L’esplosione dei carichi di lavoro legati all’IA sta guidando una trasformazione senza precedenti nell’infrastruttura energetica dei data center, spingendo le densità di potenza dei rack verso livelli inimmaginabili fino a pochi anni fa e imponendo il passaggio alle architetture di distribuzione a 800 Volt in Corrente Continua (Vdc). Nel white paper intitolato DC Arc flash analysis: a practical study on 800 Vdc AI data centers, redatto da Schneider Electric – player nella gestione dell’energia e dell’automazione – affronta in modo sistematico il tema critico della valutazione e mitigazione del rischio di arco elettrico (arc flash).
Lo studio analizza se e come i metodi di calcolo tradizionali possano essere applicati a queste architetture avanzate in corrente continua alimentate da convertitori statici, fornendo una guida ingegneristica fondamentale per la progettazione e la sicurezza operativa dei lavoratori.
La sfida dell’arc flash nella transizione a 800 Vdc
L’adozione della distribuzione a 800 Vdc rappresenta la risposta tecnologica più efficiente per alimentare i rack dedicati ai server IA ad alta densità. Tuttavia, l’innalzamento della tensione solleva interrogativi cruciali sulla sicurezza del personale e sulla quantificazione del rischio di arc flash. Le pratiche industriali e le normative attuali, come gli standard Nfpa 70E e Ieee 1584, sono state originariamente sviluppate per i sistemi in corrente alternata (AC) o per reti DC alimentate direttamente da pacchi batterie. Applicare queste metodologie convenzionali ai sistemi a 800 Vdc alimentati da convertitori elettronici di potenza rischia di condurre a valutazioni errate, poiché i convertitori non si comportano come fonti rigide.
Nei sistemi AC tradizionali la corrente di guasto cresce in modo prevedibile ed è governata essenzialmente dall’impedenza della sorgente e dai trasformatori, stabilizzandosi su un valore permanente. Al contrario, nei sistemi a 800 Vdc governati da convertitori statici, la corrente di guasto manifesta un comportamento fortemente variabile nel tempo. Nelle prime frazioni di millisecondo si verifica un picco transitorio guidato dalla scarica dei condensatori di bus (capacitive discharge).
Successivamente, entra in gioco la logica di controllo degli elementi a semiconduttore, capace di limitare attivamente la corrente o di interrompere il circuito. Di conseguenza, i metodi di calcolo semplificati tendono a sovrastimare l’energia incidente erogata, poiché rappresentano il guasto con un unico valore stazionario.
Caso 1 e 2: architettura a livello di rack e centralizzata a impianto
Il primo scenario analizzato nel white paper riguarda una configurazione distribuita a livello di rack, dove un modulo laterale (sidecar) integrato da 660 kW fornisce potenza a un rack IT da 600 kW con server IA attraverso bus a 800 Vdc diffusi a polarità differenziale. La conversione AC/DC e DC/DC avviene in prossimità del carico. L’analisi dell’energia incidente condotta a una distanza di lavoro standard di 18 pollici (46 cm) in condizioni di custodia chiusa e senza l’ausilio di protezioni attive ha fornito risultati estremamente rassicuranti. Utilizzando la modellazione dinamica ad alta fedeltà si registra una riduzione dell’80% rispetto al calcolo teorico di base.
Il secondo scenario esamina una grande architettura centralizzata da 4,8 MW composta da 24 rack IT alimentati da una catena di potenza suddivisa in quattro moduli (con schema di ridondanza 4-per-3). In questo sistema, la conversione AC/DC principale e i sistemi di accumulo Bess erogano potenza direttamente a un quadro di distribuzione Lvdc, che distribuisce l’energia ai rack tramite blindosbarre da 3000 A e fruste di alimentazione da 125 A. La presenza di grandi sorgenti centralizzate e di estese linee di distribuzione incrementa il livello potenziale di corrente di guasto.
Per contenere la corrente di guasto ed evitare che i condensatori dei rack IT a valle alimentino al contrario un guasto verificatosi a monte, l’architettura integra dispositivi di blocco della corrente inversa (come diodi di blocco) a livello dei Psu dei rack. Le simulazioni eseguite a 800 Vdc dimostrano l’efficacia determinante di tali dispositivi: senza diodi di blocco, la corrente di picco al quadro Lvdc raggiungerebbe circa 500 kA, mentre con l’inserimento dei diodi la corrente transitoria viene drasticamente abbattuta (pari a circa il 150% della corrente nominale).
Data center IA ad alta intensità: indicazioni per la progettazione
I risultati ottenuti dal white paper di Schneider Electric forniscono indicazioni chiare per i progettisti, i manager delle infrastrutture e i responsabili della sicurezza nei data center. In primo luogo, la valutazione del rischio di arc flash deve essere considerata un parametro di progettazione architetturale fin dalle fasi preliminari del progetto, includendo l’analisi della topologia dei convertitori, la collocazione dei condensatori e l’inserimento di dispositivi di blocco bidirezionale. In secondo luogo, nelle specifiche di acquisto delle apparecchiature è fondamentale richiedere ai fornitori i dati dinamici di risposta ai guasti, quali le capacità di uscita, i tempi di limitazione della corrente e i tempi di isolamento.
Inoltre, è consigliabile adottare un approccio analitico progressivo: i metodi normativi semplificati rappresentano un eccellente punto di partenza conservativo, ma quando i valori calcolati si avvicinano alle soglie di cambio categoria dei Dpi, è indispensabile ricorrere a simulazioni dettagliate nel dominio del tempo tramite strumenti quali Etap o Simulink.
Infine, per facilitare l’iter autorizzativo con le autorità competenti e gli enti di ispezione, la condivisione proattiva della metodologia di calcolo e dei dati di simulazione si rivela determinante per dimostrare la conformità sostanziale allo spirito della norma Nfpa 70E. Schneider Electric ha avviato sessioni di test di laboratorio su scala reale per validare ulteriormente sul campo i modelli matematici presentati, confermando la piena fattibilità tecnica e la sicurezza dei sistemi a 800 Vdc nell’era dell’intelligenza artificiale.
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