en Data Centers
Logic ground
MODOS DE FALLA EN EQUIPOS ELECTRONICOS Catástrofe (