٣٤٫٥ كيلوفولت مقابل ١٣٫٨ كيلوفولت: اختيار محول الجهد المتوسط لمجمعات مراكز البيانات

أربعة قاعات، كلٌّ منها بقدرة ٦٠ ميغاواط، ومرفق كهربائي يوفِّر جهدًا قدره ١٣,٨ كيلوفولت لأن هذا الجهد هو ما يمرّ فعليًّا بالقرب من الموقع بالفعل، وحزمة أجهزة توزيع طُلبت قبل أن يقوم أيٌّ كان بحساب التيار القصيري. وبعد ستة أشهر، لم تعد الترتيبات المُخطَّطة تناسب غرفة الكهرباء، وازداد عدد الدوائر الفرعية إلى الضعف، بينما تجاوز التيار القصيري المتاح عند حافلة ٤٨٠ فولت تصنيف المعدات التي لا يمكن إرجاعها. ولا علاقة لأيٍّ من ذلك بعطل في المحول. فقد اختار الحرم الجامعي فئة جهد متوسط قبل أن يُحسب ما ستكلِّفه هذه الاختيارات من نحاس وأجهزة توزيع ومساحة أرضية.

ا محول مركز البيانات غالبًا ما يُعامل كعنصر أخير على الخط الواحد، وهو نسبة تحوِّل جهد ٣٤,٥ كيلوفولت إلى ٤٨٠Y/٢٧٧ فولت. أما في الواقع، فإن فئة الجهد الأولي هي قرار نظامي يؤثِّر في جداول الكابلات وتصنيفات أجهزة التوزيع ودراسات الانفجارات القوسية، وبما أن العام ٢٠٢٤، فإنها تشمل أيضًا نطاق لوائح الكفاءة في الولايات المتحدة. والتأكد من صحتها في مرحلة المفهوم يستغرق أسبوعًا هندسيًّا واحدًا، أما الخطأ فيها فيكلِّف إعادة طلب أجهزة التوزيع.

ما يلي هو الطريقة التي نقارن بها هاتين الفئتين مع العملاء، والأرقام التي نطلبها قبل إصدار العروض السعرية، والنقاط الثلاث الخاصة بالمواصفات التي تحدد ما إذا كانت الوحدة ستعمل بكفاءة لمدة خمس وعشرين سنة أم ستتحول إلى موضوع نزاع ضماني في السنة الثالثة.

 

 

لماذا تبدأ مواصفات محول مركز البيانات عند فئة الجهد

نسبة التحويل هي المقبض الأول، وهي بحتة حسابية. ولقيمة معينة من ميغا فولت أمبير (MVA)، ينخفض التيار عكسياً بالنسبة للجهد. فقاعة طاقة بسعة ٦٠ ميغاواط تستهلك نحو ٢٥١٠ أمبير عند جهد ١٣,٨ كيلوفولت، ونحو ١٠٠٤ أمبير عند جهد ٣٤,٥ كيلوفولت. وتظهر هذه النسبة ٢,٥ إلى ١ في قدرة التحمل الكهربائي لكل خط تغذية بين نقطة الاتصال بالشبكة العامة ومحطة التحويل الفرعية، وفي عدد التوصيلات المتوازية لكل خط تغذية، وفي عرض صندوق الكابلات المعلَّق فوقها.

يتحرك تيار العطل في الاتجاه المعاكس. ومع مصدر بسعة ٥٠٠ ميغا فولت أمبير خلف العداد، يبلغ تيار العطل المباشر عند حافلة ١٣,٨ كيلوفولت نحو ٢٠,٩ كيلوأمبير؛ أما عند ٣٤,٥ كيلوفولت، فيُزوِّد نفس المصدر نحو ٨,٤ كيلوأمبير. ويساعد انخفاض تيار العطل الحرم الجامعي على استخدام قدرة إطفاء أقل في أجهزة التحكم الكهربائية متوسطة الجهد، وهي ميزة ذات أهمية بالغة في سوقٍ تفوق فيه مدة تسليم أجهزة التحكم الكهربائية مدة تسليم المحولات.

هذه هي النقطة التي تُهمَل عادةً في اجتماع البدء. فأجهزة التحكم الكهربائية لجهد ٣٤,٥ كيلوفولت ليست أصغر حجمًا من نظيرتها لجهد ١٣,٨ كيلوفولت من حيث الأبعاد الفيزيائية — إذ تزداد المسافات بين الأجزاء الموصلة، كما أن مستوى العزل الأساسي القياسي يبلغ ٢٠٠ كيلوفولت مقارنةً بـ٩٥ كيلوفولت للدرجة ١٣,٨ كيلوفولت، وبالتالي تكون الخلايا أعلى وأعمق. أما ما توفره الدرجة الأعلى فهو تقليل شدة التيار لكل ميغاواط، وتقليل مستوى العطل، مما يؤدي إلى تخفيض عدد الدوائر الفرعية ومقدار التصنيف المطلوب للأجهزة على نطاق الحرم الجامعي. وهذان النوعان من التوفير مختلفان، ويظهر أحدهما فقط في جدول الكابلات.

 

٣٤,٥ كيلوفولت و١٣,٨ كيلوفولت جنبًا إلى جنب

المقارنة أدناه تستخدم قاعةً سعتها ٦٠ ميغاواط ومصدرًا متاحًا سعته ٥٠٠ ميغافولت أمبير. وتتغيّر النتيجة عند تغيير أيٍّ من هذين المدخلين، ولذلك نطلب خطاب العطل الصادر عن شركة التوزيع قبل أن نقدّم عرض السعر. محول الجهد المتوسط للمجمّع.

التيار المار في القاعة ومستوى العطل عند الحافلة ومستوى العزل وعدد التغذِيَات ومساحة أجهزة التبديل كلُّها تتغير معًا. وبشكل عام، فإن المجمّع الذي يقلّل عدد التغذِيَات إلى النصف يحقّق التوفير أساسًا في الكابلات ونقاط الاتصال بدلًا من المحول نفسه.

المعلَّمة (قاعة سعتها ٦٠ ميغاواط)	١٣,٨ كيلوفولت	٣٤٫٥ كيلوفولت
التيار عند الحمل الكامل للقاعة	حوالي ٢٥١٠ أمبير	حوالي ١٠٠٤ أمبير
تيار العطل لمصدر سعته ٥٠٠ ميغافولت أمبير	حوالي ٢٠٫٩ كيلوأمبير	~٨٫٤ كيلو أمبير
مستوى العزل الأساسي القياسي	٩٥ كيلوفولت	٢٠٠ كيلوفولت
الموصلات الأولية لكل قاعة	عدد أكبر من المسارات المتوازية	عدد أقل من المسارات
فجوات معدات التبديل	مكعبات أقصر، وأكثر عدداً	مكعبات أطول، وأقل عدداً

لا يتفوَّق عمودٌ واحدٌ على الآخر من تلقاء نفسه. فإذا كانت شركة التوزيع تقدِّم فقط جهدًا قدره ١٣,٨ كيلوفولت، فيمكن للحرم الجامعي أن يرفع الجهد داخليًّا إلى ٣٤,٥ كيلوفولت ويوزِّعه عند هذا المستوى — إلَّا أنَّ كلَّ عملية رفع أو خفض للجهد تتطلَّب محولًا، ما يُسبِّب خسائر تبلغ نحو واحد بالمئة من الطاقة المنقولة، ويزيد من عدد المعدَّات التي تحتاج إلى صيانة. ولذلك، فإنَّ تحليل هذه المفاضلة يُعدُّ أكثر فائدة من افتراضها دون دراسة.

 

المقاومة الكهربائية تُقرِّر ما يحدث عند حافلة ٤٨٠ فولت

نسبة المقاومة الكهربائية هي المكان الذي معاوقة المحول تتوقف فيه النسبة عن كونها مجرَّد قيمة عدديَّة وتبدأ في أن تكون مشكلة تتعلَّق بالحماية. فعلى سبيل المثال، وحدة قدرتها ٢٠٠٠ كيلوفولت أمبير ومقاومتها الكهربائية النسبية ٥,٧٥٪، وجانبها الثانوي ٤٨٠Y‏/٢٧٧ فولت. إنَّ تيار القصر المباشر عند طرفي الجانب الثانوي يبلغ نحو ٤١,٨ كيلوأمبير قبل أخذ مقاومة الكابلات ومُساهمة المحركات في الاعتبار: أي ٢٠٠٠٠٠٠ مقسومًا على (١,٧٣٢ × ٤٨٠ × ٠,٠٥٧٥).

ارفع المقاومة إلى ٦,٥ في المئة، وينخفض العدد إلى نحو ٣٧ كيلو أمبير. ويُفسِّر المشترون أحيانًا ذلك على أنه مكسبٌ في السلامة. لكنه ليس كذلك تلقائيًّا. فطاقة الحادث تعتمد على التيار وزمن الإزالة معًا، لذا فإن انخفاض تيار القصر دون عتبة التشغيل الفوري للجهاز العلوي قد يطيل مدة القوس الكهربائي ويزيد من الخطر. ولذلك يجب إجراء دراسة وميض القوس الكهربائي على الوحدة الفعلية لا على قيمة نموذجية؛ لأن القواعد التشغيلية مُستقاة من NFPA 70E ، الطبعة الحالية ٢٠٢٧.

النصف الآخر من معاوقة المحول القصة هو التحمُّل. وتُحتفظ عادةً بالمقاومة المضمونة ضمن مدى زائد أو ناقص ٧,٥ في المئة، لذا يمكن أن تختلف وحدتان طُلبتا بمقاومة ٥,٧٥ في المئة عن بعضهما البعض بنسبة تصل إلى ١٥ في المئة تقريبًا عند الحدين الأقصيين. وإذا وُضعت هاتان الوحدتان على التوازي، فإن عدم التطابق بينهما يولِّد تيارًا دائرًا وأحمالًا غير متساوية قبل أن تصل أيٌّ منهما إلى قيمتها الاسمية. ولذلك، إذا اعتمدت التصميمات على التشغيل المتوازي، فحدد نطاق المقاومة لا القيمة الاسمية فقط.

 

ثنائية اللفات أو ثلاثية اللفات أو انتقائية أولية

تغطي ثلاث ترتيباتٍ معظم تصاميم الحرم الجامعي. ويتضمَّن الترتيب الأول محطَّة فرعية وحيدة اللفَّتين، أي محولًا واحدًا لكل قاعة، وهو الأسهل في الحماية والأيسر في الاستبدال. أما الترتيب الثاني فهو محطَّة فرعية ثلاثية اللفَّتين، حيث يأخذ مدخلًا أوليًّا واحدًا ويُغذِّي حافَّتين ثانويتين، ما يقلِّل من معدَّات التحكُّم والتبديل ذات الجهد المتوسط والكابلات، لكنَّه يربط القاعات كهربائيًّا — إذ يؤدي انقطاع التيار في إحدى الحافَّتين الثانويتين إلى انقطاع التيار في كلتيهما ما لم تكن خطة الحماية مُصمَّمةً لهذا الغرض. أمَّا الترتيب الثالث فهو ترتيب انتقائي أولي، حيث يدخل مصدران من شركة التوزيع إلى محولٍ واحدٍ عبر جهاز انتخاب، مما يوفِّر تكرارًا في المصدر دون أي تكرارٍ للمحول على الإطلاق.

وفي التصاميم ذات المستوى الثالث أو الرابع (Tier III أو Tier IV)، فإن القرار غالبًا ما يُفرض عليك. فالازدواجية يجب أن تكون عند المحول نفسه، وليس فقط عند المصدر. فاستخدام وحدتين سعتهما ٢٠٠٠ كيلوفولت أمبير، وكلٌّ منهما محمَّلة بنسبة قريبة من نصف سعتها الاسمية، يؤدي إلى تشغيلٍ أكثر برودةً مقارنةً باستخدام وحدة واحدة سعتها ٢٠٠٠ كيلوفولت أمبير تعمل عند حملها الكامل، لأن الفقد في حالة عدم التحميل يتناسب مع حجم القلب الحديدي، بينما يتناسب الفقد تحت التحميل مع مربع شدة التيار. وبالتالي، فإن التكلفة الإضافية تكمن في القلب الحديدي الثاني، وليس في النحاس.

عندما يكون الميزانية محدودة، فإن الحلّ الوسط الصادق هو وحدة احتياطية في المستودع بدلًا من وحدة احتياطية مُركَّبة. وفي سوقٍ يُمكن أن تبقى فيه وحدة بجهد ٣٤٫٥ كيلوفولت محول نوع جاف في طابور الإنتاج لمدة سنة كاملة، فإن وجود وحدة احتياطية على الرف يُعَدُّ قرارًا جدولياً، وليس قراراً كهربائياً.

 

التوافقيات، ومعامل كي (K-Factor)، والموصل المحايد

تحسَّنت مصادر طاقة الخوادم، لكنها لم تصبح خطية. فمصدر الطاقة الحديث ذي التبديل النشط مع تصحيح نشط لعامل القدرة يستهلك تياراً بمعامل قمة عالٍ وطيف توافقي فردي يمتد بعيداً عن التوافقي السابع. أما التوافقيات الثلاثية — الثالث والسابع عشر والخامس عشر — فتتجمَّع في الموصل المحايد بدل أن تلغي بعضها بعضاً، لذا قد يحمل الموصل المحايد تياراً أكبر من التيار الذي يحمله الموصل الطوري المرتبط به.

ا محول معامل كي (K-factor) يُصنَّف ليتحمل الخسائر الإضافية الناتجة عن التيارات الدوامية والخسائر المتناثرة التي يولدها هذا الطيف في اللفات. ويشمل التصنيف كي-13 حملاً مختلطاً يشمل المكاتب ومرافق البيانات، أما كي-20 فهو الخيار المعتاد لقاعة مليئة بمصادر طاقة الخوادم الكثيفة. وما لا يقوم به تصنيف كي هو تقليل تشويه الجهد على الحافلة. فهذه مسألة نظامية، تخضع لمستوى تخطيط التشويه التوافقي الكلي البالغ ٥٪ عند نقطة الاتصال المشتركة وفق معيار آي-إي-إي ٥١٩ للأنظمة ذات الجهد ٦٩ كيلوفولت أو أقل، ويتم حلها باستخدام محولات تقويم متعددة النبضات أو مرشحات نشطة أو زيادة حجم الموصل المحايد.

إن التحديد القياسي لدينا لمحول مركز البيانات هو لفة من نوع كي-13 كحد أدنى، مع موصل محايد بنسبة ٢٠٠٪، وإجراء حساب الخسائر التوافقيّة استناداً إلى الطيف المقاس فعلياً بدلًا من استخدام رقم كي عام. وهذا الحساب هو ما يُبيّن لك ما إذا كانت وحدة سعة ٢٠٠٠ كيلوفولت أمبير فعلاً قادرة على توفير سعة ٢٠٠٠ كيلوفولت أمبير تحت هذا الحمل المحدد.

 

 

تقع خطوط وزارة الطاقة الأمريكية لعام ٢٠٢٩ بالضبط عند ٣٤,٥ كيلوفولت

تنص لوائح الكفاءة في الولايات المتحدة على حدٍّ تكتشفه معظم فرق الحرم الجامعي متأخرًا. ووفقًا للتعريف الوارد في البند 10 من قانون اللوائح الفيدرالية 431.192، فإن محول التوزيع هو محولٌ مدخله بجهد ٣٤٫٥ كيلوفولت أو أقل، ومخرجه بجهد ٦٠٠ فولت أو أقل، ومُصنَّفٌ بتردد ٦٠ هرتز، وقدرته تتراوح بين ١٠ و٢٥٠٠ كيلوفولت أمبير للمحولات المغمورة بالسوائل، أو بين ١٥ و٢٥٠٠ كيلوفولت أمبير للمحولات الجافة. محول نوع جاف ويُنشَر هذا التعريف وتاريخ الامتثال له من قِبل وزارة الطاقة الأمريكية .

وهناك نتيجتان مباشرتان لذلك. فأولًا: محطة التحويل الوحيدة ذات الجهد الداخل ٣٤٫٥ كيلوفولت والجهد الخارج ٤٨٠Y/٢٧٧ فولت تُصنَّف كمحول توزيع ويجب أن تتوافق مع جدول الكفاءة المطلوب، بينما تُصنَّف محطة التحويل الوحيدة ذات الجهد الداخل ٣٤٫٥ كيلوفولت والجهد الخارج ٤٫١٦ كيلوفولت كمحول طاقة ولا تخضع لهذا الجدول. ثانيًا: تنطبق المعايير المعدَّلة التي اعتمدت في القاعدة النهائية لعام ٢٠٢٤ على المحولات المصنَّعة في أو بعد ٢٣ أبريل ٢٠٢٩، وبالتالي فإن أي حرم جامعي يبدأ تشغيل شبكته في عامَي ٢٠٢٩ أو ٢٠٣٠ سيحدد بالفعل المواصفات وفق الجدول الجديد، سواء أشارت وثائق المناقصة إلى ذلك أم لا.

يُشتَرى الامتثال أساسًا في قلب المحول المصنوع من الفولاذ. وعادةً ما يعني الوفاء بحدود فقدان الطاقة بدون حمل لعام ٢٠٢٩ استخدام قلب أكبر، أو مواد ذات حبيبات مُوجَّهة أفضل أو مواد غير متبلورة، ووحدة أثقل — ما يؤثر على وزن الشحن، والحمولة المسموح بها على الأرضية، والهيكل الفولاذي الموجود تحت المحول. ولذلك فإن أي عرض طلب يُكتَب اليوم دون تحديد حزمة فقدان طاقة مُرفقة مع جدول عام ٢٠٢٩ يُعَدّ ببساطة أمر تغييرٍ مؤجَّلٍ. اطلب من كل مقدِّم عرض أن يقدِّم أسعاره بناءً على الجدولين معًا، كي تظهر الفروق بينهما قبل إصدار أمر الشراء، وليس بعده.

 

ما نصنعه وكيف نتحقق من جودته

تُصنِّع شركة رايان إلكترك المحولات منذ عام ٢٠٠٧ في مصنعها الواقع في هايان بمقاطعة جيانغسو، والذي تبلغ مساحته ١٢٠٠٠٠ متر مربع، وباستخدام أكثر من ١٨٠ مجموعة من معدات الإنتاج والاختبار، وتحت براءات اختراع بلغ عددها ٣٧ براءة تشمل التصاميم الجافة والمغمورة بالسوائل. وتُصنَع الوحدات وفق معايير UL وCSA وIEEE وIEC وDEKRA، مع إجراء الاختبارات المعتمدة من CNAS، ومنذ عام ٢٠٢٣ تعمل الشركة كشريك مشروع مشترك مع شركة إيتن.

لفئة الجهد ٣٤٫٥ كيلوفولت محول نوع جاف إن الاختبارات المهمة عند هذا الجهد غير قابلة للتفاوض. ويُثبت تحمل العزل للنبضات عند مستوى العزل الأساسي البالغ ٢٠٠ كيلوفولت تنسيق عزل اللفات. ويُحتفظ بمستوى التفريغ الجزئي في راتنج الصب عند ١٠ بيكومكولوم أو أقل عند جهد يساوي ١٫٥ ضعف الجهد المقنن؛ إذ قد يجتاز المحول الذي يحقق قيمة ٥٠ بيكومكولوم بسهولة اختبار القبول بالمصنع، ثم يتدهور أداؤه أثناء التشغيل الفعلي. ويوفر ارتفاع درجة الحرارة تأكيدًا لهامش فئة العزل عند درجة الحرارة المحيطة المحددة، بينما تؤكد النسبة والمحاثة والمستوى الصوتي أن الوحدة الموجودة على الشاحنة مطابقة تمامًا للنموذج الذي خضع للدراسة.

عندما تصل مواصفات شبكة كهربائية بجهد ٣٤٫٥ كيلوفولت مخصصة لحرم جامعي إلى مكتب تطبيقاتنا، فإن أول سؤالين نطرحهما هما: تيار القصر المتاح من شركة التوزيع عند نقطة الاتصال، والطيف التوافقي المقاس لوحدات التغذية غير المنقطعة (UPS) والأحمال الخادمية. ولا يظهر أيٌّ من هذين العنصرين عادةً في جداول الكيلوفولت-أمبير النموذجية، ومع ذلك يؤثّران بشكل مباشر على التصميم. وقد أدّت هذه المناقشة إلى تغيير تصميم أكثر من مشروع واحد من وحدة واحدة كبيرة إلى زوجٍ من الوحدات الأصغر المُصنَّفة حسب معامل K، كما أوقفت مشاريع أخرى عن دفع تكلفة لفّة K-٢٠ لم تكن ضرورية أصلاً.

إذا كنت تُقرّر تركيب محول كهربائي لمراكز البيانات هذا الربع، فأرسل إلينا: القدرة بالميغاواط للمحطة، وخطّ شركة التوزيع الذي يحدّد تيار القصر، والطيف التوافقي للأحمال. وسنُرسل لك مقارنةً جنبًا إلى جنب لكلا فئتي الجهد، محول الجهد المتوسط وما يستتبع ذلك من آثار على أجهزة التحكّم والتبديل (switchgear)، وحساب خسائر التشغيل مقارنةً بالجدول المرجعي لعام ٢٠٢٩. ابدأ من هنا: تواصل مع فريق الهندسة الخاص بنا .

 

عن المؤلف: أعدّ هذا الدليل فريق هندسة الطاقة في شركة ريان إلكترك (ريان ترانسفورمرز جيانغسو)، وهي شركة مصنِّعة للمحولات ومقرّها مدينة هايان بمقاطعة جيانغسو في الصين، وتقدّم نوع جاف محولات غاطسة بالزيت و محولات محطات فرعية مدمجة إلى مراكز البيانات ومشاريع المرافق والصناعية في جميع أنحاء العالم.