34,5 kV срещу 13,8 kV: избор на среднонапрежен трансформатор за кампуси на центрове за обработка на данни

Четири зала по 60 MW всяка, електроцентрала, която предлага 13,8 kV, защото тази мрежа вече минава покрай обекта, и комплект превключвателно оборудване, поръчано преди някой да извърши изчислението на аварийния ток. Шест месеца по-късно компоновката вече не се побира в електроразпределителната стая, броят на отводните линии се е удвоил, а наличният аварийен ток в 480 V разпределителната шина надвишава номиналната стойност на оборудването, което не може да бъде върнато. Нищо от това не е свързано с повреда на трансформатор. Кампусът е избрал клас средно напрежение, преди да изчисли каква ще бъде цената на този избор в мед, превключвателно оборудване и площ.

Aтрансформатор за център за обработка на данни обикновено се третира като последен елемент в единичната линия — съотношение, което преобразува 34,5 kV в 480Y/277 V. На практика класът на първично напрежение е системно решение, което засяга графиците на кабелите, номиналните стойности на превключвателното оборудване, проучванията за дъговия пробив и, от 2024 г., обхвата на американските регулации за енергийна ефективност. Правилният избор на концептуалния етап струва една седмица инженерна работа. Грешният избор струва повторна поръчка на превключвателно оборудване.

Това, което следва, е начинът, по който сравняваме двете класификации с клиентите, числата, които изискваме преди да предоставим оферта, и трите спецификационни точки, които определят дали единицата ще работи в продължение на двадесет и пет години или ще стане повод за спор относно гаранцията през третата година.

 

 

Защо спецификацията на трансформатора за център за обработка на данни започва от класа напрежение

Съотношението на трансформатора е първият регулиращ параметър и представлява чиста аритметика. При дадена стойност в MVA токът намалява обратнопропорционално на напрежението. Зала с мощност 60 MW консумира приблизително 2510 A при 13,8 kV и около 1004 A при 34,5 kV. Това съотношение 2,5 към 1 се отразява в допустимия ток на всеки фидер между точката на свързване към електрическата мрежа и подстанцията на единицата, в броя на успоредните кабелни линии за всеки фидер и в ширината на кабелната тръба над тях.

Токът при повреда тече в обратна посока. При източник с мощност 500 MVA зад брояча късо съединение при шината 13,8 kV е приблизително 20,9 kA; при 34,5 kV същият източник осигурява около 8,4 kA. По-ниският ток при повреда позволява на кампуса да използва разпределителни уреди за средно напрежение с по-ниска прекъсваща способност, което има значение на пазара, където времето за доставка на разпределителни уреди е по-дълго от това за трансформатори.

Това е частта, която често се пропуска на първоначалната среща. Разпределителните уреди за 34,5 kV не са физически по-малки от тези за 13,8 kV — разстоянията за изолация са по-големи, а стандартният базов ниво на изолация е 200 kV спрямо 95 kV за класа 13,8 kV, поради което кабините са по-високи и по-дълбоки. По-високият клас осигурява по-нисък ток на мегават и по-ниско ниво на ток при повреда, което намалява броя на отводните линии и номиналната мощност на устройствата в мащаба на кампуса. Това са два различни икономически ефекта, като само единият от тях се отразява в графика на кабелите.

 

34,5 kV и 13,8 kV – едновременно

Сравнението по-долу използва зала с мощност 60 MW и източник с налична мощност 500 MVA. Промяната на който и да е от тези входни параметри може да повлияе на заключението, затова искаме писмото на електроснабдителя за аварийния ток, преди да предоставим оферта за трансформатор със средна напреженост за кампус.

Токът за залата, нивото на аварийния ток в шината, нивото на изолация, броят на фидерите и заеманата площ от превключвателното оборудване са взаимно свързани параметри. Кампус, който намали броя на фидерите наполовина, обикновено постига спестявания предимно чрез по-малко кабели и завършвания, а не чрез самия трансформатор.

Параметър (зала 60 MW)	13,8 kV	34,5 kV
Ток при пълна товарна мощност на залата	~2510 A	~1004 A
Аварийен ток, източник 500 MVA	~20,9 kA	~8,4 kA
Стандартно основно ниво на изолация	95 kV	200 kV
Първични фидъри на зала	Повече успоредни трасета	По-малко трасета
Разстояния в разпределителните устройства	По-къси и повече кубикули	По-дълги и по-малко кабинки

Нито една от колоните печели самостоятелно. Ако електроснабдителната компания доставя само 13,8 kV, кампусът все още може да повиши напрежението вътрешно до 34,5 kV и да разпределя енергията на това ниво — но всяка трансформация изисква допълнителен трансформатор, приблизително един процент загуби от пропускателната способност и още един актив за поддръжка. Този компромис заслужава моделиране, а не предположение.

 

Импедансът определя какво се случва на 480 V шината

Процентният импеданс е мястото, където импеданс на трансформатора отношението престава да бъде просто отношение и започва да представлява проблем за защитата. Вземете 2000 kVA уред с импеданс 5,75 % и вторична страна 480Y/277 V. Токът при затворено късо съединение върху вторичните терминали е около 41,8 kA, преди да се добавят импедансът на кабела и приноса на двигателите: 2 000 000, разделено на (1,732 × 480 × 0,0575).

Повишаването на импеданса до 6,5 процента намалява стойността на тока при късо съединение до приблизително 37 kA. Понякога купувачите интерпретират това като подобряване на безопасното ниво. Това обаче не е задължително така. Енергията от дъгата зависи едновременно от тока и времето за изключване, поради което по-ниският ток при късо съединение, който остава под прага на мигновено изключване на горния защитен апарат, може да удължи продължителността на дъгата и да увеличи риска. Затова анализът на опасността от дъга трябва да се извърши за конкретното устройство, а не за типична стойност; работните правила са в НФПА 70Е , текущо издание 2027.

Другата половина от импеданс на трансформатора историята е толерантността. Гарантираната стойност на импеданса обикновено се поддържа в границите ±7,5 процента, така че две устройства, поръчани с импеданс 5,75 процента, могат да се различават помежду си почти с 15 процента при граничните стойности. Ако тези две устройства се свържат успоредно, разликата в импеданса предизвиква циркулиращ ток и неравномерно натоварване още преди някое от тях да достигне номиналната си мощност. Ако проектът предвижда успоредна работа, трябва да се посочи допустимият диапазон на импеданса, а не само номиналната му стойност.

 

Двуобмотъчен, триобмотъчен или с избор на първична страна

Три конфигурации обхващат повечето проекти на кампуси. Двувълнова блок-трансформаторна станция има по един трансформатор на сграда — най-простата за защита и най-лесна за замяна. Тривълнова блок-трансформаторна станция приема един първичен вход и захранва две вторични шини, което намалява броя на средното напрежение превключвателно оборудване и кабелите, но електрически свързва сградите — при изключване на една от вторичните шини и двете сгради изключват, освен ако защитната схема не е проектирана специално за такъв случай. При първична избираема конфигурация в една и съща трансформаторна станция постъпват два мрежови входа чрез избирач — това осигурява резервиране на източника, но изобщо няма резервиране на трансформатора.

При топология от клас Tier III или Tier IV решението обикновено се налага от самата класификация. Резервирането трябва да се осъществява на нивото на трансформатора, а не само на нивото на източника. Два трансформатора по 2000 kVA, всеки натоварен приблизително до половината от номиналната си мощност, работят по-студени от един трансформатор 2000 kVA, натоварен до пълната си мощност, тъй като загубите при празен ход са пропорционални на размера на сърцевината, докато загубите при натоварване са пропорционални на квадрата на тока. Допълнителната стойност се дължи на втората сърцевина, а не на медта.

Където бюджетът е ограничен, честното компромисно решение е резервен агрегат в склада, а не инсталиран резервен агрегат. На пазар, където един трансформатор 34,5 kV съдов трансформатор може да стои в производствена опашка цяла година, резервният агрегат на рафта е решение за планиране, а не електрическо решение.

 

Хармоници, коефициент K и неутралният проводник

Източниците за захранване на сървъри са подобрени, но не са станали линейни. Съвременният импулсен източник с активна корекция на коефициента на мощност консумира ток с висок връхов коефициент и нечетен хармоничен спектър, който достига далеч отвъд седмия хармоник. Триплетните хармоници — трети, девети, петнадесети — се сумират в неутралния проводник вместо да се компенсират, така че неутралният проводник може да пренася повече ток от фазовия проводник, към който принадлежи.

AТрансформатор с коефициент k е класифицирана да понася допълнителните вихрови и разпръснати загуби, които този спектър предизвиква в намотките. K-13 обхваща смесена офисна и информационна натовареност; K-20 е обичайният избор за зала, пълна с гъсто разположени захранващи блокове за сървъри. Това, което класификацията K не прави, е да намали напрежението на изкривяване в шината. Това е системен проблем, управляван от нивото на планирано общо хармонично изкривяване от 5 % в точката на обща връзка според IEEE 519 за системи с напрежение до 69 kV включително, и се решава чрез многоимпулсни изправители, активни филтри или по-голям неутрален проводник.

Нашето стандартно изискване за трансформатор в център за обработка на данни е намотка с класификация K-13 като минимум, неутрален проводник с капацитет 200 % и изчисление на хармоничните загуби, извършено спрямо измерения спектър, а не спрямо обобщена стойност K. Точно това изчисление показва дали рамката от 2000 kVA действително има капацитет 2000 kVA при тази натовареност.

 

 

Линията на DOE 2029 е точно на 34,5 kV

Регулацията на САЩ за ефективност определя граници, които повечето университетски екипи откриват късно. Разпределителен трансформатор, както е дефиниран в 10 CFR 431.192, има входно напрежение от 34,5 kV или по-малко, изходно напрежение от 600 V или по-малко, честотна характеристика 60 Hz и мощност между 10 и 2500 kVA за течностно охлаждани единици или между 15 и 2500 kVA за съдов трансформатор единици. Министерство на енергетиката на САЩ .

Следват две последици. Университетска подстанция с преобразуване от 34,5 kV към 480Y/277 V е разпределителен трансформатор и трябва да отговаря на изискванията от таблицата за ефективност, докато подстанция с преобразуване от 34,5 kV към 4,16 kV е силов трансформатор и не попада в обхвата ѝ. Освен това изменените стандарти, приети с окончателното правило от 2024 г., се прилагат за единици, произведени на или след 23 април 2029 г., така че университет, който включва нова инфраструктура през 2029 или 2030 г., вече специфицира според новата таблица, независимо от това дали това е посочено в търговата документация.

Съответствието се постига главно чрез основния стоманен сърник. Изпълнението на ограниченията за загуби при празен ход за 2029 г. обикновено означава по-голям сърник, по-добър ориентиран по зърна или аморфен материал и по-тежка единица — което променя теглото при транспортиране, натоварването върху пода и конструкционната стомана под трансформатора. Търгова документация, съставена днес без пакет за загуби спрямо таблицата за 2029 г., е готова за промяна след подписване на поръчката. Помолете всеки участник в търга да предложи цитирани цени за двете таблици, за да е видима разликата преди издаване на поръчката, а не след нея.

 

Какво произвеждаме и как го потвърждаваме

Ryan Electric произвежда трансформатори от 2007 г. в завода си в Хайан, провинция Цзянсу, с площ 120 000 м², който разполага с повече от 180 комплекта производствено и изпитателно оборудване и 37 патента за сухи и течностно потопени конструкции. Устройствата се произвеждат според стандарти UL, CSA, IEEE, IEC и DEKRA и се изпитват в акредитирани от CNAS лаборатории; от 2023 г. компанията работи като партньор в съвместно предприятие с Eaton.

За клас 34,5 kV съдов трансформатор , тестовете, които имат значение при това напрежение, не подлежат на преговори. Устойчивостта към импулс при основно ниво на изолация от 200 kV потвърждава координацията на изолацията на намотките. Частичните разряди в леяна смола се ограничават до 10 pC или по-добро при 1,5 пъти номиналното напрежение; един агрегат, който преминава теста случайно при 50 pC, все още ще издържи заводския тест за приемане, но след това ще показва деградация по време на експлоатация. Повишението на температурата потвърждава резерва на класа на изолацията при посочената околна температура, а съотношението, импедансът и нивото на шума потвърждават, че агрегатът върху камиона съответства на модела, който е бил проучван.

Когато спецификация за 34,5 kV за кампус постъпи на нашето приложение, първите два въпроса са: токът на късо съединение, предоставен от електроснабдителя в точката на свързване, и измереният хармоничен спектър на ИПС и товара от сървъри. Нито един от тях не фигурира в типична таблица с kVA и и двата оказват влияние върху проекта. Този разговор е довел повече от един проект от използването на един голям агрегат до използването на две по-малки K-рейтирана единици и също така е спрял проекти от закупуване на намотка K-20, от която няма нужда.

Ако тази четвъртина фиксирате единична линия за трансформатор за център за обработка на данни, изпратете мегаватовете на хала, писмото на електроснабдителя за тока на късо съединение и спектъра на товара. Ще ви върнем сравнение странично по странично на двете класове напрежение, последствията за комутационното оборудване и пакета загуби спрямо таблицата от 2029 г. Започнете оттук: трансформатор със средна напреженост и последствията за комутационното оборудване, и пакета загуби спрямо таблицата от 2029 г. свържете се с нашия инженерен екип .

 

За автора: Това ръководство е написано от екипа по електроинженерство на Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), производител на трансформатори с база в Хайан, провинция Цзянсу, Китай, доставящ сух тип сухи, течено-потопени и към центрове за обработка на данни, енергийни и промишлени проекти по целия свят.