34,5 kV έναντι 13,8 kV: Επιλογή μετασχηματιστή μέσης τάσης για καμπούς κέντρων δεδομένων

Τέσσερις αίθουσες των 60 MW η καθεμία, μία εταιρεία παροχής ηλεκτρικής ενέργειας που προσφέρει 13,8 kV, επειδή αυτή η γραμμή ήδη διέρχεται από τον χώρο, και ένα σύνολο πίνακα διανομής που παραγγέλθηκε προτού κανείς υπολογίσει το ρεύμα βραχυκυκλώματος. Έξι μήνες αργότερα, η διάταξη δεν χωρά πλέον στο ηλεκτρικό δωμάτιο, ο αριθμός των τροφοδοτικών έχει διπλασιαστεί και το διαθέσιμο ρεύμα βραχυκυκλώματος στον πίνακα 480 V υπερβαίνει την ονομαστική ικανότητα του εξοπλισμού, ο οποίος δεν μπορεί να επιστραφεί. Τίποτα από όλα αυτά δεν ήταν αποτέλεσμα αστοχίας μετασχηματιστή. Το πανεπιστημιούπολη επέλεξε μία τάξη μεσαίας τάσης προτού υπολογίσει το κόστος που θα επέφερε αυτή η επιλογή σε χαλκό, πίνακες διανομής και χώρο δαπέδου.

Aμετασχηματιστής κέντρου δεδομένων συνήθως αντιμετωπίζεται ως το τελευταίο στοιχείο στη μοναδική γραμμή, ένας λόγος που μετατρέπει τα 34,5 kV σε 480Y/277 V. Στην πράξη, η τάξη τάσης του πρωτεύοντος κυκλώματος είναι μία απόφαση που αφορά ολόκληρο το σύστημα και επηρεάζει τους πίνακες καλωδίων, τις ονομαστικές τιμές των πινάκων διανομής, τις μελέτες ηλεκτρικού τόξου και, από το 2024, το πεδίο εφαρμογής της αμερικανικής ρύθμισης για την ενεργειακή απόδοση. Η σωστή επιλογή στο στάδιο της ιδέας κοστίζει μία εβδομάδα μηχανικής εργασίας. Η λανθασμένη επιλογή κοστίζει την επαναπαραγγελία του πίνακα διανομής.

Αυτό που ακολουθεί είναι ο τρόπος με τον οποίο συγκρίνουμε τις δύο κατηγορίες με τους πελάτες, οι αριθμοί που ζητούμε πριν από την παροχή προσφοράς και τα τρία σημεία προδιαγραφών που καθορίζουν εάν η μονάδα θα λειτουργεί για είκοσι πέντε χρόνια ή θα μετατραπεί σε αντικείμενο εγγύησης το τρίτο έτος.

 

 

Γιατί η προδιαγραφή μετασχηματιστή κέντρου δεδομένων ξεκινά από την κλάση τάσης

Ο λόγος μετασχηματισμού είναι ο πρώτος παράγοντας και είναι απλή αριθμητική. Για δεδομένη ισχύ σε MVA, το ρεύμα μειώνεται αντιστρόφως ανάλογα προς την τάση. Μία αίθουσα 60 MW καταναλώνει περίπου 2.510 A σε 13,8 kV και περίπου 1.004 A σε 34,5 kV. Αυτός ο λόγος 2,5 προς 1 εμφανίζεται στην ικανότητα ρεύματος κάθε τροφοδοτικού καλωδίου μεταξύ του σημείου σύνδεσης με το δίκτυο και του υποσταθμού μονάδας, στον αριθμό των παράλληλων δρόμων ανά τροφοδοτικό καλώδιο και στο πλάτος της καλωδιοθήκης πάνω από αυτά.

Το ρεύμα βραχυκυκλώματος κινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Με μια πηγή 500 MVA πίσω από τον μετρητή, ένα σφιχτό βραχυκύκλωμα στο 13,8 kV δίκτυο είναι περίπου 20,9 kA· στα 34,5 kV η ίδια πηγή παρέχει περίπου 8,4 kA. Ένα χαμηλότερο ρεύμα βραχυκυκλώματος επιτρέπει στο πανεπιστημιακό καμπούς να χρησιμοποιήσει μια χαμηλότερη τιμή διακοπής στον μεσαίας τάσης εξοπλισμό διακοπής, γεγονός που έχει σημασία σε έναν κλάδο όπου ο χρόνος παράδοσης του εξοπλισμού διακοπής είναι μεγαλύτερος από τον χρόνο παράδοσης των μετασχηματιστών.

Αυτό είναι το σημείο που συνήθως παραλείπεται κατά την πρώτη συνάντηση. Ο εξοπλισμός 34,5 kV δεν είναι φυσικά μικρότερος από τον εξοπλισμό 13,8 kV — οι αποστάσεις ασφαλείας είναι μεγαλύτερες και το τυπικό βασικό επίπεδο μόνωσης είναι 200 kV, σε αντίθεση με 95 kV για την κλάση 13,8 kV, οπότε οι θυρίδες είναι ψηλότερες και βαθύτερες. Αυτό που προσφέρει η υψηλότερη τάση είναι χαμηλότερο ρεύμα ανά MW και χαμηλότερο επίπεδο βραχυκυκλώματος, γεγονός που μειώνει τον αριθμό των τροφοδοτικών γραμμών και την ονομαστική ισχύ των συσκευών σε κλίμακα πανεπιστημιακού καμπούς. Αυτά είναι δύο διαφορετικά οικονομικά οφέλη, και μόνο το ένα εμφανίζεται σε ένα πρόγραμμα καλωδίων.

 

34,5 kV και 13,8 kV πλάι-πλάι

Η σύγκριση που ακολουθεί χρησιμοποιεί μία αίθουσα 60 MW και μία διαθέσιμη πηγή 500 MVA. Αν αλλάξετε οποιαδήποτε από τις δύο εισόδους, το συμπέρασμα μπορεί να αλλάξει, γι’ αυτόν τον λόγο ζητούμε το επίσημο έγγραφο της εταιρείας διανομής ηλεκτρικής ενέργειας σχετικά με τα βραχυκυκλώματα πριν από την παροχή προσφοράς για ένα μετατροπέας μεσαίου ηλεκτρικού υποτάσματος για ένα πανεπιστημιούπολη.

Το ρεύμα της αίθουσας, το επίπεδο βραχυκυκλώματος στον πίνακα, το επίπεδο μόνωσης, ο αριθμός των αγωγών τροφοδοσίας και το φυσικό μέγεθος του πίνακα διανομής αλλάζουν όλα ταυτόχρονα. Μία πανεπιστημιούπολη που μειώνει κατά το ήμισυ τον αριθμό των αγωγών τροφοδοσίας συνήθως επιτυγχάνει εξοικονόμηση στα καλώδια και στις αποκαταστάσεις, παρά στον μετασχηματιστή ίδιο.

Παράμετρος (αίθουσα 60 MW)	13,8 kV	34,5 kV
Ρεύμα σε πλήρη φόρτιση της αίθουσας	≈2.510 A	≈1.004 A
Ρεύμα βραχυκυκλώματος, πηγή 500 MVA	≈20,9 kA	~8,4 kA
Τυποποιημένο επίπεδο βασικής μόνωσης	95 kV	200 kV
Πρωτεύοντα καλώδια τροφοδοσίας ανά θάλαμο	Περισσότερες παράλληλες διαδρομές	Λιγότερες διαδρομές
Αποστάσεις μεταξύ των διακοπτικών συσκευών	Βραχύτερες, περισσότερες θαλάμους	Μακρύτερες, λιγότερες θαλάμους

Καμία από τις δύο στήλες δεν επικρατεί από μόνη της. Αν η εταιρεία παροχής ηλεκτρικής ενέργειας παραδίδει μόνο 13,8 kV, ένα πανεπιστημιούπολη μπορεί να αυξήσει εσωτερικά την τάση σε 34,5 kV και να κατανέμει σε αυτό το επίπεδο — όμως κάθε μετατροπή προσθέτει έναν μετασχηματιστή, προκαλώντας απώλειες περίπου 1 % της μεταφερόμενης ισχύος, καθώς και ένα επιπλέον στοιχείο για συντήρηση. Αυτή η ανταλλαγή αξίζει να προσομοιωθεί, αντί να υποτίθεται.

 

Η αντίσταση καθορίζει τι συμβαίνει στον πίνακα 480 V

Η ποσοστιαία αντίσταση είναι το σημείο όπου αντίσταση μετασχηματιστή σταματά να είναι απλώς ένας λόγος και αρχίζει να αποτελεί πρόβλημα προστασίας. Πάρτε ένα μονάδα 2.000 kVA με ποσοστιαία αντίσταση 5,75 % και δευτερεύουσα τάση 480Y/277 V. Το ρεύμα βραχυκυκλώματος με συνδεδεμένους ακροδέκτες στη δευτερεύουσα πλευρά είναι περίπου 41,8 kA πριν προστεθούν οι επιδράσεις της αντίστασης του καλωδίου και η συνεισφορά των κινητήρων: 2.000.000 διαιρούμενο με (1,732 × 480 × 0,0575).

Αυξήστε την αντίσταση σε 6,5 τοις εκατό και ο αριθμός μειώνεται σε περίπου 37 kA. Ορισμένοι αγοραστές ερμηνεύουν αυτό ως κέρδος ασφάλειας. Δεν είναι όμως αυτόματα τέτοιο. Η ενέργεια πρόσκρουσης τόξου εξαρτάται από το ρεύμα και τον χρόνο διακοπής μαζί, οπότε ένα χαμηλότερο ρεύμα βραχυκυκλώματος που παραμένει κάτω από το κατώφλι αμέσως ενεργοποιούμενης διακοπής της ανώτερης συσκευής μπορεί να επεκτείνει τη διάρκεια του τόξου και να αυξήσει τον κίνδυνο. Γι’ αυτόν τον λόγο, η μελέτη πρόσκρουσης τόξου πρέπει να εκτελείται για τη συγκεκριμένη μονάδα και όχι για μια τυπική τιμή· οι κανόνες εργασίας βρίσκονται στο Εφαρμογή της NFPA 70E , τρέχουσα έκδοση 2027.

Το άλλο μισό της αντίσταση μετασχηματιστή ιστορίας είναι η ανοχή. Η εγγυημένη αντίσταση διατηρείται συνήθως σε ±7,5 τοις εκατό, οπότε δύο μονάδες που παραγγέλλονται με αντίσταση 5,75 τοις εκατό μπορούν να διαφέρουν μεταξύ τους κατά σχεδόν 15 τοις εκατό στα ακραία όρια. Αν τοποθετηθούν αυτές οι δύο μονάδες παράλληλα, η αντίστοιχη αντίσταση προκαλεί κυκλικό ρεύμα και ανισόμετρη φόρτιση πολύ πριν από το να φτάσει οποιαδήποτε από τις δύο στην ονομαστική της ισχύ. Εάν η σχεδίαση εξαρτάται από παράλληλη λειτουργία, καθορίστε το εύρος αντίστασης, όχι μόνο την ονομαστική τιμή.

 

Διπλής Περιέλιξης, Τριπλής Περιέλιξης ή Επιλεκτικής Πρωτεύουσας

Τρεις διατάξεις καλύπτουν την πλειονότητα των σχεδίων πανεπιστημιούπολης. Ένας μονάδας υποσταθμός με δύο τυλίγματα αποτελείται από έναν μετασχηματιστή ανά κτίριο· είναι η απλούστερη λύση για προστασία και η ευκολότερη για αντικατάσταση. Μια μονάδα με τρία τυλίγματα λαμβάνει μία πρωτεύουσα τροφοδοσία και τροφοδοτεί δύο δευτερεύοντα δίκτυα· μειώνει τον εξοπλισμό μέσης τάσης και τα καλώδια, αλλά συνδέει ηλεκτρικά τα κτίρια — μια διακοπή σε ένα από τα δευτερεύοντα δίκτυα προκαλεί διακοπή και στα δύο, εκτός αν το σύστημα προστασίας έχει σχεδιαστεί ειδικά γι’ αυτό. Μια διάταξη πρωτεύουσας επιλογής (primary-selective) εισάγει δύο ρεύματα παροχής από το δίκτυο σε έναν μετασχηματιστή μέσω ενός επιλογέα· προσφέρει αντεφεδρεία πηγής, αλλά καθόλου αντεφεδρεία μετασχηματιστή.

Για μια τοπολογία Tier III ή Tier IV, η απόφαση λαμβάνεται συνήθως αυτόματα. Η αντεφεδρεία πρέπει να υπάρχει στο επίπεδο του μετασχηματιστή, όχι μόνο στο επίπεδο της πηγής. Δύο μονάδες των 2.000 kVA, καθεμία φορτωμένη σε περίπου το μισό της ονομαστικής ισχύος, λειτουργούν ψυχρότερα από μία μονάδα των 2.000 kVA υπό πλήρη φόρτιση, επειδή οι απώλειες χωρίς φόρτιση κλιμακώνονται με το μέγεθος του πυρήνα, ενώ οι απώλειες με φόρτιση κλιμακώνονται με το τετράγωνο του ρεύματος. Το πρόσθετο κόστος βρίσκεται στον δεύτερο πυρήνα, όχι στον χαλκό.

Όπου το προϋπολογισμός είναι περιορισμένος, η ειλικρινής συμβιβαστική λύση είναι μια εφεδρική μονάδα στο αποθηκευτικό χώρο αντί για μια εγκατεστημένη εφεδρική μονάδα. Σε μια αγορά όπου μια μονάδα 34,5 kV μετασχηματιστής ξηρού τύπου μπορεί να παραμείνει σε ουρά παραγωγής για ένα χρόνο, μια εφεδρική μονάδα στο ράφι είναι απόφαση προγραμματισμού, όχι ηλεκτρική απόφαση.

 

Αρμονικές, συντελεστής K και ουδέτερος αγωγός

Οι τροφοδοτικές μονάδες διακομιστών έχουν βελτιωθεί, αλλά δεν έχουν καταστεί γραμμικές. Μια σύγχρονη τροφοδοτική μονάδα με μετατροπή συχνότητας και ενεργό διόρθωση συντελεστή ισχύος αντλεί ρεύμα με υψηλό λόγο κορυφής και φάσμα περίεργων αρμονικών που εκτείνεται πολύ πέρα από την έβδομη. Οι τριπλές αρμονικές — τρίτη, ένατη, δεκάτη πέμπτη — προστίθενται στον ουδέτερο αγωγό αντί να ακυρώνονται, οπότε ο ουδέτερος αγωγός μπορεί να μεταφέρει μεγαλύτερο ρεύμα από τον αγωγό φάσης στον οποίο ανήκει.

AΜετασχηματιστής K-factor είναι βαθμολογημένο για να αντέχει τις επιπλέον απώλειες λόγω δευτερευουσών ρευμάτων και αποσπασματικών πεδίων που παράγει αυτό το φάσμα στα τυλίγματα. Η κατάταξη K-13 καλύπτει μια μεικτή επιφόρτιση γραφείων και δεδομένων· η K-20 είναι η συνήθης επιλογή για μια αίθουσα που είναι γεμάτη με πυκνές παροχές διακομιστών. Αυτό που ΔΕΝ κάνει μια κατάταξη K είναι να μειώνει την παραμόρφωση τάσης στην λεωφόρο. Αυτό είναι ένα πρόβλημα συστήματος, το οποίο διέπεται από το επίπεδο σχεδιασμού της συνολικής αρμονικής παραμόρφωσης της τάσης 5 % στο σημείο κοινής σύζευξης, όπως καθορίζεται στο πρότυπο IEEE 519 για συστήματα με τάση ίση ή μικρότερη των 69 kV, και επιλύεται με πολυπλεγματικούς ανορθωτές, ενεργά φίλτρα ή μεγαλύτερη ουδέτερη αγωγό.

Η προεπιλεγμένη προδιαγραφή μας για μετασχηματιστή κέντρου δεδομένων είναι τύλιγμα K-13 ως ελάχιστο, ουδέτερος αγωγός 200 % και υπολογισμός απωλειών λόγω αρμονικών που εκτελείται με βάση το μετρηθέν φάσμα, αντί για έναν γενικό αριθμό K. Αυτός ο υπολογισμός είναι αυτός που σας λέει εάν ένα πλαίσιο 2.000 kVA είναι πραγματικά ένα πλαίσιο 2.000 kVA υπό αυτή την επιφόρτιση.

 

 

Η γραμμή DOE 2029 βρίσκεται ακριβώς στα 34,5 kV

Οι αμερικανικοί κανονισμοί για την απόδοση θέτουν ένα όριο που οι περισσότερες ομάδες πανεπιστημιακών καμπούς ανακαλύπτουν αργά. Ένας μετασχηματιστής διανομής, όπως ορίζεται στο 10 CFR 431.192, έχει είσοδο τάσης 34,5 kV ή λιγότερο, έξοδο 600 V ή λιγότερο, συχνότητα ονομαστικής λειτουργίας 60 Hz και ισχύ μεταξύ 10 και 2.500 kVA για υγρό-εμβαπτιζόμενες μονάδες ή μεταξύ 15 και 2.500 kVA για μετασχηματιστής ξηρού τύπου μονάδες. Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ .

Απορρέουν δύο συνέπειες. Μία μονάδα υποσταθμού από 34,5 kV σε 480Y/277 V είναι μετασχηματιστής διανομής και πρέπει να πληροί τον πίνακα απόδοσης, ενώ μία μονάδα από 34,5 kV σε 4,16 kV είναι μετασχηματιστής ισχύος και δεν εμπίπτει σε αυτόν. Οι τροποποιημένες προδιαγραφές που εγκρίθηκαν με τον τελικό κανονισμό του 2024 ισχύουν για μονάδες που κατασκευάζονται την ή μετά την 23η Απριλίου 2029, επομένως ένα πανεπιστημιακό καμπού που θα ενεργοποιηθεί το 2029 ή το 2030 προδιαγράφει ήδη σύμφωνα με τον νέο πίνακα, ανεξάρτητα από το αν η δημόσια πρόσκληση το αναφέρει ή όχι.

Η συμμόρφωση αγοράζεται κυρίως σε βασικό χάλυβα. Η επίτευξη των ορίων χωρίς φορτίο για το 2029 συνήθως σημαίνει μεγαλύτερο πυρήνα, καλύτερο προσανατολισμένο κατά κόκκο ή άμορφο υλικό και βαρύτερη μονάδα — πράγμα που αλλάζει το βάρος μεταφοράς, το φορτίο δαπέδου και τον δομικό χάλυβα κάτω από τη μονάδα. Μια πρόσκληση υποβολής προσφοράς που συντάσσεται σήμερα χωρίς πακέτο απωλειών σε σχέση με τον πίνακα του 2029 αποτελεί εντολή τροποποίησης που περιμένει ημερομηνία. Ζητήστε από κάθε υποβάλλοντα να υποβάλει προσφορές για και τους δύο πίνακες, ώστε η διαφορά να είναι ορατή πριν από την έκδοση της παραγγελίας αγοράς, όχι μετά.

 

Τι κατασκευάζουμε και πώς το επαληθεύουμε

Η Ryan Electric κατασκευάζει μετασχηματιστές από το 2007 σε εργοστάσιο 120.000 m² στο Haian, Jiangsu, με περισσότερα από 180 σύνολα εξοπλισμού παραγωγής και δοκιμών και 37 διπλώματα ευρεσιτεχνίας σε σχέδια ξηρού τύπου και υγρού εμβυθισμού. Οι μονάδες κατασκευάζονται σύμφωνα με τα πρότυπα UL, CSA, IEEE, IEC και DEKRA, με δοκιμές πιστοποιημένες από το CNAS, και από το 2023 η εταιρεία λειτουργεί ως εταίρος κοινής επιχείρησης της Eaton.

Για κλάση 34,5 kV μετασχηματιστής ξηρού τύπου , οι δοκιμές που έχουν σημασία σε αυτή την τάση δεν είναι διαπραγματεύσιμες. Η ανοχή σε κρούση στο βασικό επίπεδο μόνωσης 200 kV αποδεικνύει τη συντονισμένη μόνωση των τυλιγμάτων. Η μερική εκκένωση σε ρητίνη χύτευσης περιορίζεται σε 10 pC ή καλύτερο σε τάση 1,5 φορές την ονομαστική· μια μονάδα που περνά εύκολα στα 50 pC θα περνούσε ακόμη και το εργοστασιακό δεκτικό τεστ και στη συνέχεια θα εμφάνιζε ίχνη κατά τη λειτουργία της. Η αύξηση της θερμοκρασίας επιβεβαιώνει το περιθώριο κλάσης μόνωσης στην καθορισμένη περιβαλλοντική θερμοκρασία, ενώ ο λόγος μετασχηματισμού, η εμπέδηση και το επίπεδο θορύβου επιβεβαιώνουν ότι η μονάδα στο φορτηγό αντιστοιχεί στο μοντέλο που μελετήθηκε.

Όταν μια προδιαγραφή καμπούς 34,5 kV φτάνει στο γραφείο εφαρμογής μας, τα δύο πρώτα ερωτήματα είναι: η διαθέσιμη ρεύμα βραχυκυκλώματος από την εταιρεία ηλεκτροδότησης στο σημείο σύνδεσης και το μετρημένο φάσμα αρμονικών του UPS και του φορτίου των διακομιστών. Κανένα από τα δύο δεν εμφανίζεται σε έναν τυπικό πίνακα kVA, και και τα δύο επηρεάζουν το σχεδιασμό. Αυτή η συζήτηση έχει οδηγήσει περισσότερα από ένα έργο από μία μεγάλη μονάδα σε ζεύγος μικρότερων μονάδων K-rated, καθώς και έχει αποτρέψει έργα από την αγορά ενός τυλίγματος K-20 που δεν χρειάζονταν.

Εάν πρόκειται να οριστικοποιήσετε αυτό το τρίμηνο μία μοναδική γραμμή για μετασχηματιστή κέντρου δεδομένων, στείλτε τα megawatts της αίθουσας, την επιστολή βραχυκυκλώματος της εταιρείας ηλεκτροδότησης και το φάσμα φορτίου. Θα σας επιστρέψουμε μία παράλληλη σύγκριση και των δύο τάσεων, τις μετατροπέας μεσαίου ηλεκτρικού υποτάσματος και τις συνέπειες για τον πίνακα διανομής, καθώς και ένα πακέτο απωλειών σε σύγκριση με τον πίνακα του 2029. Ξεκινήστε εδώ: επικοινωνήστε με την ομάδα μας μηχανικών .

 

Σχετικά με τον Συγγραφέα: Οδηγός αυτός συντάχθηκε από την ομάδα μηχανικών ισχύος της Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), ενός κατασκευαστή μετασχηματιστών με έδρα το Haian, Jiangsu, Κίνα, ο οποίος προμηθεύει ξηρή μορφή ξηρούς, υγρούς και μετασχηματιστές υποσταθμών σε κέντρα δεδομένων, εγκαταστάσεις χρήσης και βιομηχανικά έργα παγκοσμίως.