Monitoramento de temperatura de transformadores e equipamentos elétricos em data centers

Sensores de sala, medições nas entradas de ar dos racks e dados do sistema de resfriamento descrevem o ambiente de um data center. Eles não medem a temperatura interna de transformadores, painéis ou outros componentes de distribuição elétrica. O monitoramento desses equipamentos exige pontos específicos, sondas adequadas e canais associados a cada posição, permitindo interpretar a leitura no contexto do componente observado.

A infraestrutura elétrica crítica produz seu próprio calor. Transformadores de data centers, comutadores e conexões de barramentos transportam corrente sustentada e cada um contém pontos sensíveis à temperatura, como camadas de enrolamento e juntas aparafusadas, que os sensores de ar ambiente não conseguem representar. Um sensor de temperatura de data center colocado em um corredor não mostrará o que está acontecendo dentro do gabinete de um transformador ou em uma conexão carregada.

A medição em nível de equipamento é o escopo abordado aqui. A detecção de umidade, o controle HVAC e o monitoramento ambiental no nível do rack são deixados de lado. O foco está na medição de pontos definidos em transformadores e outros equipamentos elétricos, onde a detecção por fibra óptica fluorescente se torna relevante e onde os sensores convencionais ainda fazem o trabalho em muitos casos.

O monitoramento da temperatura do data center tem duas camadas diferentes

As pesquisas por monitoramento de temperatura de data center retornam principalmente produtos ambientais, e esse conteúdo é útil para o que cobre. Duas camadas precisam ser separadas antes de qualquer hardware ser escolhido, pois elas respondem a perguntas diferentes com sensores diferentes.

Monitoramento Ambiental em Nível de Instalação

O monitoramento no nível da instalação rastreia a temperatura ambiente, as condições de entrada e saída do rack, o fluxo de ar e o desempenho do HVAC. Os sensores de monitoramento de temperatura do data center para essa camada são distribuídos por espaços em branco e instalações de resfriamento, e sua função é manter as condições do ar dentro da faixa necessária para o equipamento de TI.

A INNO não fornece esses produtos e eles estão fora do escopo de produto principal da INNO. Para obter informações básicas sobre os tipos de sensores em uma instalação, consulte o artigo da INNO sobre sensores de temperatura para data centers .

Monitoramento de temperatura de equipamentos elétricos

O monitoramento de equipamentos elétricos tem como alvo transformadores, enrolamentos, comutadores, conexões de barramentos e componentes selecionados de alta tensão. O calor nesses locais provém da corrente de carga, das perdas e da resistência de contato, e não das condições do ambiente. O ar ambiente pode permanecer dentro de sua faixa normal enquanto uma camada enrolada ou junta aparafusada fica mais quente que o ar circundante, portanto a temperatura ambiente não pode substituir a temperatura do equipamento.

Um sistema de monitoramento de temperatura do data center construído em torno dessa camada coloca sensores em pontos definidos do equipamento e os lê por meio de um instrumento de monitoramento. Esse tipo de monitoramento térmico de data centers complementa o monitoramento ambiental em vez de substituí-lo: os sensores das instalações mostram o que o ar está fazendo e os sensores dos equipamentos mostram o que o hardware elétrico está fazendo. A mesma lógica de ponto de medição se aplica ao monitoramento mais amplo de temperatura industrial .

Por que a temperatura do transformador é importante na infraestrutura de energia de data centers

Os transformadores do data center ficam no caminho de energia entre a fonte de entrada e a distribuição que alimenta as cargas de TI e de resfriamento. Os transformadores da subestação elétrica do data center lidam com a primeira etapa de tensão dentro da instalação, e as unidades de baixa tensão que atendem aos corredores ou blocos de energia ficam mais a jusante. Os transformadores da subestação do data center em qualquer nível dependem de que as temperaturas do enrolamento e da conexão permaneçam dentro dos limites para os quais a unidade foi projetada.

As cargas do data center podem ser contínuas e exigentes, o que mantém os transformadores em corrente sustentada por longos períodos. A temperatura interna do enrolamento pode diferir significativamente da temperatura ambiente e o aquecimento localizado pode não aparecer nas medições externas. As leituras do invólucro e da superfície refletem o calor que atingiu o exterior, o que pode atrasar ou subestimar as condições em um ponto de enrolamento incorporado.

O monitoramento em nível de equipamento apoia decisões de manutenção e operação, fornecendo aos engenheiros dados de temperatura para comparação com a carga, com outras unidades e com comportamento anterior. Os dados de temperatura não evitam falhas por si só e não garantem a vida útil. Ele fornece evidências que as decisões de inspeção e operação podem usar.

Para qualquer transformador de data center único, as temperaturas permitidas vêm do projeto do fabricante e dos requisitos aplicáveis ​​do projeto, e não de um valor geral. Portanto, o monitoramento do transformador do data center tende a combinar a instrumentação que a unidade já possui com a medição direta em pontos selecionados onde mais informações são necessárias. Os detalhes da aplicação são abordados no INNO's monitoramento de temperatura do transformador página.

Causas de superaquecimento em transformadores do tipo seco para data centers

As causas de superaquecimento em transformadores a seco de data centers se enquadram em três grupos: carga elétrica, resfriamento e ambiente, e aquecimento local nas conexões. Vários podem agir juntos e nenhuma causa explica cada aumento de temperatura.

Carregamento e Causas Elétricas

O carregamento sustentado aumenta a temperatura do enrolamento de forma constante, e os perfis de carga contínuos do data center mantêm esse aquecimento no local por longos períodos. Perdas adicionais relacionadas a harmônicos podem contribuir quando cargas não lineares no sistema elétrico produzem correntes harmônicas. Se isso é importante depende da combinação de cargas e do projeto do transformador. O aquecimento irregular dos enrolamentos também pode surgir devido ao desequilíbrio de fases ou diferenças de construção entre os enrolamentos.

Causas Ambientais e de Resfriamento

O fluxo de ar de resfriamento restrito reduz a remoção de calor dos enrolamentos e do núcleo. Caminhos de ventilação bloqueados, espaço livre limitado ao redor da unidade e ventilação insuficiente do ambiente se enquadram nesta categoria. Problemas de resfriamento por ventilador ou ar forçado são importantes onde tal resfriamento é instalado. Poeira, contaminação ou degradação de superfícies e dutos de resfriamento podem reduzir a dissipação de calor ao longo do tempo, e um ambiente de instalação inadequado, como temperatura ambiente elevada, aumenta a carga térmica. Condições operacionais anormais fora da base do projeto também pertencem aqui.

Aquecimento Local nas Conexões

A resistência da conexão local produz calor em uma junta e não no enrolamento. Terminais soltos ou degradados e conexões de barramento podem aquecer enquanto os sensores do enrolamento leem normalmente, razão pela qual os pontos de conexão são frequentemente tratados como alvos de medição separados.

Interpretando sintomas de temperatura

Diferentes causas podem produzir sintomas de temperatura semelhantes. Uma leitura crescente pode refletir uma carga mais elevada, um arrefecimento reduzido ou um problema de ligação em desenvolvimento, pelo que os dados de temperatura têm de ser lidos juntamente com os registos de carga, o estado de arrefecimento e os resultados da inspeção. A manutenção do transformador do data center pode combinar a inspeção periódica com os sensores instalados por esse motivo. Mais informações estão disponíveis no artigo da INNO sobre o que causa pontos quentes em transformadores .

Onde a temperatura deve ser medida em transformadores de data centers

A localização do sensor determina o que significa uma leitura. Cinco categorias de medição são frequentemente confundidas:

• Temperatura ambiente: ar na sala ou gabinete. Descreve o ambiente, não o equipamento.
• Temperatura da superfície: superfícies externas de gabinetes, núcleos e componentes acessíveis, alcançáveis por sondas de contato ou imagens térmicas.
• Temperatura do enrolamento: condições dentro da estrutura da bobina, que podem ser inferidas de outros dados ou medidas diretamente nos pontos instalados.
• Pontos de medição de ponto quente definidos: locais selecionados, com base no projeto do transformador, onde as temperaturas mais altas são esperadas.
• Terminal e temperatura de conexão: juntas aparafusadas e cabos, quando relevante para o projeto.

As sondas de fibra óptica fluorescente medem o local físico onde a ponta de detecção está instalada. Uma sonda não procura o ponto mais quente e reporta a temperatura mais alta do enrolamento apenas se a sua ponta estiver nesse local. Vários pontos definidos requerem múltiplas sondas.

O posicionamento prático depende do projeto do transformador. Os candidatos incluem posições de enrolamento selecionadas, zonas térmicas críticas esperadas identificadas no projeto, conexões elétricas selecionadas e locais especificados pelo fabricante do transformador ou pela equipe de engenharia. O acesso aos interiores sinuosos depende da construção, pelo que as posições de embutimento são normalmente acertadas com o fabricante. Os artigos da INNO sobre onde os sensores de temperatura são colocados nos enrolamentos do transformador e quantos sensores de temperatura de fibra óptica são usados ​​para os enrolamentos do transformador entram na colocação e contagem de sondas. Nenhum número fixo de pontas de prova se aplica a cada transformador.

Métodos de monitoramento de temperatura para transformadores de data center

Quatro abordagens de detecção aparecem no monitoramento de transformadores e equipamentos elétricos. Cada um tem um lugar e a escolha certa depende do ponto de medição.

Medição RTD/Pt100

Os sensores RTD e Pt100 são sensores de contato estabelecidos com um longo histórico em equipamentos industriais. Os condutores elétricos passam entre o elemento sensor e a instrumentação, o que é aceitável em muitos locais convencionais. A posição de instalação e o ambiente elétrico decidem até que ponto eles se adequam a um determinado ponto, especialmente perto de alta tensão ou em campos fortes onde o roteamento dos condutores precisa ser revisado.

Termopares

Os termopares são simples, familiares e usados em muitas aplicações industriais. Seus condutores metálicos podem torná-los menos adequados em alguns pontos de alta tensão ou em ambientes eletromagnéticos fortes, onde o roteamento e a blindagem precisam de atenção. Em locais normais, sem essas restrições, continuam a ser uma escolha prática.

Imagem infravermelha e térmica

A medição infravermelha e a imagem térmica são métodos sem contato para superfícies acessíveis. A inspeção termográfica periódica é valiosa para encontrar conexões quentes e anomalias de superfície sem hardware instalado. A imagem térmica não pode medir diretamente pontos de enrolamento embutidos e escondidos dentro da construção do transformador, apenas o que atinge uma superfície visível. A comparação do INNO entre medição de temperatura pontual versus medição de temperatura sem contato cobre a distinção com mais detalhes.

Sensor de temperatura por fibra óptica de fluorescência

A detecção de fibra óptica de fluorescência é um método de medição pontual. Cada sonda mede um local definido, fornece isolamento elétrico entre o ponto de detecção e o instrumento e possui alta resistência à interferência eletromagnética. Nenhum condutor metálico de detecção elétrica está presente no ponto de medição, o que o torna adequado para enrolamentos definidos e pontos internos. Instrumentos multicanal podem ler diversas sondas, e o método é útil quando é necessária medição direta incorporada. Informações técnicas estão disponíveis nas páginas da INNO para tecnologia de detecção de temperatura de fibra óptica fluorescente e sensores de temperatura de fibra óptica .

Comparação de métodos de monitoramento de temperatura

A seleção do método depende dos requisitos de isolamento elétrico, do local de medição e seu acesso, do ambiente circundante, da arquitetura de monitoramento, do número de pontos necessários, das necessidades de precisão e resposta e dos requisitos de integração. Muitas instalações utilizam mais de um método: imagens térmicas para levantamentos periódicos de superfícies acessíveis, sensores convencionais onde as condições permitem e sondas de fibra óptica em pontos onde o isolamento ou a incorporação determinam a escolha. Nenhuma linha na tabela é a resposta certa para cada ponto.

Monitoramento de ponto quente de enrolamento direto com sensores de fibra óptica de fluorescência

A temperatura do enrolamento pode ser conhecida de três maneiras diferentes, e cada uma responde a uma pergunta diferente:

• Temperatura do enrolamento calculada ou inferida: derivada de um modelo térmico, corrente de carga e uma temperatura de referência medida.
• Temperatura da superfície: medida em pontos externos acessíveis e relacionada ao enrolamento apenas indiretamente.
• Medição direta em um ponto incorporado: uma sonda instalada em um local escolhido na estrutura do enrolamento informa a temperatura naquele local.

A medição direta não substitui os modelos térmicos ou o monitoramento convencional. Ele adiciona dados reais de temperatura de locais selecionados, que os engenheiros podem comparar com valores calculados e usar junto com a proteção e monitoramento existentes.

As sondas de fibra óptica fluorescente funcionam através de material de detecção fluorescente na ponta da sonda. O tempo de decaimento da fluorescência muda com a temperatura e o instrumento de monitoramento analisa a resposta óptica retornada através da fibra. Os sinais viajam como luz e a estrutura de detecção não é metálica quando aplicável, de modo que as sondas podem ficar próximas a enrolamentos energizados com isolamento elétrico e alta resistência a interferências eletromagnéticas. Mais informações sobre a abordagem de medição estão disponíveis no INNO's medição de temperatura de fibra óptica página.

Em programas de monitoramento de temperatura de data centers que incluem transformadores, as sondas diretas fornecem uma camada de monitoramento de transformadores de data centers que os sensores de ambiente não podem fornecer. Um sensor de temperatura para salas elétricas de data centers e uma sonda de enrolamento têm finalidades diferentes e ambos podem funcionar na mesma instalação. As sondas ainda medem apenas a localização de suas próprias pontas, portanto, o posicionamento sensato é mais importante do que a contagem de sondas. Consulte as páginas do INNO sobre monitoramento direto de ponto quente e como a temperatura do enrolamento do transformador é medida . As configurações empacotadas para enrolamentos são descritas no pacote de monitoramento de temperatura de fibra óptica do enrolamento do transformador .

Arquitetura típica de monitoramento de fibra óptica

O fluxo de sinal em um sistema de fibra óptica fluorescente segue uma cadeia curta:

 Sonda de fibra óptica de fluorescência
→ Conexão de fibra óptica / extensão (quando necessário)
→ Transmissor/demodulador de temperatura de fluorescência
→ Dados digitais de temperatura
→ RS485 / Modbus RTU (quando aplicável)
→ PLC/SCADA ou plataforma de monitoramento de nível superior 

As sondas ficam nos pontos de medição definidos. A fibra óptica transporta o sinal para fora do equipamento e uma conexão de extensão une as seções de fibra onde o roteamento exige. As conexões ópticas usam conectores ST nas configurações aplicáveis.

Transmissores ou demoduladores de temperatura de fluorescência convertem a resposta óptica em valores digitais de temperatura. Os instrumentos multicanais leem diversas sondas em uma unidade. INNO's transmissor de temperatura de fibra óptica multicanal é um exemplo deste tipo de instrumento.

Os dados digitais saem do instrumento por meio de RS485 e Modbus RTU em instrumentos de monitoramento aplicáveis ​​e, em seguida, chegam a um PLC, sistema SCADA ou plataforma de monitoramento de nível superior. O escopo do INNO é desde a cadeia de medição até dados digitais de temperatura. A exibição, o registro e o tratamento de alarmes no nível da planta pertencem aos próprios sistemas do local, e a integração depende da arquitetura do local e dos requisitos de interface. INNO não fornece uma plataforma DCIM. As páginas sobre sistemas de monitoramento de temperatura de fibra óptica e integração de sistemas PLC e SCADA cobrem o lado da integração.

Monitoramento de temperatura multiponto para equipamentos elétricos de data center

Muitas vezes são necessários vários pontos de medição definidos porque o equipamento elétrico aquece de forma desigual. Um transformador pode ter várias posições de enrolamento de interesse e os pontos de conexão ficam separados dos enrolamentos. Os locais monitorados típicos incluem:

• Pontos de enrolamento do transformador
• Conexões do transformador
• Conexões do painel
• Juntas aparafusadas do barramento
• Pontos selecionados de equipamentos elétricos de alta tensão

Uma sonda equivale a um ponto e múltiplas sondas fornecem vários pontos independentes. A detecção do ponto de fluorescência não fornece monitoramento contínuo da temperatura do cabo e não existe nenhum valor entre os locais das sondas. A temperatura em um ponto sem sonda é desconhecida.

Instrumentos multicanais simplificam a aquisição centralizada: sondas de vários locais se conectam a um instrumento e um link de comunicação realiza todas as leituras. A contagem de canais segue o número de pontos definidos.

Para obter detalhes de configuração, consulte a página do INNO sobre monitoramento de temperatura multiponto . As aplicações de comutadores são abordadas em monitoramento de temperatura de comutadores , e a página sistema de monitoramento de temperatura de fibra óptica de comutadores descreve a configuração do pacote. As juntas aparafusadas usam estruturas de sonda dedicadas, como a sonda de temperatura de fibra óptica de conexão de parafuso de barramento .

Parâmetros típicos de monitoramento de fibra óptica de fluorescência INNO

Os valores típicos dependem da configuração do probe e do sistema. A tabela abaixo lista uma configuração típica de fibra óptica de fluorescência INNO, e a página da sonda de temperatura de fibra óptica de fluorescência padrão fornece detalhes em nível de produto.

Os valores na tabela descrevem configurações típicas e não devem ser tratados como especificações universais para todos os produtos INNO.

Escolha de um sistema de monitoramento de temperatura de data center para transformadores

A seleção funciona melhor como um fluxo de trabalho de engenharia em que cada decisão restringe a próxima.

Definir os pontos de medição reais

O tipo de transformador vem em primeiro lugar, uma vez que as unidades do tipo seco e imersas em óleo diferem em construção e acesso. Seguem locais sinuosos, com pontos acessíveis separados dos embutidos. A contagem de pontos vem dessa lista. A necessidade de medição direta do enrolamento depende do monitoramento que a unidade já possui e das informações de que o projeto necessita.

Combine a tecnologia do sensor com o ambiente elétrico

Nível de tensão, interferência eletromagnética, requisitos de isolamento e campos fortes influenciam a escolha do sensor. Os materiais dos sensores e o roteamento dos cabos também são importantes, uma vez que os condutores condutores passam pelo mesmo espaço que as peças energizadas. Onde os pontos de medição ficam próximos à alta tensão, revise as orientações do INNO sobre monitoramento de temperatura de equipamentos de alta tensão .

Determinar a contagem de canais e a expansão do sistema

A contagem de canais deve seguir os pontos de medição definidos. A capacidade sobressalente pode ser adicionada de acordo com os requisitos do projeto, por exemplo, para pontos adicionados durante o comissionamento. Nenhum número de canal universal se aplica, porque um projeto com alguns pontos de enrolamento difere de outro que inclui conexões de painéis de distribuição em várias salas.

Definir integração de dados e alarmes

As decisões aqui abrangem se um instrumento de monitoramento local é necessário, se RS485 e Modbus RTU são suficientes e qual sistema PLC ou SCADA recebe os dados. A estratégia de alarme deve partir do projeto do equipamento e dos requisitos operacionais. Os limites são definidos por projeto e não são valores genéricos.

Revise os requisitos de instalação antes de fazer o pedido

A estrutura da sonda, o comprimento da fibra, o roteamento, os conectores e o acesso à instalação precisam de confirmação em relação à construção do transformador e à interface do sistema. Os comprimentos da rota da fibra, da sonda ao instrumento, decidem a ordem do comprimento da fibra. O artigo da INNO sobre como escolher um sistema de monitoramento de temperatura de fibra óptica aborda esses pontos com mais detalhes.

Sensores de temperatura de data center: quando a detecção de fibra óptica é a melhor opção

Sensores de temperatura de data centers para equipamentos elétricos se enquadram na categoria de fibra óptica quando condições específicas se aplicam. Vale a pena considerar a detecção de fibra óptica de fluorescência quando:

• O ponto de medição fica próximo à alta tensão
• É necessário isolamento elétrico
• É necessária medição de enrolamento incorporada
• Campos eletromagnéticos fortes complicam a fiação do sensor metálico
• Vários pontos definidos requerem medição óptica centralizada
• As medições convencionais de superfície não fornecem as informações necessárias sobre temperatura interna

A detecção por fibra óptica não é automaticamente a melhor escolha em outros lugares. O monitoramento normal da temperatura ambiente, o monitoramento da umidade, o sensor HVAC geral de baixo custo e os pontos ambientais acessíveis comuns são melhor atendidos por sensores ambientais convencionais. As sondas de fluorescência agregam valor onde as condições de isolamento, incorporação ou campo determinam os requisitos, e acrescentam custo e complexidade onde essas condições estão ausentes.

Dois artigos da INNO cobrem o lado elétrico: por que sensores de temperatura de fibra óptica são usados perto de alta tensão e medição de temperatura em campos eletromagnéticos fortes .

Monitoramento de transformadores versus monitoramento ambiental geral de data centers

A escolha de um monitor de temperatura do data center ou de um dispositivo de monitoramento de temperatura do data center começa com a decisão a qual linha desta tabela a medição pertence. O monitoramento de temperatura do data center para ar ambiente e racks usa uma classe de produto diferente do monitoramento dentro de um transformador, e a combinação das duas camadas fornece uma imagem mais completa do que qualquer uma delas isoladamente.

Perguntas práticas para um projeto de monitoramento de transformadores de data center

As discussões de RFQ e de engenharia avançam mais rapidamente quando o lado do transformador é definido primeiro. O tipo e a construção do transformador, tipo seco ou imerso em óleo, definem o que é fisicamente alcançável, e o número de transformadores define a escala do sistema. Os locais de medição pretendidos se transformam então em uma contagem de pontos de temperatura.

A estrutura da ponta de prova e o comprimento da fibra dependem desses locais e do roteamento de cada transformador para o instrumento. A faixa de temperatura esperada, os requisitos de precisão e os canais de instrumento necessários vêm do objetivo de monitoramento. Se a comunicação RS485 ou Modbus RTU é necessária e qual interface PLC ou SCADA recebe os dados, pertencem à mesma conversa. Restrições de instalação, como acesso durante a fabricação ou janelas de interrupção para unidades existentes, completam o quadro.

Engenheiros que trazem uma lista de pontos, uma descrição em uma linha de cada transformador e a interface da planta alvo geralmente conseguem obter uma resposta de configuração específica com poucas idas e vindas.

Construindo a arquitetura correta de monitoramento de temperatura para transformadores de data center

O monitoramento ambiental por si só não mostra todas as condições de temperatura interna dos equipamentos elétricos. Sensores de ambiente e de rack descrevem o ar, enquanto transformadores, comutadores e conexões de barramento têm suas próprias fontes de calor e seus próprios pontos críticos.

O monitoramento do transformador e do enrolamento depende dos pontos de medição escolhidos de acordo com o projeto do equipamento, cabendo ao fabricante ou à equipe de engenharia definir onde as temperaturas são importantes. Os sensores convencionais permanecem adequados em muitos desses pontos. Sensores de fibra óptica fluorescentes são úteis onde são necessárias medições pontuais diretas, isolamento elétrico e alta resistência a interferências eletromagnéticas, e medem apenas os locais onde as sondas estão instaladas.

A contagem de canais e as interfaces de comunicação deverão seguir o projeto: o número de pontos definidos, a configuração do instrumento e os requisitos de RS485, Modbus RTU, PLC ou SCADA no local.

Detalhes do projeto, como tipo de transformador, pontos de medição pretendidos e interface da planta, podem ser enviados para entrar em contato com INNO para uma revisão de configuração.