Evolving Migration of Power Distribution Evolving Migration of Power Distribution From Under From Under ‐‐ floor floor 

to Overheadto Overhead

David Skeans

Universal Electric

USA

IntroductionIntroductionHello, Good (state time of day), My Name is (state name)Having achieved the degrees of PhDPPT ;  I am now considered an expert in PowerPoint presentations 

so please rest assured that I will not be making the following amateurish mistakes:so please rest assured that I will not be making the following amateurish mistakes:• Using words I cannot properly pronounce• Putting everything word I intend to say on the slide which eliminates the need to memorize but 

makes the presentation crowded, wordy and boring and generally causes the speaker to lose the audience before completion of the first slideaudience before completion of the first slide

• Keeping my back to the audience• Falling to us spiel chuck• Having my zipper down

– ExcessiveExcessive– Use – of – Bull

Et– Et– Points

And of course attempts at humor that are obviously not amusing

Critical Power Distribution at the rack l llevel 

This discussion addresses only the addresses only the distribution system from the PDU to the racks.racks.

This part of the power delivery system has y ynot historically been a strategic focus by most major suppliers although it is critical .

Busway TypesBusway  Types

Common Name Basic Function Design Type Benefits Typical ApplicationBus Bar Power 

TransmissionAir insulated, flat conductor

High current &  momentary

Substation

Bus Tube Power Transmission

Air insulated tubular conductor

High current & momentary, high 

Substationy, g

mech strengthSandwich Bus Bar Power 

TransmissionMultiple, individually insulated 

High current & momentary, compact

Building risers & service entrance

conductorp

Busway (bus bar trunking)

Power Distribution Insulated flat conductor in Al or steel housing

Compact, multiple fixed access points

Manufacturing, industrial, commercialg

Bus Track (Busway) Power Distribution Insulated profiled conductor in Al housing

Compact, lightweight, continuous access distribution points

Data Center, Laboratories

p

Data Center Power Delivery system

 Boa

rd STS PDUCaterpillarD t it Di l

RusselectricOnanA

LiebertPowerware

MGE

ATSUPS

System

Battery

ibution Bo

ard

Distribution 

ution Bo

ard

STS

STS

STS

PDU

PDU

PDU

Detroit DieselCummins

Asco HiTecPiller

•••

Main Sw

itchb

oard

ATS UPS

Distri

on Boa

rd

Distribu

ribu

tion Bo

ard

STS

STS

STS

PDU

PDU

PDU

Gen . Controls

Cutler ‐HammerSiemens

GESquare‐D

IEM

ATS System

BatteryDistributio

Dist

stribu

tion Bo

ard

STS

STS

STS

STS

PDU

PDU

PDU

PDU

Gen . Controls

R l i Dis STS PDU

RAISED FLOOR (APPRX. 75% OF TOTAL FOOTPRINT)

RusselectricOnanAsco

Cutler ‐HammerSiemens

GESquare‐D

IEM Cutler ‐HammerSiemens

GEIEM

ExideGNB

C&D/JohnsonPowerHawker

ELECTRICAL ROOM

Power Distribution

Page 5 12/16/2010 2:16:29 PMPower Transmission

New Challenges Force ChangeNew Challenges Force Change

• Increasing power densitiesIncreasing power densities(typically 4‐6KW, now 12 up to 30, with possibilities of 

70kW per rack) 

• Improved cooling strategiesImproved cooling strategies • Need for scalability• Need for modularityy• Data centre consolidation• Server virtualization• Energy saving initiatives

Traditional Power DistributionTraditional Power Distribution

• Majority use under floor power• Majority use under floor power distribution 

• Typically via cables fed from a distribution panel

• The panel is located on the raised floor in order to reduce voltagefloor in order to reduce voltage drop in smaller conductor

• The panel is normally fed by a secondary breaker typically located in a critical distribution panel or UPS output switch gearpanel or UPS output switch gear.

Traditional 

One whip to each cabinet

PDUA

Distribution Panel

Under Floor Cable Power Distribution

C i   d  fl  Congestion under floor – obstructs air flow

PDUB

Distribution PanelDistribution Panel

Problems with traditional power di t ib tidistribution

Inhibits flexibility : circuit additions yare difficult, requires new cable installation, location of new panel breakers, temporary removal of floor tiles, opening of deadfronts, wire pulling and circuit verificationwire pulling, and circuit verification. 

Restricts airflow; obstructing under floor air currents, someunder floor air currents, some cables are abandoned in place

Not scalable

No modularity

CostlyCostly

Increased risk of human error

Emerging Trend toward overhead distributiondistribution

Over head Cabinet power distribution via an overhead track busway– Allows users to quickly insert or relocate plug‐in units and electrical power 

drops. – Continuous open access and allow for power drops to be inserted instantly 

anywhere along the buswayanywhere along the busway. – Modular, three‐phase systems which consist of electrified copper conductor 

bars within lightweight housing.  – Circuits are added or removed through a turn‐n‐lock insertion process which 

allows users to insert and remove plug‐in units without shutting down power.– Eliminates the need for power distribution panel boards and multiple cables.  – Include a circuit breaker in the plug in unit which improves protection and 

id l l di tiprovides local disconnection means. – Possible to eliminated the raised floor, which significantly reduces data center

construction costs.

Comparison of DC distribution MethodspOH Conduit & 

wireUF 

cableOH cable

OH busway

OH bus track Comments

Requires raised floor N Y N N N Raised floor costs are highCircuit change w/o load  Dependant on amount of 

disruption N N N N Y infrastructure installed initiallySingle & three phase 

available at load N N N Y Y Facilitates load diversityInstallation costs 4 2 3 1 1 1= lowest cost

Restricts cold air flow N Y N N N air flow dampeningRestricts cold air flow N Y N N N air flow dampeningRequires entry/exit 

airflow MGMT N Y N N NBypass air can be created by cable entry/exit points

Load connection at any location Y Y Y N Y

Dependant on amount of infrastructure installed initially

Requires remote circuit identification Y N N Y Y Visual circuit management

Periodic re‐torqueing required N N N Y N

connection joints may require re‐torqueing

Circuit changes reducesCircuit changes reduces static pressure N Y N N N Removing floor tiles impacts cooling 

Circuit protection close to load N N N Y Y

Protection is improved when close to load

Risk of standing water penetration N Y N N N

Fixed physical phase relationship N N N Y Y Reduces mis‐wires

Benefits of over head Track Busway• Flexibility:  add/remove circuits in minutes 

• Non‐disruptive to Power: add/remove circuits without d i i l d

Benefits of over head Track Busway

de‐energizing load

• Improves Energy Efficiency:  overhead power  improves cooling by removing  underfloor cable air dams also reduces bypass airflow by eliminating cable access holesreduces bypass airflow by eliminating cable access holes (brushes, grommets' etc)

• Scalability: power connections can be added as needed deferring costs until cabinets require power

• Modularity: Varying power densities can be fed with the same busway infrastructure

• Easily Configurable: single or three phase loads from the bsame busway

• Low Cost: Generally lower material costs and significantly less labor than traditional methods

• Does not use valuable floor space by eliminating raised• Does not use valuable floor space by eliminating raised floor mounted PDU

Benefits of over head Track Busway• Expandable: higher densities can be easily 

accommodated in the futureR d l bl b l t d t th• Re‐deployable:  can be relocated to other applications with relative ease

• LEEDS recognized: gain Leed’s points because of it’s sustainability (reusable), adaptability (ease of change), scalability (expandable without modification), and energy efficiency (cooling waste reduction

Reduces risk of human error by improving visual circuit management

Improves reliability as electrical connectionsImproves reliability as electrical connections are made via mechanically reducing the risk of a mis‐wire.

Reduces chance of phase overloads because conductor physical location never changes

Plug in box design facilitates live plug in

Paddle(Plug Head)

l i d     

Mounting Tab with Hanger Bolt

Polarized to prevent improper installation

Plug ‐ Guide

Breakers

Enclosure

Receptacles

Typical plug‐in box shown.  Hundreds of configurations are available.

U it i d d hil ti t bUnit is grounded while connecting to busway

Plug Guide on BusGround Tab

Inserting Plug In Into Access SlotInserting Plug‐In Into Access Slot

Plug Head inserted completely into busway

Plug Guide fits firmly around busway housing while enclosure is solidly against the enclosure is solidly against the plug guide.

Plug in unit enclosure is Plug in unit enclosure is bonded to aluminum housing 

during insertion process protecting the installerp g

Rotating Plug‐In Into Access Slot 

Rotate plug‐in such that the Rotate plug‐in such that the blades engage the busbars. Enclosure and Plug Guide firmly pressed up against busway. p p g y

Rotate plug‐in until it is parallel to the busway

NOTE: The typical circuit breaker/ NOTE: The typical circuit breaker/ receptacle faces the direction of the busbar side of busway (B225 & 100A)  

Securing Plug‐In Into Access SlotSecuring Plug‐In Into Access Slot 

Insert hanger bolt on the mounting tabthe mounting tab

Securely tighten hanger bolt to gmounting tab

Typical Plug In modulesBreaker Box yp g

Drop Cord

228 mmOutlet Box

p

203 mm

About the Track Busway

Extruded Aluminum Housing 225A Version Shown

U‐Shaped busbars

Insulators that surround the busbars and provide a “finger p gsafe” product.

Continuous open bottom

Ratings & DimensionsRatings & Dimensions

106 mm128 mm

106 mm145 mm

About the Track Busway

Copper ConductorStab on Plug‐InStab on Plug In Paddle

• Constant “spring” tension created by the U‐Shaped busbarShaped busbar.

• Creates a maintenance‐free connection.

Typical Track Busway SystemSystem

E d C

Threaded Rod Housing Section

Coupler SetsEnd Cap

Hangerg

Tee

End Power Feed Elbow

Benefits of overhead power d bdistribution

Fl ibiliFlexibility

• Allows for technology refreshing

Flexibility to accommodate frequent change without service disruption is mandatory.  

• With overhead flexible power distribution systems, circuits are easily added with very little risk to load. Overhead distribution can accommodate varying loads as the main infrastructure is designed to serve high and low density, single and th h l d f d I d d t fthree phase loads from day one.  Independent of the type of server used, the systems basic infrastructure remains unchanged.

Benefits of overhead power d bdistributionReliability

• Reduces risk of human by improving visual circuit management which reduces the probability• Reduces risk of human by improving visual circuit management which reduces the probability of inadvertent operation of incorrect circuit breakers.  

• Track busway electrical connections are made via mechanical connections thereby significantly reducing the risk of a mis‐wire.

• Track Busway also mechanically fixes the physical relationship between conductors, unlike cable where conductors can be in any physical relationship, thereby reducing the chance of improper phase connections. 

B fit f h d di t ib tiScalabilitySince most centres will not initially run at full capacity they

Benefits of overhead power distribution

Since most centres will not initially run at full capacity, they must be designed with the ability to accommodate sustained growth without interruption of existing services. 

Overhead power systems are designedOverhead power systems are designed to allow for expansion by simply adding on to the existing system or by installation of additionalor by installation of additional systems.  When an additional row of servers is added, simply add another row of over head track busway.  If a row is expanded, just add more track.

Benefits of overhead power d b

ModularityA modular approach provides a plan for overall capacity utilization in a

distributionA modular approach provides a plan for overall capacity utilization in a number of smaller units.  Traditional power distribution methods do not lend themselves to modular 

design concepts as the exact configuration of the load is requiredconfiguration of the load is required at day one.  Overhead track busway systems use a basic infrastructure for all loads. Only the plug in unit is specifically configured for thespecifically configured for the particular load. The basic infrastructure can be added as modules are added and loads connected as they are determinedconnected as they are determined, without changing the track system.

Benefits of overhead power distributionBenefits of overhead power distributionEnergy Efficiency

• Removing the under floor cables and reducing under floor obstructions.

• Cable obstructions make the air distribution very non‐• Cable obstructions  make the air distribution very non‐uniform, creating pressure differentials that can lead to data centre hot spots. High pressure exists upstream of cable, tow pressure downstream; creating large airflow through the upstream perforated tile and low airflow in the downstream perforated tile. Thus, a server rack placed in the downstream region can be starved of cooling air and may overheat. If you remove the cable obstructions, this non‐uniformity will go away.

• “Over head power also mitigates the single biggest offender in the waste of cooling efficiency which is improperly sized raised floor penetrations for cabling that allow bypass air. Although the use of proper airflow management, including seals, brushes, air dams and other accessories can help control bypass air; it becomes a non‐issue when power is delivered overhead.  Under floor cabling also requires that the tiles be removed during circuit additions.  This can significantly decrease static pressure during the time of circuit addition. 

• In some cases, it is possible to gain Leed’s points with overhead track busway as it can be defined to meet the requirements of  sustainability (reusable), adaptability (ease of change), scalability (expandable without modification) and energy efficiency (cooling waste reductionwithout modification), and energy efficiency (cooling waste reduction

• Overhead track busway also shares a common neutral which helps promote material efficiency while phase balancing increases energy efficiency.

Benefits of overhead power distributionBenefits of overhead power distribution

Uniquely suited for POD & container ddesigns

ConclusionsConclusions• The final selection of either an under floor or an 

overhead power distribution system is a balance between construction specifics, operational metrics, physical constraints, and the evolutional demands of the enterprise. That final selection will have to survive the ever changing shape of thehave to survive the ever changing shape of the environment IT supports. In the end, it can be said that there are reasons for installing both under floor and over head power systems in the data centre. Both have their own set of advantages and limitations which have to be taken into account while choosing either of them.  Nevertheless, as a general trend under floor power distribution andgeneral trend, under floor power distribution and subsequently even raised floors are giving way, to overhead track busway power solutions along with a growing number of solid floor designs.