34,5 kV vs. 13,8 kV: Auswahl eines Mittelspannungstransformators für Rechenzentrum-Campuses

Vier Hallen mit jeweils 60 MW, ein Versorgungsunternehmen, das 13,8 kV bereitstellt, weil diese Spannungsebene bereits am Standort vorbeiführt, und ein Schaltanlagenpaket, das bestellt wurde, bevor jemand die Kurzschlussstromberechnung durchgeführt hatte. Sechs Monate später passt die Anordnung nicht mehr in den elektrischen Raum, die Anzahl der Zuleitungen hat sich verdoppelt, und der verfügbare Kurzschlussstrom am 480-V-Sammelschiene liegt über der Nennkurzschlussstrombelastbarkeit von Geräten, die nicht zurückgegeben werden können. Keines davon war ein Transformatorausfall. Der Campus wählte eine Mittelspannungsklasse, bevor berechnet wurde, welche Kosten diese Entscheidung für Kupfer, Schaltanlagen und Bodenfläche verursachen würde.

Adatenzentrum-Transformator wird üblicherweise als letztes Element auf der einzigen Leitung behandelt, ein Verhältnis, das 34,5 kV in 480Y/277 V umwandelt. In der Praxis ist die Primärspannungsklasse jedoch eine Systementscheidung, die Auswirkungen auf Kabelpläne, Schaltanlagennennwerte, Lichtbogenstudien und – seit 2024 – auch auf den Geltungsbereich der US-Effizienzvorschriften hat. Die richtige Wahl bereits in der Konzeptphase kostet eine Woche Engineering. Die falsche Wahl kostet eine Neubestellung der Schaltanlage.

Im Folgenden erläutern wir, wie wir die beiden Klassen mit Kunden vergleichen, welche Zahlen wir vor der Angebotserstellung anfordern und welche drei Spezifikationspunkte darüber entscheiden, ob das Gerät 25 Jahre lang funktioniert oder bereits im dritten Jahr Gegenstand einer Gewährleistungsstreitigkeit wird.

 

 

Warum die Spezifikation eines Rechenzentrum-Transformators bei der Spannungsklasse beginnt

Das Übersetzungsverhältnis ist der erste Hebel – und reine Mathematik. Bei einer gegebenen MVA-Leistung sinkt der Strom umgekehrt proportional zur Spannung. Eine 60-MW-Halle zieht bei 13,8 kV etwa 2.510 A und bei 34,5 kV etwa 1.004 A. Dieses Verhältnis von 2,5 zu 1 spiegelt sich in der Stromtragfähigkeit aller Zuleitungen zwischen dem Netzanschlusspunkt des Versorgungsunternehmens und der Unterverteilung wider, in der Anzahl paralleler Leiter je Zuleitung sowie in der Breite des Kabelkanals oberhalb dieser Leitungen.

Der Fehlerstrom fließt in die entgegengesetzte Richtung. Bei einer Quelle mit 500 MVA hinter dem Zähler beträgt der Kurzschlussstrom bei einem dreiphasigen Kurzschluss am 13,8-kV-Sammelschienensystem etwa 20,9 kA; bei 34,5 kV liefert dieselbe Quelle etwa 8,4 kA. Ein niedrigerer Fehlerstrom ermöglicht es dem Campus, Schaltanlagen für Mittelspannung mit einer geringeren Ausschaltleistung einzusetzen – dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Lieferzeiten für Schaltanlagen länger sind als die für Transformatoren.

Dieser Aspekt wird häufig im Kick-off-Meeting übersehen: Schaltanlagen für 34,5 kV sind physisch nicht kleiner als solche für 13,8 kV – die erforderlichen Abstände sind größer, und die übliche Grund-Isolationsstufe beträgt 200 kV gegenüber 95 kV bei der 13,8-kV-Klasse; daher sind die Schaltschränke höher und tiefer. Was die höhere Spannungsklasse bietet, ist ein geringerer Strom pro Megawatt sowie ein niedrigerer Fehlerstrompegel – dies reduziert die Anzahl der Zuleitungen und die Bemessung der Geräte auf Campus-Ebene. Das sind zwei unterschiedliche Einsparungen, von denen jedoch nur eine in einem Kabelplan sichtbar wird.

 

34,5 kV und 13,8 kV nebeneinander

Der nachfolgende Vergleich basiert auf einer Halle mit 60 MW und einer verfügbaren Quelle mit 500 MVA. Ändern Sie einen der beiden Werte, und das Ergebnis kann sich verschieben – daher bitten wir vor Abgabe eines Angebots um das Kurzschlussgutachten des Netzbetreibers. mittelspannungstransformator für einen Campus.

Strom für die Halle, Kurzschlussstrom am Sammelschienensystem, Isolationsniveau, Anzahl der Zuleitungen sowie die Grundfläche der Schaltanlage ändern sich gemeinsam. Ein Campus, der die Anzahl der Zuleitungen halbiert, erzielt die Einsparung in der Regel bei Kabeln und Abschlüssen statt beim Transformator selbst.

Parameter (Halle mit 60 MW)	13,8 kV	34,5 kV
Strom bei voller Hallenlast	~2.510 A	~1.004 A
Kurzschlussstrom, Quelle mit 500 MVA	~20,9 kA	~8,4 kA
Standardmäßige Basisisolationsstufe	95 kV	200 kV
Primärleitungen pro Halle	Mehr parallele Leitungen	Weniger Leitungen
Schaltanlagenspielräume	Kürzere, aber mehr Schaltanlagenkästen	Längere, aber weniger Schaltanlagenkästen

Keine der beiden Spalten gewinnt für sich allein. Falls das Versorgungsunternehmen lediglich 13,8 kV bereitstellen kann, ist es für einen Campus dennoch möglich, intern auf 34,5 kV hochzutransformieren und auf diesem Niveau zu verteilen – doch jede Spannungsumwandlung erfordert einen Transformator, verursacht Verluste von etwa einem Prozent der durchgesetzten Leistung und fügt ein weiteres Wartungsobjekt hinzu. Diese Abwägung lohnt eine detaillierte Modellierung statt einer pauschalen Annahme.

 

Die Impedanz bestimmt, was am 480-V-Bus geschieht

Die prozentuale Impedanz ist der Punkt, an dem transformatorimpedanz die Impedanz aufhört, ein reines Verhältnis zu sein, und stattdessen ein Schutzproblem darstellt. Betrachten Sie eine 2.000-kVA-Einheit mit einer Impedanz von 5,75 Prozent und einer Sekundärspannung von 480Y/277 V. Der kurzgeschlossene Fehlerstrom an den Sekundäranschlüssen beträgt vor Berücksichtigung der Kabelimpedanz und des Motorbeitrags etwa 41,8 kA: 2.000.000 geteilt durch (1,732 × 480 × 0,0575).

Erhöhen Sie die Impedanz auf 6,5 Prozent, und der Wert sinkt auf etwa 37 kA. Käufer interpretieren dies manchmal als Sicherheitsgewinn. Das ist jedoch nicht automatisch der Fall. Die Störlichtbogen-Energie hängt sowohl vom Strom als auch von der Ausschaltzeit ab; ein niedrigerer Kurzschlussstrom unterhalb der Schwelle für den sofortigen Auslösevorgang des vorgelagerten Geräts kann daher die Lichtbogendauer verlängern und die Gefährdung erhöhen. Deshalb muss die Störlichtbogen-Studie am konkreten Gerät – und nicht an einem typischen Wert – durchgeführt werden; die Arbeitssicherheitsregeln befinden sich in NFPA 70E , aktuelle Ausgabe 2027.

Die andere Hälfte der transformatorimpedanz geschichte betrifft die Toleranz. Die garantierte Impedanz liegt normalerweise innerhalb einer Bandbreite von plus/minus 7,5 Prozent; zwei Einheiten mit einer Soll-Impedanz von 5,75 Prozent können sich also an den Extremen um nahezu 15 Prozent unterscheiden. Werden diese beiden Einheiten parallel geschaltet, führt die Ungleichheit zu kreisenden Strömen und ungleichmäßiger Belastung – und das bereits weit vor Erreichen der Nennleistung einer der beiden. Falls das Konzept auf parallelem Betrieb beruht, geben Sie bitte das zulässige Impedanz-Fenster an – nicht nur den Nennwert.

 

Zweiwicklungs-, Dreiwicklungs- oder Primär-selektiver

Drei Anordnungen decken die meisten Campus-Designs ab. Eine Zweiwicklungs-Einheitstransformatorenstation besteht aus einem Transformator pro Gebäude – die einfachste Variante hinsichtlich Schutz und Austausch. Bei einer Dreiwicklungs-Einheitstransformatorenstation wird eine Primärseite angeschlossen und zwei Sekundärbusse versorgt; dadurch reduziert sich die Mittelspannungs-Schaltanlage und die Kabelmenge, doch die Gebäude sind elektrisch gekoppelt – ein Auslösen an einem Sekundärbus führt ohne entsprechend ausgelegtes Schutzkonzept zum Ausfall beider Busse. Bei einer Primär-selektiven Anordnung werden zwei Versorgungsleitungen über einen Selektor in einen einzigen Transformator eingespeist: redundante Energiequelle, jedoch keinerlei Redundanz beim Transformator.

Bei einer Topologie der Stufe III oder IV ist die Entscheidung meist vorgegeben. Die Redundanz muss auf Transformatorebene vorhanden sein, nicht nur auf Quellenebene. Zwei Transformatoren mit je 2.000 kVA, die jeweils nahe der halben Nennlast betrieben werden, laufen kühler als ein einzelner Transformator mit 2.000 kVA bei voller Last, weil der Leerlaufverlust mit der Kerngröße skaliert, während der Lastverlust mit dem Quadrat des Stroms steigt. Der Aufpreis entsteht durch den zweiten Kern, nicht durch die Kupferwicklung.

Wo das Budget knapp ist, stellt ein Ersatzgerät im Lager – statt eines installierten Ersatzgeräts – den ehrlichen Kompromiss dar. In einem Markt, in dem ein 34,5-kV- trockentransformator gerät ein Jahr lang in einer Produktionswarteschlange stehen kann, ist ein Ersatzgerät im Regal eine terminliche Entscheidung, keine elektrische.

 

Oberschwingungen, K-Faktor und der Neutralleiter

Netzteile für Server haben sich verbessert, sind aber nicht linear geworden. Ein modernes Schaltnetzteil mit aktiver Leistungsfaktorkorrektur entnimmt Strom mit einem hohen Scheitelfaktor und einem ungeraden Oberschwingungsspektrum, das deutlich über die siebte Oberschwingung hinausreicht. Die Tripel-Oberschwingungen – dritte, neunte, fünfzehnte – addieren sich im Neutralleiter statt sich zu kompensieren; daher kann der Neutralleiter mehr Strom führen als der zugehörige Außenleiter.

AK-Faktor-Transformator ist dafür ausgelegt, die zusätzlichen Wirbelstrom- und Streuverluste zu ertragen, die dieses Spektrum in den Wicklungen verursacht. K-13 gilt für eine gemischte Büro- und Datenlast; K-20 ist die übliche Wahl für einen Saal mit dicht gepackten Servernetzteilen. Eine K-Einstufung reduziert jedoch nicht die Spannungsverzerrung am Sammelschienensystem. Dies ist ein Systemproblem, das durch den Planungswert von 5 Prozent Gesamtharmonischer Verzerrung am Punkt der gemeinsamen Kopplung gemäß IEEE 519 für Systeme mit einer Spannung von 69 kV oder darunter geregelt wird und mittels Mehrpuls-Gleichrichtern, aktiven Filtern oder einem verstärkten Neutralleiter gelöst wird.

Unsere Standardvorgabe für einen Rechenzentrumtransformator ist mindestens eine K-13-Wicklung, ein 200-prozentiger Neutralleiter sowie eine Berechnung der Oberschwingungsverluste anhand des gemessenen Spektrums statt anhand einer allgemeinen K-Zahl. Diese Berechnung zeigt Ihnen, ob ein Transformator mit einer Nennleistung von 2.000 kVA bei dieser Last tatsächlich auch effektiv 2.000 kVA leisten kann.

 

 

Die DOE-2029-Leitung liegt exakt bei 34,5 kV

Die US-Effizienzvorschrift zieht eine Grenze, die die meisten Campus-Teams erst spät erkennen. Ein Verteilungstransformator gemäß der Definition in 10 CFR 431.192 weist eine Eingangsspannung von 34,5 kV oder weniger, eine Ausgangsspannung von 600 V oder weniger, eine Nennfrequenz von 60 Hz und eine Leistung zwischen 10 und 2.500 kVA bei flüssigkeitsgekühlten Geräten bzw. zwischen 15 und 2.500 kVA bei trockengekühlten Geräten auf. trockentransformator die Definition sowie die Terminen für die Einhaltung werden vom US Department of Energy .

Veröffentlicht. Daraus ergeben sich zwei Konsequenzen: Ein Unterverteilungsstellwerk mit 34,5 kV Eingangsspannung und 480Y/277 V Ausgangsspannung ist ein Verteilungstransformator und muss die Effizienztabelle erfüllen; ein Unterverteilungsstellwerk mit 34,5 kV Eingangsspannung und 4,16 kV Ausgangsspannung hingegen ist ein Leistungstransformator und fällt nicht darunter. Die geänderten Standards, die in der endgültigen Regelung von 2024 festgelegt wurden, gelten für Geräte, die ab dem 23. April 2029 hergestellt werden; ein Campus, der im Jahr 2029 oder 2030 in Betrieb genommen wird, legt daher bereits jetzt – unabhängig davon, ob dies in der Ausschreibung ausdrücklich vermerkt ist – nach der neuen Tabelle fest.

Die Einhaltung der Vorschriften erfolgt hauptsächlich durch den Einsatz von Kernstahl. Die Erfüllung der Leerlaufverlustgrenzwerte für 2029 erfordert in der Regel einen größeren Kern, besseres kornorientiertes oder amorphes Material sowie eine schwerere Einheit – was das Versandgewicht, die Bodenlast und den darunterliegenden Tragstahl beeinflusst. Eine heute ausgeschriebene Ausschreibung ohne Verlustpaket im Vergleich zur Tabelle für 2029 ist ein Änderungsauftrag, der nur auf seinen Zeitpunkt wartet. Fordern Sie jeden Bieter auf, Preise für beide Tabellen anzugeben, damit die Differenz vor der Bestellung – nicht erst danach – ersichtlich ist.

 

Was wir bauen und wie wir es verifizieren

Ryan Electric fertigt seit 2007 Transformatoren in einem 120.000 m² großen Werk in Haian, Jiangsu, mit über 180 Produktions- und Prüfeinrichtungen sowie 37 Patenten für Trocken- und flüssigkeitsgekühlte Bauarten. Die Geräte werden nach UL-, CSA-, IEEE-, IEC- und DEKRA-Richtlinien hergestellt und durch CNAS-akkreditierte Prüfungen validiert; seit 2023 agiert das Unternehmen als Joint-Venture-Partner von Eaton.

Für eine Spannungsklasse von 34,5 kV trockentransformator , die Tests, die bei dieser Spannung zählen, sind nicht verhandelbar. Die Impulsfestigkeit auf der Grundisolationsstufe von 200 kV beweist die Abstimmung der Wicklungs-Isolierung. Die Teilentladung an Gießharz ist auf 10 pC oder besser bei 1,5-facher Nennspannung begrenzt; eine Einheit, die lediglich mit 50 pC problemlos durchläuft, würde zwar noch einen Werksabnahmetest bestehen, würde aber im Betrieb dennoch zu Tracking neigen. Die Temperaturerhöhung bestätigt den Isolierklassen-Puffer bei der angegebenen Umgebungstemperatur, und Übersetzungsverhältnis, Impedanz sowie Geräuschpegel bestätigen, dass die Einheit auf dem Lkw mit dem untersuchten Modell übereinstimmt.

Wenn eine 34,5-kV-Campus-Spezifikation unseren Antragsstapel erreicht, lauten die ersten beiden Fragen: Welcher Kurzschlussstrom der Versorgungsnetzbetreiber am Anschlusspunkt verfügbar ist und welches gemessene Oberschwingungsspektrum die USV- und Serverlast aufweist. Beides steht typischerweise nicht in einer üblichen kVA-Tabelle, und beide Faktoren beeinflussen das Konstruktionskonzept maßgeblich. Diese Gespräche haben bereits mehr als ein Projekt von einer einzelnen großen Einheit hin zu einem Paar kleinerer K-gewerteter Einheiten verschoben; sie haben zudem verhindert, dass Projekte für eine K-20-Wicklung bezahlt haben, die sie gar nicht benötigten.

Falls Sie in diesem Quartal eine einzige Leitung für einen Rechenzentrumstransformator festlegen, senden Sie bitte die Hallen-Megawatt, das Kurzschlussstrom-Zertifikat des Netzbetreibers sowie das Lastspektrum. Wir liefern Ihnen einen direkten Vergleich beider Spannungsklassen, die Folgen für Schaltanlagen sowie ein Verlustpaket im Vergleich zur Tabelle aus dem Jahr 2029. Beginnen Sie hier: mittelspannungstransformator und die Folgen für Schaltanlagen kontaktieren Sie unser Ingenieursteam .

 

Über den Autor: Dieser Leitfaden wurde vom Stromtechnik-Team bei Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers) verfasst, einem Transformatorhersteller mit Sitz in Haian, Jiangsu, China, der trockentyp trocken-isolierte und flüssigkeitsgefüllte sowie zu Rechenzentren, Versorgungsunternehmen und Industrieprojekten weltweit.