‘Temperatuur heeft grote invloed op beveiliging PDU’

Binnen de datacenterwereld zet de trend om de omgevingstemperatuur op te laten lopen door. Sommige fabrikanten hebben al servers beschikbaar die een temperatuur van 45 graden Celsius aankunnen. Er bestaat echter nogal wat onduidelijkheid over de invloed van de temperatuur op beveiligingscomponenten – bijvoorbeeld in PDU’s. Voor OEC en Siemens reden om tijdens IT Room Infra een lezing te wijden aan dit onderwerp. Ook selectiviteit kwam hierbij uitgebreid aan de orde.

Als we naar de temperatuureffecten op beveiligingscomponenten kijken, hebben we uiteraard te maken met het natuurkundige fenomeen van een geleider. Een geleider is bijvoorbeeld een lengte van een bepaald type materiaal waarin van een weerstand sprake is. Hierdoor ontstaat een spanningsverschil, wat in de vorm van verliezen als warmte vrijkomt.

Soorten beveiliging

Voor beveiliging wordt in de regel gekozen uit drie typen: zekeringen, thermisch-magnetische automaten of elektronische trip units.

 

 

Voorbeeld van een thermisch-magnetische automaat

Een zekering is een geleider die warm wordt. Bij een grote stroom ontstaat veel warmte. Treedt een te grote stroom op, dan ontstaat zoveel warmte dat de zekering doorbrandt doordat de druppel soldeer smelt die twee geleidende plaatjes in de zekering verbindt. Daarbij geldt: hoe meer stroom, hoe sneller de zekering doorbrandt. Is echter sprake van overbelasting, dan is langdurig sprake van veel warmte. Brandt de zekering door op een kortsluiting, dan is de warmteontwikkeling vrijwel minimaal omdat deze zeer kortstondig is.

De eigenschapen van een zekering veranderen met de omgevingstemperatuur. Hoewel dit per type zekering varieert, kunnen we als stelregel hanteren dat er bij een hogere omgevingstemperatuur minder energie nodig is om de zekering te laten doorbranden. Voorbeeld: bij een omgevingstemperatuur van 20 graden Celsius kan door de zekering 105 procent van de nominale stroom stromen. Bij -30 graden Celsius ligt dit percentage op 130. Maar bij een omgevingstemperatuur van 60 graden Celsius brandt de zekering al door bij 80 procent van de nominaalstroom.

Thermisch-magnetische automaten kennen een dubbele beveiliging: een thermische op basis van een bimetaal voor de overbelastingsbeveiliging en een magnetische beveiliging die gebaseerd is op een pen die wordt weggeschoten op een kortsluiting. Thermisch-magnetische automaten komen in twee soorten: vast ingestelde automaten en instelbare beveiligingen. Beide type automaten zijn in hun functioneren afhankelijk van de omgevingstemperatuur. Afhankelijk van het gekozen type kunnen we als uitgangspunt hanteren dat bij een omgevingstemperatuur van 30 graden Celsius 100 procent van de nominale last kan worden gedragen. Bij een temperatuur van -20 graden Celsius kan 125 procent van de nominaalstroom worden gedragen, maar bij een omgevingstemperatuur van +55 graden Celsius is dit slechts 85 procent.

 

 

Een elektronische trip unit is in feite een computer die voortdurend de stroom meet

Tenslotte elektronische trip units of ETU’s. Dit zijn in feite kleine computertjes die continu meten welke stroom er door de unit gaat. Afhankelijk van de instellingen reageert een ETU vervolgens op deze meetwaarden.

Selectiviteit

Zowel bij zekeringen als bij automaten is sprake van warmteverliezen. Bovendien geldt dat de temperatuur in een PDU dat in bedrijf is altijd hoger is dan de omgevingstemperatuur. Dit is een aspect waar terdege rekening mee moet worden gehouden als we de impact van de omgevingstemperatuur op de beveiligingscomponenten in een PDU goed willen bepalen.

Daarnaast zullen we rekening moeten houden met selectiviteit van beveiligingscomponenten. Een beveiligingscombinatie is selectief als de foutstroom door de eerste bovenliggende beveiliging wordt afgeschakeld. Als we echter meerdere beveiligingen kunnen ‘aanspreken’, dan is deze combinatie niet geheel selectief. De NEN 1010-norm garandeert selectiviteit tussen zekeringen uit dezelfde serie bij een factor van 1,6. Dit wil zeggen dat sprake is van selectiviteit als bij een 100 A zekering een 160 A bovenliggende zekering aanwezig is. De norm werkt weliswaar met een factor 1,6, maar sommige fabrikanten – waaronder Siemens – garanderen een factor van 1,25. In dat geval is dus sprake van selectiviteit als bij een 100 A zekering sprake is van een bovenliggende zekering van 125 A. Hiermee kan worden bespaard op installatie en kabels.

 

 

De temperatuur in een in bedrijf zijnde PDU is altijd hoger dan de temperatuur in de systeemkast

Volgens de uitschakelkarakteristieken van de thermisch-magnetische beveiligingen is er selectiviteit tot de magnetische ondergrens van de bovenliggende beveiliging. De minimale kortsluitstroom van het netwerk onder de automaat moet hoger zijn dan de magnetische beveiliging. Op die manier kan een sluiting gedetecteerd en afgeschakeld worden. Er bestaat selectiviteit wanneer het kortsluitvermogen van het net tussen de magnetische karakteristieken zit.

Daarnaast kan selectiviteit bij thermisch-magnetische automaten worden aangetoond door typetesten door de leverancier.

Elektronische trip units hebben in de basis hetzelfde probleem. Alleen een ETU kan wanneer dit is toegelaten worden ingesteld om een kortsluiting vertraagd af te schakelen. Dit wordt ook wel ‘instantaneously short delayed’ genoemd. In deze vertragingstijd wordt de onderliggende beveiliging de mogelijkheid gegeven om eerst uit te schakelen. Daarnaast kunnen sommige elektronische automaten onderling communiceren, waardoor selectiviteit kan worden geforceerd.

Onderzoeken

Samenvattend kunnen we dus vaststellen dat alle geleiders warmtebronnen zijn. Dat geldt dus ook voor beveiligingscomponenten. De temperatuur in een actieve PDU is altijd hoger dan in de systeemkast. De temperatuur heeft een grote invloed op beveiligingscomponenten. Selectiviteit is bij dit alles zeker niet vanzelfsprekend en zal dus altijd moeten worden onderzocht.

Merijn Dijkema is product manager power distribution components en systems bij Siemens Nederland. Tom Bartels is account manager bij OEC.