Disjuntores e corrente de arranque em servidores de IA

A queixa que mais ouvimos depois da instalação de um servidor de IA é uma variante de "o disjuntor não para de disparar". Em cerca de metade dos casos o rack está bem em média — as GPU funcionam, o BMC mantém-se ativo, os gráficos SNMP parecem razoáveis — e, ainda assim, em momentos imprevisíveis o quadro dispara e a sala fica às escuras. Menos vezes, quem dispara é o dispositivo de corrente residual (RCD), o que é ainda mais frustrante, porque a carga parece equilibrada e o equipamento parece saudável.

Pela nossa experiência, nenhum dos sintomas corresponde habitualmente a uma sobrecarga. Em cerca de metade dos casos trata-se da curva de disparo errada no MCB — normalmente um disjuntor de curva B instalado por um eletricista que partiu do princípio de que a computação de IA se comporta como a informática de escritório. Em cerca de 30% dos casos trata-se do tipo de RCD errado, em que se pede a um dispositivo do Tipo AC ou Tipo A que distinga fugas com componente contínua provenientes de um conjunto de fontes de alimentação de servidor com correção PFC. Os restantes 20% são uma sobrecarga real, quase sempre no momento em que várias fontes de alimentação arrancam a frio em simultâneo e a envolvente de corrente de arranque excede por breves instantes tudo o que o consumo médio faria prever.

Este artigo é o complemento, do lado elétrico, ao W04 (dimensionamento de fontes de alimentação) e ao P02 (tipos de PDU). Aborda o que as curvas de disparo significam realmente segundo a IEC 60898, o comportamento real da corrente de arranque das fontes de alimentação que fornecemos, quando é que a redução de 80% para cargas contínuas se faz sentir e que tipo de RCD especificar para um rack de fontes de alimentação comutadas de servidores de IA. No final, exemplos práticos para uma configuração 5090 de 4 GPU e para uma de 8 GPU.

O que um MCB mede realmente — dois mecanismos de disparo num só dispositivo

Todos os disjuntores miniatura segundo a IEC 60898 têm dois mecanismos de proteção dentro da mesma caixa.

O elemento térmico é uma lâmina bimetálica que aquece com a corrente ao longo de muitos segundos. Modela o perfil I²t que determina se um cabo está a sobreaquecer. Segundo a IEC 60898, os pontos térmicos convencionais são: a 1.13 × a corrente estipulada do disjuntor (In) o dispositivo não pode disparar dentro do tempo convencional (tipicamente > 1 hora para calibres ≤ 63 A) e, a 1.45 × In, tem de disparar dentro do tempo convencional. É esta a parte que protege o condutor de uma sobrecarga prolongada.

O elemento magnético é uma bobina eletromagnética que abre os contactos numa fração de meio ciclo quando a corrente ultrapassa um limiar fixo. É esta a parte que protege contra curto-circuitos — e a parte que decide se a corrente de arranque do seu servidor de IA é "tudo bem, um pico curto" ou "disparo, até amanhã".

A letra da curva de disparo (B, C, D) indica a banda do limiar magnético. A característica térmica é igual em todas as curvas para o mesmo In; só o ponto magnético difere.

Para um disjuntor de 16 A, os limiares magnéticos são aproximadamente: o B16 dispara acima de 48–80 A; o C16 dispara acima de 80–160 A; o D16 dispara acima de 160–320 A. O ponto exato dentro de cada banda depende do fabricante e da temperatura.

A maioria dos edifícios residenciais e de pequeno comércio da UE vem com disjuntores de curva B por predefinição. Essa escolha é correta para tomadas de escritório, iluminação e cargas resistivas. É a predefinição errada para um circuito de servidor de IA, por razões que vamos agora percorrer.

O comportamento real da corrente de arranque das fontes de alimentação — a parte que as fichas técnicas subestimam

Quando uma fonte de alimentação de servidor é ligada à corrente e arranca a frio, a primeira tarefa do andar de entrada é carregar os condensadores de filtragem do lado DC. São tipicamente de 470 µF a 2200 µF, para 400 V ou 450 V, colocados a seguir à ponte retificadora. A partir do zero, comportam-se praticamente como um curto-circuito para a linha AC durante algumas centenas de microssegundos, até a tensão aos terminais do condensador se aproximar da tensão de pico da linha.

O mecanismo usado na maioria das fontes de alimentação decentes é um termístor NTC (coeficiente de temperatura negativo) em série com a entrada. A frio, apresenta 5–20 Ω; a corrente de arranque aquece-o em milissegundos, a resistência cai para alguns por cento do valor a frio e o termístor torna-se praticamente transparente em regime permanente. A desvantagem é que um NTC precisa de arrefecer depois de um ciclo de alimentação — uma fonte que acabou de funcionar e esteve desligada dez segundos pode ter uma corrente de arranque quase como se não existisse limitador, porque o termístor continua quente e com baixa resistência.

Os módulos CRPS de nível servidor acrescentam frequentemente um limitador ativo de corrente de arranque: um relé ou MOSFET que faz o bypass a uma resistência limitadora de corrente assim que os condensadores de filtragem estão carregados. Isto combina a proteção no arranque a frio de um NTC com a independência do arrefecimento de um interruptor físico. Os módulos CRPS na gama 1.6–3 kW têm tipicamente melhor comportamento na corrente de arranque do que as unidades ATX da mesma potência, em parte porque o circuito ativo é normalizado, em parte porque o pressuposto de impedância da fonte (centro de dados a 230 V) é mais apertado.

Duas consequências para o projeto de um rack de IA:

1. O pico de corrente de arranque indicado na ficha técnica é à tensão nominal e com uma impedância de fonte "típica". A 245 V (limite superior da tolerância na UE), numa alimentação curta e de baixa impedância a partir de um quadro próximo, o pico pode ser 1.5–2× o valor indicado. Já medimos picos de 180 A numa unidade ATX de 1500 W especificada para 100 A.
2. Várias fontes de alimentação a arrancar em simultâneo somam os respetivos picos de corrente de arranque. O ciclo da rede é o mesmo para todas; se quatro fontes estiverem ligadas ao mesmo circuito e fecharem os interruptores de entrada no mesmo instante, o disjuntor vê cerca de 4× o pico de cada fonte. Um servidor com 4× 5090 e duas fontes ATX de 2 kW (~150 A de pico cada no pior caso) arranca brevemente com um pico de ~300 A. Um disjuntor B16 (limiar magnético 48–80 A) dispara. Um C16 (80–160 A) dispara no pior caso. Um C32 (160–320 A) aguenta.

É este o mecanismo por detrás da queixa mais comum: "o meu novo servidor de IA não para de disparar o disjuntor". A carga contínua está bem. O que dispara é a envolvente de corrente de arranque a frio.

Redução para cargas contínuas — a regra dos 80% que apanha as cargas de trabalho de IA

A prática na UE (e o espírito da IEC 60364) é reduzir a corrente contínua admissível de um disjuntor para cerca de 80% do valor nominal nas cargas que consomem corrente de forma contínua durante mais de três horas. A América do Norte codifica-o na NEC 210.20(A); a Europa aplica-o como boa prática e não como regra única e rígida, mas a física subjacente — aquecimento do bimetal no disjuntor, aquecimento do condutor no cabo — é idêntica.

A inferência e o treino de IA são explicitamente cargas contínuas. Um endpoint vLLM a servir um modelo de 70B com um fluxo constante de pedidos consome 80–95% do TDP nominal da GPU durante horas. Uma sessão de treino é ainda mais uniforme. A redução de 80% aplica-se integralmente — não há qualquer exceção de "carga intermitente de pico" para cargas de trabalho de IA, porque a carga é exatamente o tipo de consumo prolongado contra o qual a redução existe para proteger.

Um servidor com 4× 5090 a 2.4 kW em contínuo situa-se nos 81% da corrente contínua admissível de um disjuntor B/C de 16 A, ou seja, mesmo em cima da linha. Com um disjuntor de curva B, a linha está bem em média e dispara na corrente de arranque. Com um disjuntor de curva C, a linha está bem em média e dispara ocasionalmente em picos transitórios coincidentes nas quatro GPU. Com um disjuntor C de 20 A ou de 25 A, a linha tem margem real e nunca dispara. É por isso que a nossa recomendação por omissão para uma configuração 5090 de 4 GPU é um circuito dedicado C de 20 A ou de 25 A, e não o circuito de 16 A em que as contas "cabem".

Escolha da curva de disparo para a gama Kentino AI

Duas notas sobre esta tabela:

• A curva D raramente é a resposta certa. O D de 10–20× In destina-se à corrente de arranque de energização de transformadores e de arranque de motores, que pode prolongar-se por centenas de milissegundos. A corrente de arranque de uma fonte de alimentação é um acontecimento de menos de um milissegundo a alguns milissegundos. Um disjuntor de curva D tolera a corrente de arranque sem esforço, mas perde sensibilidade na proteção contra curto-circuitos no extremo da carga de um troço de cabo longo. Fique-se pelo C, salvo razão específica em contrário.
• Subir um calibre de disjuntor é quase sempre mais barato do que subir uma curva. Um C de 20 A num cabo devidamente dimensionado representa uma troca de peça de €15 face a um C de 16 A. Passar de B para C no mesmo calibre também é uma troca de peça, mas contraria a opção de projeto do eletricista original. Qualquer das abordagens funciona; nós costumamos fazer as duas — passar para curva C e subir um calibre — para deixar espaço à segunda fonte de alimentação que acabará por acrescentar.

Porque é que as fichas técnicas dos fabricantes subestimam a corrente de arranque real

Três razões pelas quais o valor de corrente de arranque da ficha técnica é o mínimo, e não o máximo:

1. As medições dos fabricantes são a 230 VAC nominais. A rede da UE pode situar-se nos 245 V ou acima disso em algumas regiões e nas horas de menor consumo. O pico de corrente de arranque cresce linearmente com a tensão da linha acima da tensão do condensador parcialmente carregado. Uma corrente de arranque de 100 A a 230 V passa a 107 A a 245 V — efeito pequeno, mas que se soma aos restantes.
2. A impedância de fonte assumida na ficha técnica é a de uma fonte de laboratório "típica", muitas vezes de algumas centenas de miliohms. Uma instalação real, com o quadro na mesma sala do rack e um troço de alimentação curto, pode apresentar uma impedância de fonte inferior a 100 mΩ. Menor impedância de fonte significa menor queda de tensão durante o arranque, o que significa uma corrente de pico mais elevada. Já vimos a mesma fonte de alimentação consumir um pico de 80 A num troço de cabo longo e de 140 A num curto.
3. O estado de pré-carga do barramento DC conta num ciclo de alimentação rápido. Uma fonte desligada durante alguns segundos e novamente ligada pode encontrar os condensadores de filtragem quentes e com carga residual — normalmente isso ajuda, com menos corrente de arranque. Mas uma fonte desligada durante alguns segundos com um NTC frio que ainda não voltou ao estado inicial e com condensadores parcialmente descarregados pode produzir um curioso segundo embate de corrente de arranque que excede o valor do arranque a frio. É raro, mas surge em racks onde alguém anda a fazer ciclos de alimentação através de uma PDU comutada durante a depuração.

A resposta prática é assumir que o pico no pior caso é cerca de 2× o valor da ficha técnica ao dimensionar a curva do MCB. É esta a razão pela qual a tabela acima chega a C de 20–25 A para configurações de 4 GPU e a C de 32 A ou trifásico para configurações de 8 GPU, ainda que as contas em regime permanente coubessem em disjuntores mais pequenos.

Proteção diferencial: tipo de RCD para racks de servidores de IA

O RCD (dispositivo de corrente residual) protege contra fugas à terra que excedam um limiar seguro — tipicamente 30 mA nos circuitos de proteção de pessoas. O mecanismo é um transformador de corrente que soma as correntes de fase e de neutro; em funcionamento normal a soma é zero e qualquer desequilíbrio (corrente a escoar para a terra algures) aparece como corrente residual, que faz disparar o dispositivo acima do respetivo limiar.

Há duas formas de um rack de servidores de IA confundir um RCD:

Fuga permanente pelos condensadores Y. Todas as fontes de alimentação comutadas têm condensadores Y no filtro de entrada EMC, colocados entre fase-terra e neutro-terra. Esses condensadores desviam para a terra o ruído de comutação de alta frequência. Como efeito secundário, deixam também passar para a terra uma pequena corrente a 50 Hz — tipicamente 0.5–1 mA por fonte nas ATX de consumo e 1–3 mA por fonte nas CRPS de servidor, com filtragem mais robusta. A IEC/EN 60950-1 e a sua sucessora IEC 62368-1 limitam este valor a 3.5 mA por equipamento informático, por razões de segurança. Um rack com 4× fontes pode, assim, apresentar 4–12 mA de fuga permanente à terra antes de qualquer avaria. Num RCD de 30 mA isto está "bem no papel", mas consome quase metade do limiar de disparo.

Fuga com componente contínua do PFC ativo. As fontes de alimentação de servidor modernas usam correção ativa do fator de potência (PFC) — um conversor elevador na entrada que consome corrente proporcional à forma de onda da tensão da linha, atingindo um FP > 0.95. O andar de PFC produz uma componente contínua pequena, mas não nula, em qualquer fuga à terra que ocorra (sobretudo em condições de avaria). Os RCD do Tipo AC respondem apenas a corrente residual AC puramente sinusoidal — não detetam avarias com componente contínua. Os RCD do Tipo A detetam AC e corrente contínua pulsante, o que cobre a maioria das cargas eletrónicas monofásicas. Os RCD do Tipo B detetam também correntes residuais contínuas puras, que são precisamente as que o PFC ativo e qualquer retificador trifásico do lado da carga podem produzir.

Os RCD do Tipo B custam 3–5× mais do que os do Tipo A. Para um único servidor de IA de 4 GPU num circuito de escritório já existente, o Tipo A é normalmente suficiente — a fuga é dominada pela corrente AC dos condensadores Y, a componente contínua é pequena e o custo de converter todo o quadro para Tipo B é difícil de justificar. Para um laboratório de IA dedicado com vários servidores, o Tipo B na alimentação a montante é a resposta certa, com RCD de 30 mA do Tipo A a jusante, ao nível das tomadas, para proteção de pessoas nas tomadas de limpeza e afins.

Seletividade: a armadilha do RCD a montante/a jusante

Um modo de falha desagradável em laboratórios que acrescentam RCD extra a um quadro existente: um RCD de 30 mA a montante de outro RCD de 30 mA não proporciona qualquer discriminação seletiva. Qualquer dos dispositivos pode disparar primeiro perante uma avaria e, assim que um dispara, o outro pode seguir-lhe o exemplo à medida que a fuga se redistribui pelos próprios caminhos do mecanismo de disparo. O resultado é todo o quadro ficar às escuras por causa do que devia ser uma avaria localizada num único circuito.

A topologia correta para um laboratório de IA:

Topologia correta de seletividade de RCD: Tipo B seletivo de 100 mA a montante dos circuitos de IA, 30 mA do Tipo A apenas nas tomadas auxiliares e de escritório.

A designação "S", ou "seletivo", num RCD a montante acrescenta um atraso intencional de 40–200 ms ao mecanismo de disparo, garantindo que os dispositivos de 30 mA a jusante têm tempo de eliminar primeiro a avaria. Sem esse atraso, dois RCD em série com o mesmo limiar competem um com o outro. Um Tipo B seletivo de 100 mA a montante, com Tipo A de 30 mA a jusante apenas nas tomadas auxiliares e sem RCD no circuito dedicado dos servidores (confiando no dispositivo de 100 mA a montante para eliminar a avaria), é a topologia que funciona realmente num rack de IA com vários servidores.

Exemplo prático 1 — servidor Kentino AI 5090 de 4 GPU

Cenário: um único Kentino AI 96 Turin com 4× RTX 5090, 2× fontes ATX de 1500 W (entrega repartida, conforme W04), num pequeno laboratório, num circuito dedicado acabado de instalar.

Carga contínua: ~2.4 kW a 230 V = 10.4 A em contínuo. Com a redução de 80%, o disjuntor mais pequeno que legalmente serve é de 13 A; o calibre normalizado seguinte é 16 A.

Pico de corrente de arranque (pior caso): 2× 150 A = 300 A no total, durante < 5 ms. Um disjuntor B de 16 A (magnético 48–80 A) dispara com isto. Um C de 16 A (magnético 80–160 A) dispara no extremo superior do pior caso. Um C de 20 A (magnético 100–200 A) aguenta.

RCD: um único par de fontes, fuga pelos condensadores Y estimada em ~3–5 mA no total em permanência. Um RCD de 30 mA do Tipo A tem ~25 mA de margem — adequado. Se o edifício só tiver proteção por RCD do Tipo AC, substitua o dispositivo a montante por um do Tipo A ou do Tipo B; não acumule um segundo dispositivo de 30 mA.

Especificação a entregar ao eletricista:

• Circuito monofásico dedicado de 230 V, MCB C de 20 A (ou B de 20 A, se o fornecedor não tiver curva C nesse calibre; a curva C é preferível).
• RCD de 30 mA do Tipo A no mínimo, do Tipo B se o edifício estiver a ser modernizado de qualquer forma.
• Tomada Schuko (ou conector monofásico de 16 A do país) junto ao rack. Cabo C19/C20 da tomada até à PDU.
• Nenhuma outra carga no mesmo circuito.

Este circuito aguenta o servidor 5090 de 4 GPU em arranques a frio, em treino prolongado e no ciclo de alimentação ocasional, sem disparos intempestivos.

Exemplo prático 2 — servidor Kentino AI 5090 de 8 GPU

Cenário: um único Kentino AI 256 Turin Dual com 8× RTX 5090, módulos CRPS 2+2 de 2 kW cada, destinado a treino prolongado numa pequena sala de servidores.

Carga contínua: ~4.5 kW a 230 V = 19.6 A em contínuo. Com a redução de 80%, isto exige pelo menos um disjuntor de 25 A; o calibre normalizado seguinte é 32 A.

Pico de corrente de arranque (pior caso): 4× 80 A = 320 A no total para os módulos CRPS, < 5 ms. Um disjuntor C de 32 A (magnético 160–320 A) fica no limite. Um C de 40 A (200–400 A) aguenta com margem.

RCD: 4× CRPS com PFC, fuga pelos condensadores Y estimada em ~8–15 mA no total em permanência, mais uma componente contínua não nula. Um RCD de 30 mA do Tipo A acabará por disparar intempestivamente com isto e pode não detetar corretamente a corrente de defeito contínua. A especificação certa é um Tipo B seletivo de 100 mA.

Opções de especificação:

• Opção A — monofásico: MCB C de 32 A ou C de 40 A num circuito dedicado de 230 V, com RCD seletivo do Tipo B de 100 mA a montante. Tomada CEE 32 A azul (monofásica, IEC 60309) junto ao rack. Funciona, mas está no limite superior da distribuição monofásica; o troço de cabo vê uma corrente considerável.
• Opção B — trifásico (preferível): Tomada CEE vermelha trifásica de 400 V e 16 A junto ao rack, com os quatro módulos CRPS distribuídos pelas fases na PDU (conforme P02/P03). Cada fase transporta ~6.5 A em contínuo, o que fica bem dentro de qualquer MCB C de 16 A. RCD por fase ou um Tipo B seletivo de 100 mA partilhado na alimentação trifásica. Esta é a resposta mais limpa para qualquer configuração de 8 GPU que tenha trifásico disponível.

Exemplo prático 3 — planeamento de um laboratório com quatro racks

Cenário: planeamento de um laboratório de robótica + IA com quatro racks, cada um com 2× servidores Kentino AI de 8 GPU, 2× servidores de 4 GPU, rede e carregamento de humanoides. Valor contínuo aproximado por rack: 2× 4.5 + 2× 2.4 = 13.8 kW; com rede, switches e carregadores, arredondar para 15 kW por rack, num total de 60 kW.

Aqui a distribuição monofásica está fora de questão à partida — o valor contínuo por rack já exige trifásico. O plano:

• Alimentação do edifício: trifásico de 400 V, com um serviço de pelo menos 100 A por fase. Os edifícios existentes precisam muitas vezes de um reforço de potência junto do distribuidor; verifique o quadro antes de assinar o contrato de arrendamento.
• Quadro parcial do laboratório: trifásico de 400 V, alimentado a partir do quadro principal por 4× 63 A ou 4× 100 A de condutores, consoante o troço de cabo.
• Por rack: alimentação CEE vermelha trifásica de 400 V e 32 A a partir do quadro parcial (~22 kW teóricos, 17.6 kW em contínuo — comporta os 15 kW por rack com 17% de margem). MCB tripolar C de 32 A a montante de cada alimentação de rack.
• Estratégia de RCD: Tipo B seletivo de 100 mA por alimentação de rack e Tipo B seletivo de 300 mA no geral do quadro parcial, como proteção contra incêndio. RCD de 30 mA do Tipo A para proteção de pessoas apenas nas tomadas auxiliares do laboratório (secretárias das estações de trabalho, tomadas de limpeza), nunca nas alimentações dos servidores.
• Equilíbrio de fases: conforme P03; PDU com medição por tomada e fases alternadas em cada rack, com o mapeamento tomada-fase documentado.
• Arranque escalonado: ver abaixo.

A armadilha do arranque escalonado

Um cenário concreto que apanha os laboratórios à primeira: uma falha de energia faz disparar o disjuntor a montante, a rede regressa e todos os servidores do rack tentam arrancar a frio no mesmo instante. A corrente de arranque total é N × o pico por fonte de alimentação em todos os servidores do rack. Num rack com quatro servidores, isto pode atingir brevemente 1000–2000 A na alimentação única.

O MCB a montante vê isto e dispara. A sala volta a ficar às escuras. O administrador de sistemas faz um ciclo de alimentação no quadro. E acontece o mesmo.

Duas soluções, ambas implementadas por omissão nas configurações Kentino com vários servidores:

1. PDU comutada com sequenciamento de arranque escalonado (conforme P02). As tomadas da PDU são configuradas para ligar em sequência, com um intervalo de 2–5 segundos entre cada uma. O tempo total para pôr quatro servidores a funcionar é de 8–20 segundos; os picos de corrente de arranque não se sobrepõem.
2. "Arranque retardado" ou "arranque suave" da fonte de alimentação na BIOS / no IPMI. Muitas plataformas de nível servidor têm um atraso configurável na reposição da alimentação AC, que torna aleatório ou escalona o instante de arranque dentro de uma pequena janela. Combinado com o escalonamento da PDU, isto acrescenta uma segunda camada de descorrelação.

Sem uma destas medidas, um rack de 8 servidores num único MCB dispara em todas as reposições de energia, sem exceção. Já o vimos; é reproduzível de forma fiável; e nada tem que ver com a carga média.

Faz parte da Kentino Wiki, uma série de referência sobre computação de IA, robótica e os sistemas que as ligam. Comentários e correções são bem-vindos através de info@kentino.com.