34,5 kV frente a 13,8 kV: elección de un transformador de media tensión para campus de centros de datos

Cuatro salas de 60 MW cada una, una compañía eléctrica que suministra 13,8 kV porque esa es la línea ya existente junto al emplazamiento, y un paquete de cuadros de maniobra pedido antes de que nadie realizara el cálculo de corriente de cortocircuito. Seis meses después, la configuración ya no cabe en la sala eléctrica, la cantidad de alimentadores se ha duplicado y la corriente de cortocircuito disponible en el bus de 480 V supera la capacidad nominal de los equipos, los cuales no pueden devolverse. Ninguno de esos problemas fue causado por un fallo del transformador. El campus eligió una clase de media tensión antes de calcular el costo que dicha elección implicaría en cobre, cuadros de maniobra y espacio físico.

Atransformador del centro de datos normalmente se trata como el último elemento de la única línea: una relación que convierte 34,5 kV en 480Y/277 V. En la práctica, la clase de tensión primaria es una decisión sistémica que afecta los planes de cableado, las capacidades nominales de los cuadros de maniobra, los estudios de arco eléctrico y, desde 2024, también el alcance de la normativa estadounidense sobre eficiencia energética. Tomar la decisión correcta en la etapa conceptual requiere una semana de ingeniería. Tomarla incorrectamente obliga a reordenar los cuadros de maniobra.

A continuación se explica cómo comparamos ambas clases con los clientes, los datos que solicitamos antes de emitir una cotización y los tres puntos de especificación que determinan si la unidad funcionará durante veinticinco años o generará un reclamo bajo garantía en el tercer año.

 

 

Por qué la especificación de un transformador para centro de datos comienza con la clase de tensión

La relación de transformación es la primera variable y corresponde puramente a cálculos aritméticos. Para una potencia aparente dada en MVA, la corriente disminuye en proporción inversa a la tensión. Una sala de 60 MW consume aproximadamente 2.510 A a 13,8 kV y unos 1.004 A a 34,5 kV. Esa relación de 2,5 a 1 se refleja en la capacidad de conducción de corriente de cada alimentador entre el punto de conexión con la red eléctrica y la subestación de la unidad, en el número de conductores paralelos por alimentador y en el ancho de la bandeja portacables situada sobre ellos.

La corriente de falla circula en la dirección opuesta. Con una fuente de 500 MVA detrás del medidor, una falla franca en el bus de 13,8 kV es aproximadamente de 20,9 kA; a 34,5 kV, la misma fuente suministra alrededor de 8,4 kA. Una corriente de falla menor permite que el campus utilice un nivel de interrupción más bajo en el equipo de interruptores de media tensión, lo cual resulta relevante en un mercado donde el plazo de entrega del equipo de interruptores supera al del transformador.

Esta es la parte que suele pasarse por alto en la reunión inicial. El equipo para 34,5 kV no es físicamente más pequeño que el equipo para 13,8 kV: las distancias de separación son mayores y el nivel básico estándar de aislamiento es de 200 kV frente a 95 kV para la clase de 13,8 kV, por lo que los armarios son más altos y más profundos. Lo que ofrece la clase superior es una corriente menor por megavatio y un nivel de falla más bajo, lo que reduce el número de alimentadores y la potencia nominal de los dispositivos a escala del campus. Estas son dos economías distintas, y solo una de ellas aparece en el listado de cables.

 

34,5 kV y 13,8 kV, uno al lado del otro

La comparación siguiente utiliza una sala de 60 MW y una fuente disponible de 500 MVA. Si se modifica cualquiera de estas entradas, la conclusión puede cambiar; por eso solicitamos la carta de falla de la compañía eléctrica antes de emitir una cotización para un transformador de media tensión para un campus.

La corriente de la sala, el nivel de falla en el bus, el nivel de aislamiento, la cantidad de alimentadores y la huella de la tablería se modifican conjuntamente. Un campus que reduce a la mitad la cantidad de alimentadores suele encontrar los ahorros en los cables y las terminaciones, más que en el transformador mismo.

Parámetro (sala de 60 MW)	13,8 kV	34,5 kV
Corriente a carga total de la sala	~2.510 A	~1.004 A
Corriente de falla, fuente de 500 MVA	~20,9 kA	~8,4 kA
Nivel estándar de aislamiento básico	95 kV	200 kV
Alimentadores primarios por sala	Más recorridos en paralelo	Menos recorridos
Distancias de separación en los equipos de conmutación	Cubículos más cortos y numerosos	Cubículos más largos y menos numerosos

Ninguna columna gana por sí sola. Si la compañía eléctrica solo puede suministrar 13,8 kV, un campus aún puede elevar internamente el voltaje a 34,5 kV y distribuirlo a ese nivel; sin embargo, cada conversión requiere un transformador, implica aproximadamente un uno por ciento de pérdidas respecto al flujo total y añade un activo más que mantener. Ese compromiso merece ser modelado, no asumido.

 

La impedancia determina lo que ocurre en el bus de 480 V

La impedancia porcentual es donde impedancia del transformador la relación deja de ser simplemente una razón y comienza a convertirse en un problema de protección. Considérese una unidad de 2000 kVA con una impedancia del 5,75 % y un secundario de 480Y/277 V. La corriente de cortocircuito con conexión directa (bolted fault current) en los terminales secundarios es de aproximadamente 41,8 kA antes de incluir la impedancia de los cables y la contribución de los motores: 2 000 000 dividido entre (1,732 × 480 × 0,0575).

Elevar la impedancia al 6,5 por ciento reduce la corriente a aproximadamente 37 kA. Algunos compradores interpretan esto como una mejora de la seguridad. Sin embargo, no constituye automáticamente una ventaja en ese sentido. La energía incidente depende tanto de la corriente como del tiempo de despeje; por lo tanto, una corriente de falla más baja, situada por debajo del umbral de disparo instantáneo del dispositivo aguas arriba, puede prolongar la duración del arco y aumentar el riesgo. Por esta razón, el estudio de arco eléctrico debe realizarse con el equipo real, no con un valor típico; las reglas operativas se encuentran en NFPA 70E: el número de unidades de producción , edición actualizada 2027.

La otra mitad de la impedancia del transformador historia es la tolerancia. Normalmente, la impedancia garantizada se mantiene dentro de un margen de más o menos el 7,5 por ciento; así pues, dos unidades solicitadas con una impedancia nominal del 5,75 por ciento pueden diferir entre sí hasta casi un 15 por ciento en los extremos. Si se conectan esas dos unidades en paralelo, la diferencia de impedancias genera corrientes circulantes y una carga desigual mucho antes de que cualquiera de ellas alcance su valor nominal. Si el diseño requiere operación en paralelo, debe especificarse la ventana de impedancia, no solo el valor nominal.

 

De dos devanados, de tres devanados o selectiva primaria

Tres configuraciones cubren la mayoría de los diseños universitarios. Una subestación unitaria de dos devanados consiste en un transformador por edificio, lo que resulta en la solución más sencilla de proteger y la más fácil de reemplazar. Una subestación unitaria de tres devanados toma una entrada primaria y alimenta dos barras secundarias, lo que reduce el equipo de conmutación y los cables de media tensión, pero acopla eléctricamente los edificios: una desconexión en una barra secundaria afecta a ambas, a menos que el esquema de protección esté diseñado específicamente para evitarlo. Una configuración primaria selectiva incorpora dos alimentaciones procedentes de la red eléctrica mediante un selector que las conecta a un único transformador: ofrece redundancia de fuente, pero ninguna redundancia de transformador.

En una topología Tier III o Tier IV, normalmente la decisión ya está tomada. La redundancia debe ubicarse en el transformador, no únicamente en la fuente. Dos unidades de 2000 kVA, cada una cargada aproximadamente a la mitad de su capacidad nominal, operan a menor temperatura que una única unidad de 2000 kVA funcionando a plena carga, porque las pérdidas en vacío escalan según el tamaño del núcleo, mientras que las pérdidas bajo carga escalan según el cuadrado de la corriente. El sobrecoste radica en el segundo núcleo, no en el cobre.

Donde el presupuesto es ajustado, el compromiso honesto consiste en tener una unidad de repuesto en el almacén en lugar de instalarla. En un mercado donde un transformador de 34,5 kV transformador de tipo seco puede permanecer en una cola de producción durante un año, tener una unidad de repuesto en el estante constituye una decisión de programación, no una decisión eléctrica.

 

Armónicos, factor K y el conductor neutro

Las fuentes de alimentación para servidores han mejorado, pero no se han vuelto lineales. Una fuente de alimentación moderna con modulación por ancho de pulso y corrección activa del factor de potencia extrae corriente con un alto factor de cresta y un espectro armónico impar que se extiende mucho más allá del séptimo armónico. Los armónicos tripolares —tercero, noveno, decimoquinto— se suman en el neutro en vez de cancelarse, por lo que el neutro puede conducir más corriente que el conductor de fase al que pertenece.

ATransformador de factor K está clasificado para soportar las pérdidas adicionales por corrientes parásitas y pérdidas dispersas que ese espectro genera en los devanados. La clasificación K-13 cubre una carga mixta de oficina y datos; K-20 es la opción habitual para una sala repleta de fuentes de alimentación de servidores densas. Lo que una clasificación K no hace es reducir la distorsión de voltaje en el bus. Ese es un problema del sistema, regido por el nivel planificado de distorsión armónica total del 5 % en el punto de acoplamiento común según la norma IEEE 519 para sistemas de 69 kV o inferiores, y se resuelve mediante rectificadores de múltiples pulsos, filtros activos o un neutro de mayor sección.

Nuestra especificación predeterminada para un transformador de centro de datos es un devanado K-13 como mínimo, un neutro del 200 % y un cálculo de pérdidas armónicas realizado con base en el espectro medido, en lugar de usar un número K genérico. Ese cálculo es lo que determina si un bastidor de 2.000 kVA es realmente un bastidor de 2.000 kVA bajo esta carga.

 

 

La línea DOE 2029 se sitúa exactamente a 34,5 kV

La normativa estadounidense sobre eficiencia establece un límite que la mayoría de los equipos universitarios descubren tarde. Un transformador de distribución, según se define en el Código de Regulaciones Federales 10 CFR 431.192, tiene una tensión de entrada de 34,5 kV o menos, una tensión de salida de 600 V o menos, una calificación de 60 Hz y una capacidad entre 10 y 2500 kVA para unidades sumergidas en líquido o entre 15 y 2500 kVA para transformador de tipo seco unidades secas. La definición y las fechas de cumplimiento las publica el US Department of Energy .

Se derivan dos consecuencias. Una subestación unitaria de 34,5 kV a 480Y/277 V es un transformador de distribución y debe cumplir con la tabla de eficiencia, mientras que una unidad de 34,5 kV a 4,16 kV es un transformador de potencia y queda excluida de dicha tabla. Además, las normas modificadas adoptadas en la regla final de 2024 se aplican a las unidades fabricadas a partir del 23 de abril de 2029; por tanto, un campus que entre en servicio en 2029 o 2030 ya está especificando equipos conforme a la nueva tabla, independientemente de que el pliego de condiciones lo indique o no.

El cumplimiento se logra principalmente mediante el uso de acero núcleo. Cumplir con los límites de pérdidas en vacío para 2029 normalmente implica un núcleo más grande, material orientado a grano o amorfo de mejor calidad y una unidad más pesada, lo que modifica el peso de envío, la carga sobre el suelo y el acero estructural subyacente. Una licitación redactada hoy sin un paquete de pérdidas basado en la tabla de 2029 constituye una orden de cambio pendiente de fecha. Solicite a todos los licitadores que presenten cotizaciones para ambas tablas, de modo que la diferencia sea visible antes de emitir la orden de compra, no después.

 

Lo que fabricamos y cómo lo verificamos

Ryan Electric fabrica transformadores desde 2007 en una planta de 120 000 m² ubicada en Haian, Jiangsu, con más de 180 conjuntos de equipos de producción y ensayo, y 37 patentes en diseños de tipo seco e inmersos en líquido. Las unidades se fabrican conforme a las normas UL, CSA, IEEE, IEC y DEKRA, con ensayos acreditados por CNAS; desde 2023, la empresa opera como socio de empresa conjunta de Eaton.

Para una clase de 34,5 kV transformador de tipo seco , las pruebas que importan a este voltaje no son negociables. La resistencia al impulso a un nivel básico de aislamiento de 200 kV demuestra la coordinación del aislamiento del devanado. La descarga parcial en resina fundida se mantiene en 10 pC o mejor a 1,5 veces el voltaje nominal; una unidad que pasa fácilmente con 50 pC aún aprobará una prueba de aceptación en fábrica y luego presentará seguimiento (tracking) en servicio. El aumento de temperatura confirma el margen de la clase de aislamiento a la temperatura ambiente especificada, y la relación de transformación, la impedancia y el nivel de ruido confirman que la unidad transportada coincide con el modelo estudiado.

Cuando una especificación de campus de 34,5 kV llega a nuestro mostrador de aplicaciones, las dos primeras preguntas son: ¿cuál es la corriente de falla disponible de la compañía eléctrica en el punto de conexión? y ¿cuál es el espectro armónico medido de la UPS y de la carga de servidores? Ninguno de estos datos aparece típicamente en una tabla de kVA, y ambos afectan directamente el diseño. Esa conversación ha llevado a más de un proyecto desde una única unidad grande a un par de unidades más pequeñas con clasificación K, y también ha evitado que algunos proyectos pagaran por un devanado K-20 innecesario.

Si este trimestre está fijando una única línea para un transformador de centro de datos, envíe los megavatios del salón, la carta de corriente de falla de la compañía eléctrica y el espectro de carga. Le enviaremos una comparación lado a lado de ambas clases de voltaje, las transformador de media tensión y las consecuencias en el tablero de interruptores, así como un paquete de pérdidas frente a la tabla de 2029. Comience aquí: contácte a nuestro equipo de ingeniería .

 

Acerca del autor: Esta guía fue redactada por el equipo de ingeniería eléctrica de Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), un fabricante de transformadores con sede en Haian, Jiangsu, China, que suministra tipo seco , sumergidos en líquido y transformadores de subestación unitaria a centros de datos, instalaciones eléctricas y proyectos industriales en todo el mundo.