انتخاب ترانسفورماتور ولتاژ متوسط: ۳۴٫۵ کیلوولت در مقابل ۱۳٫۸ کیلوولت برای محوطه‌های مرکز داده

چهار سالن با توان هر کدام ۶۰ مگاوات، یک شرکت توزیع برق که ولتاژ ۱۳٫۸ کیلوولت ارائه می‌دهد زیرا این ولتاژ در خط موجود که از کنار محل عبور می‌کند، قبلاً وجود دارد، و یک مجموعه تجهیزات قطع و وصل که پیش از انجام محاسبات جریان اتصال کوتاه سفارش داده شده است. شش ماه بعد، آرایش تجهیزات دیگر در اتاق برق جا نمی‌گیرد، تعداد فیدرها دو برابر شده است و جریان اتصال کوتاه قابل دسترس در اتوبوس ۴۸۰ ولت از رتبه‌بندی تجهیزاتی که قابل بازگشت نیست، فراتر رفته است. هیچ‌یک از این موارد ناشی از خرابی ترانسفورماتور نبوده است. پردیس، طبقه ولتاژ متوسط را پیش از محاسبه هزینه‌های ناشی از آن در مس، تجهیزات قطع و وصل و فضای افقی انتخاب کرده است.

ا ترانسفورماتور مرکز داده معمولاً به‌عنوان آخرین مورد روی خط تکی در نظر گرفته می‌شود؛ نسبتی که ولتاژ ۳۴٫۵ کیلوولت را به ۴۸۰Y/۲۷۷ ولت تبدیل می‌کند. در عمل، طبقه ولتاژ اولیه تصمیمی سیستمی است که بر برنامه‌های کابل‌کشی، رتبه‌بندی تجهیزات قطع و وصل، مطالعات انفجار قوس الکتریکی و از سال ۲۰۲۴ به‌بعد، محدوده مقررات کارایی ایالات متحده تأثیر می‌گذارد. انتخاب صحیح آن در مرحله مفهومی، هفته‌ای از مهندسی را می‌طلبد. اما انتخاب نادرست آن، نیازمند سفارش مجدد تجهیزات قطع و وصل است.

آنچه در ادامه آمده، روش مقایسهٔ ما از دو کلاس با مشتریان، اعدادی است که پیش از ارائهٔ نقل‌قول از آنها می‌خواهیم و سه نقطهٔ مشخصاتی که تعیین‌کنندهٔ این هستند که آیا دستگاه بیست‌وپنج سال عمل می‌کند یا در سال سوم به موضوعی برای اختلاف در ضمانت‌نامه تبدیل می‌شود.

 

 

چرا مشخصات ترانسفورماتور مرکز داده از ردهٔ ولتاژ آغاز می‌شود

نسبت ترانسفورماتور نخستین عامل است و کاملاً محاسباتی است. برای یک مقدار داده‌شدهٔ MVA، جریان به‌صورت معکوس با ولتاژ کاهش می‌یابد. یک سالن ۶۰ مگاواتی در ولتاژ ۱۳٫۸ کیلوولت حدوداً ۲۵۱۰ آمپر و در ولتاژ ۳۴٫۵ کیلوولت حدوداً ۱۰۰۴ آمپر جریان می‌کشد. این نسبت ۲٫۵ به ۱ در ظرفیت جریان هر فیدر بین نقطهٔ اتصال برق‌رسان و ترانسفورماتور واحد، در تعداد اجرای موازی هر فیدر و در عرض تراز کابل بالای آنها نمایان می‌شود.

جریان خطا در جهت مخالف حرکت می‌کند. با منبعی به ظرفیت ۵۰۰ مگاولت‌آمپر پشت کنتور، جریان خطا در اتصال کوتاه صلب در اتوبوس ۱۳٫۸ کیلوولت تقریباً ۲۰٫۹ کیلوآمپر و در اتوبوس ۳۴٫۵ کیلوولت همان منبع حدود ۸٫۴ کیلوآمپر تأمین می‌کند. جریان خطا‌ی پایین‌تر اجازه می‌دهد تا تجهیزات قطع ولتاژ متوسط روی پردیس از رتبه‌ی قطع پایین‌تری استفاده کنند؛ این امر در بازاری که زمان تحویل تجهیزات قطع طولانی‌تر از زمان تحویل ترانسفورماتورهاست، اهمیت دارد.

بخشی که در جلسه‌ی آغازین اغلب نادیده گرفته می‌شود این است: تجهیزات ۳۴٫۵ کیلوولت از نظر فیزیکی کوچک‌تر از تجهیزات ۱۳٫۸ کیلوولت نیستند — فواصل عایقی در آن‌ها بیشتر است و سطح استاندارد عایقی پایه ۲۰۰ کیلوولت در مقابل ۹۵ کیلوولت برای رده‌ی ۱۳٫۸ کیلوولت است؛ بنابراین کابینت‌ها بلندتر و عمیق‌تر هستند. آنچه رده‌ی بالاتر فراهم می‌کند، جریان کمتری به ازای هر مگاوات و سطح خطا‌ی پایین‌تر است که تعداد فیدرها و رتبه‌ی دستگاه‌ها در مقیاس پردیس را کاهش می‌دهد. این دو نوع صرفه‌جویی متفاوت هستند و تنها یکی از آن‌ها در برنامه‌ی کابل‌کشی نمایان می‌شود.

 

۳۴٫۵ کیلوولت و ۱۳٫۸ کیلوولت در کنار یکدیگر

مقایسهٔ زیر از یک سالن ۶۰ مگاواتی و یک منبع قابل‌دسترس ۵۰۰ مگاولت‌آمپری استفاده می‌کند. تغییر هر یک از این ورودی‌ها می‌تواند نتیجه را تأثیر بگذارد؛ به همین دلیل پیش از ارائهٔ پیش‌فاکتور، از شما درخواست نامهٔ عیب شبکهٔ تأمین‌کننده را داریم. ترانسفورماتور ولتاژ میانه برای یک محوطهٔ دانشگاهی.

جریان سالن، سطح عیب در باس، سطح عایق‌بندی، تعداد فیدرها و فضای اشغالی تابلوی توزیع همگی با هم تغییر می‌کنند. در یک محوطهٔ دانشگاهی که تعداد فیدرها را نصف می‌کند، صرفه‌جویی معمولاً در کابل‌ها و اتصالات آن‌ها رخ می‌دهد نه در خود ترانسفورماتور.

پارامتر (سالن ۶۰ مگاواتی)	۱۳٫۸ کیلوولت	۳۴٫۵ کیلوولت
جریان در بار کامل سالن	تقریباً ۲۵۱۰ آمپر	تقریباً ۱۰۰۴ آمپر
جریان عیب با منبع ۵۰۰ مگاولت‌آمپری	تقریباً ۲۰٫۹ کیلوآمپر	حدود ۸٫۴ کیلوآمپر
سطح استاندارد عایق‌بندی پایه	۹۵ کیلوولت	۲۰۰ کیلوولت
تعداد فیدر اصلی در هر سالن	تعداد بیشتری اجرای موازی	تعداد کمتری اجرای موازی
فاصله‌های تجهیزات قطع و وصل	کابینت‌های کوتاه‌تر و بیشتر	کابینت‌های بلندتر و کمتر

هیچ‌کدام از دو ستون به تنهایی برتری ندارند. اگر شرکت برق تنها ولتاژ ۱۳٫۸ کیلوولت را ارائه دهد، بازهم می‌توان در داخل پردیس ولتاژ را به ۳۴٫۵ کیلوولت افزایش داد و توزیع را در این سطح انجام داد — اما هر تبدیلی یک ترانسفورماتور اضافه می‌کند که حدود یک درصد از توان عبوری را به‌صورت تلفات از دست می‌دهد و یک دارایی دیگر برای نگهداری ایجاد می‌کند. این تعادل را باید مدل‌سازی کرد نه اینکه فرضیه‌ای دربارهٔ آن قائل شد.

 

امپدانس تعیین‌کنندهٔ آنچه در اتصال‌دهندهٔ ۴۸۰ ولت رخ می‌دهد است

درصد امپدانس جایی است که ایمپدانس ترانسفورمر دیگر به‌عنوان یک نسبت عمل نمی‌کند و به یک مسئلهٔ حفاظتی تبدیل می‌شود. برای نمونه، یک واحد ۲۰۰۰ کیلوولت‌آمپری با امپدانس ۵٫۷۵ درصد و ولتاژ ثانویهٔ ۴۸۰Y/۲۷۷ ولت را در نظر بگیرید. جریان اتصال کوتاه صلب در ترمینال‌های ثانویه، پیش از احتساب امپدانس کابل و مشارکت موتورها، حدود ۴۱٫۸ کیلوآمپر است: ۲۰۰۰۰۰۰ تقسیم بر (۱٫۷۳۲ × ۴۸۰ × ۰٫۰۵۷۵).

افزایش امپدانس به ۶٫۵ درصد، جریان خطا را به حدود ۳۷ کیلوآمپر کاهش می‌دهد. گاهی خریداران این تغییر را نشانه‌ای از افزایش ایمنی تفسیر می‌کنند؛ اما اینطور نیست. انرژی حادثه‌ای (arc energy) هم‌زمان به جریان و زمان قطع بستگی دارد؛ بنابراین کاهش جریان خطا به سطحی پایین‌تر از آستانه قطع لحظه‌ای دستگاه بالادست می‌تواند مدت زمان قوس الکتریکی را افزایش دهد و خطر را تشدید کند. این دلیل آن است که مطالعه خطر قوس الکتریکی باید برای واحد واقعی — نه بر اساس مقادیر معمول — انجام شود؛ قوانین کاربردی در NFPA 70E ، آخرین ویرایش سال ۲۰۲۷، تعیین شده‌اند.

نیمهٔ دیگر ایمپدانس ترانسفورمر داستان، تحمل (tolerance) است. امپدانس تضمین‌شده معمولاً در محدودهٔ ±۷٫۵ درصد نگه داشته می‌شود؛ بنابراین دو دستگاه با امپدانس مشخص‌شدهٔ ۵٫۷۵ درصد ممکن است در حالت‌های حدی تا نزدیک به ۱۵ درصد با یکدیگر تفاوت داشته باشند. در صورت اتصال این دو دستگاه به‌صورت موازی، این عدم تطابق منجر به جریان گردشی و باردهی نامتوازن می‌شود — حتی پیش از اینکه هر یک از دستگاه‌ها به ظرفیت اسمی خود برسند. اگر طراحی متکی بر کار موازی است، باید پنجرهٔ امپدانس را مشخص کرد، نه فقط مقدار اسمی آن.

 

دو سیم‌پیچه، سه سیم‌پیچه یا انتخابی اولیه

سه روش آرایش بیشترین طرح‌های پردیس را پوشش می‌دهد. ایستگاه فرعی واحد دو سیم‌پیچه شامل یک ترانسفورماتور برای هر سالن است و ساده‌ترین روش برای حفاظت و جایگزینی آسان‌تر است. ایستگاه فرعی واحد سه سیم‌پیچه از یک منبع اولیه تغذیه می‌شود و دو اتوبوس ثانویه را تغذیه می‌کند که این امر تجهیزات قطع‌کننده ولتاژ متوسط و کابل‌ها را کاهش می‌دهد، اما سالن‌ها را از نظر الکتریکی به هم متصل می‌سازد — یعنی قطع در یک اتوبوس ثانویه، هر دو سالن را از کار می‌اندازد مگر اینکه طرح حفاظتی به‌گونه‌ای طراحی شده باشد که این اتفاق را جلوگیری کند. در آرایش انتخابی اولیه، دو تغذیه برق شهری از طریق یک انتخاب‌کننده (سلکتور) به یک ترانسفورماتور وارد می‌شوند: این روش از نظر منبع امکان پشتیبانی دارد، اما هیچ پشتیبانی برای خود ترانسفورماتور فراهم نمی‌کند.

برای توپولوژی سطح سه (Tier III) یا سطح چهار (Tier IV)، معمولاً تصمیم از پیش تعیین شده است. پشتیبانی باید در سطح ترانسفورماتور قرار گیرد، نه صرفاً در سطح منبع تغذیه. دو واحد ترانسفورماتور ۲۰۰۰ کیلوولت‌آمپری که هر کدام تقریباً تا نیمی از ظرفیت اسمی‌شان بار دارند، نسبت به یک واحد ۲۰۰۰ کیلوولت‌آمپری که در حالت بار کامل کار می‌کند، دمای پایین‌تری دارند؛ زیرا تلفات بدون بار با اندازه هسته تناسب دارد، در حالی که تلفات بار با مربع جریان تناسب دارد. هزینه اضافی مربوط به هسته دوم است، نه مواد مسی.

جایی که بودجه محدود است، ترکیب صادقانه‌ای که پذیرفته می‌شود این است که یک واحد اضافی در انبار نگهداری شود نه اینکه روی سیستم نصب شود. در بازاری که یک ترانسفورماتور ۳۴٫۵ کیلوولتی ممکن است برای یک سال در صف تولید بماند، داشتن یک واحد اضافی روی قفسه تصمیمی زمان‌بندی‌شده است، نه الکتریکی. ترانسفورماتور نوع خشک می‌تواند برای یک سال در صف تولید بماند، داشتن یک واحد اضافی روی قفسه تصمیمی زمان‌بندی‌شده است، نه الکتریکی.

 

همگن‌ها، ضریب کی و هادی خنثی

منابع تغذیه سرور بهبود یافته‌اند، اما خطی نشده‌اند. یک منبع تغذیه مدار قطع‌ووصل مدرن با اصلاح فعال ضریب توان، جریان را با ضریب قله‌ای بالا و طیف هارمونیکی فردی می‌کشد که تا فراتر از هارمونیک هفتم ادامه دارد. هارمونیک‌های سه‌گانه — سوم، نهم و پانزدهم — در هادی خنثی جمع می‌شوند نه اینکه لغو شوند؛ بنابراین هادی خنثی ممکن است جریان بیشتری نسبت به هادی فاز مربوط به خود حمل کند.

ا ترانسفورماتور ضریب K برای تحمل اضافه‌بار ناشی از تلفات گردابی و پراکنده‌ای که این طیف در سیم‌پیچ‌ها ایجاد می‌کند، رتبه‌بندی شده است. رتبه K-13 برای بار ترکیبی دفتری و داده‌ای مناسب است؛ در حالی که K-20 معمولاً برای سالن‌هایی با تراکم بالای منابع تغذیه سرور انتخاب می‌شود. رتبه K هیچ‌گونه تأثیری در کاهش اعوجاج ولتاژ روی اتوبوس ندارد. این مسئله‌ای سیستمی است که توسط سطح برنامه‌ریزی اعوجاج هارمونیک کل ۵ درصد در نقطه اتصال مشترک (PCC) در استاندارد IEEE 519 برای سیستم‌هایی با ولتاژ ۶۹ کیلوولت یا کمتر تعیین می‌شود و با استفاده از یکسوکننده‌های چندپالسی، فیلترهای فعال یا افزایش سایز سیم خنثی حل می‌شود.

حداقل مشخصات استاندارد ما برای ترانسفورماتور مراکز داده، سیم‌پیچ رتبه‌بندی‌شده K-13، سیم خنثی ۲۰۰ درصدی و انجام محاسبه تلفات هارمونیکی بر اساس طیف اندازه‌گیری‌شده (نه بر اساس یک عدد K عمومی) است. این محاسبه است که به شما نشان می‌دهد آیا یک ترانسفورماتور با ظرفیت اسمی ۲۰۰۰ کیلوولت‌آمپر در واقع در این بار، ظرفیت واقعی ۲۰۰۰ کیلوولت‌آمپر دارد یا خیر.

 

 

خط DOE ۲۰۲۹ دقیقاً در سطح ۳۴٫۵ کیلوولت قرار دارد.

مقررات کارایی ایالات متحده مرزی تعیین می‌کند که بیشتر تیم‌های دانشگاهی دیرتر از موعد آن را کشف می‌کنند. ترانسفورماتور توزیع، همان‌طور که در بخش ۴۳۱٫۱۹۲ از قانون فدرال ۱۰ تعریف شده است، دارای ولتاژ ورودی ۳۴٫۵ کیلوولت یا کمتر، ولتاژ خروجی ۶۰۰ ولت یا کمتر، فرکانس نامی ۶۰ هرتز و ظرفیتی بین ۱۰ تا ۲۵۰۰ کیلوولت‌آمپر برای واحدهای غوطه‌ور در مایع یا بین ۱۵ تا ۲۵۰۰ کیلوولت‌آمپر برای ترانسفورماتور نوع خشک واحدها است. تعریف و تاریخ‌های اجرایی آن توسط وزارت انرژی ایالات متحده .

منتشر شده‌اند. دو پیامد از این امر ناشی می‌شود: یک ایستگاه ترانسفورماتوری با ولتاژ ورودی ۳۴٫۵ کیلوولت و ولتاژ خروجی ۴۸۰Y/۲۷۷ ولت، ترانسفورماتور توزیع محسوب می‌شود و باید جدول کارایی را رعایت کند؛ در حالی که یک ایستگاه ترانسفورماتوری با ولتاژ ورودی ۳۴٫۵ کیلوولت و ولتاژ خروجی ۴٫۱۶ کیلوولت، ترانسفورماتور قدرت محسوب شده و خارج از این جدول قرار می‌گیرد. همچنین استانداردهای اصلاح‌شده‌ای که در آیین‌نامه نهایی ۲۰۲۴ تصویب شده‌اند، برای واحدهایی اعمال می‌شوند که از تاریخ ۲۳ آوریل ۲۰۲۹ به بعد ساخته شده‌اند؛ بنابراین یک پردیس دانشگاهی که در سال‌های ۲۰۲۹ یا ۲۰۳۰ برق‌رسانی می‌شود، حتی اگر مناقصه به‌صورت صریح به این موضوع اشاره نکرده باشد، هم‌اکنون در حال مشخص‌کردن واحدها بر اساس جدول جدید است.

انطباق عمدتاً در فولاد هسته خریداری می‌شود. برآوردن حداقل تلفات بدون بار در سال ۲۰۲۹ معمولاً به معنای استفاده از هسته‌ای بزرگ‌تر، جنس بهتر جهت‌دار یا آمورف و دستگاهی سنگین‌تر است — که این امر وزن حمل‌ونقل، بار واردشده بر کف و فولاد سازه‌ای زیرین را تغییر می‌دهد. مناقصه‌ای که امروز تدوین شود و شامل بسته‌ای برای تلفات نباشد و تنها به جدول سال ۲۰۲۹ ارجاع دهد، در واقع سفارش تغییری است که منتظر تعیین تاریخ اجراست. از همه پیشنهاددهندگان بخواهید هر دو جدول را قیمت‌گذاری کنند تا تفاوت (دلتا) پیش از صدور سفارش خرید و نه پس از آن مشخص باشد.

 

آنچه ما می‌سازیم و چگونه آن را تأیید می‌کنیم

رایان الکتریک از سال ۲۰۰۷ تاکنون ترانسفورماتورها را در کارخانه‌ای به مساحت ۱۲۰۰۰۰ مترمربع در هوائیان، جیانگسو تولید کرده است و دارای بیش از ۱۸۰ دستگاه تجهیزات تولیدی و آزمایشی و ۳۷ اختراع ثبت‌شده در طرح‌های نوع خشک و غوطه‌ور در مایع است. واحدها مطابق با استانداردهای UL، CSA، IEEE، IEC و DEKRA ساخته می‌شوند و آزمایش‌ها توسط آزمایشگاهی با اعتبارسنجی CNAS انجام می‌گیرد؛ و از سال ۲۰۲۳ این شرکت به‌عنوان شریک مشترک اتون (Eaton) فعالیت می‌کند.

برای کلاس ۳۴٫۵ کیلوولت ترانسفورماتور نوع خشک ، آزمايش هاي مهم در اين ولتاژ قابل مذاکره نيستن. مقاومت در برابر ضربه در سطح عایق پایه 200 کلوولت نشان می دهد هماهنگی عایق پیچ. تخلیه جزئی روی رزین ریخته شده در 10 پی سی یا بهتر در 1.5 برابر ولتاژ نامی نگهداری می شود؛ یک واحد که به طور تصادفی در 50 پی سی عبور می کند هنوز هم از آزمون پذیرش کارخانه عبور می کند و سپس در سرویس راه می رود. افزایش دمای ثابت می کند که محدوده کلاس عایق در محیط مشخص شده و نسبت، مقاومت و سطح صدا تایید می کند که واحد روی کامیون با مدل مورد مطالعه مطابقت دارد.

وقتی مشخصات ۳۴٫۵ کیلوولت برای پردیس به میز درخواست ما می‌رسد، دو سؤال اول این‌ها هستند: جریان اتصال کوتاه موجود از شبکه در نقطه اتصال و طیف هارمونیک اندازه‌گیری‌شده بار UPS و سرور. هیچ‌کدام از این دو در جدول معمول kVA آورده نشده‌اند و هر دو بر طراحی تأثیر می‌گذارند. این گفت‌وگو در بیش از یک پروژه، باعث تغییر از یک واحد بزرگ منفرد به دو واحد کوچک‌تر با رتبه K شده است و همچنین در برخی پروژه‌ها مانع خرید پیچش K-20 شده است که نیازی به آن نبوده است.

اگر قصد دارید این فصل، خط تکی برای ترانسفورماتور مرکز داده را ثابت کنید، مگاوات سالن، نامه اتصال کوتاه شبکه و طیف بار را ارسال کنید. ما مقایسه‌ای در کنار هم از هر دو کلاس ولتاژ، پیامدهای تابلوهای قدرت و بسته‌ای از تلفات در برابر جدول ۲۰۲۹ ارائه خواهیم داد. ترانسفورماتور ولتاژ میانه و پیامدهای تابلوهای قدرت، و بسته‌ای از تلفات در برابر جدول ۲۰۲۹. با تیم مهندسی ما تماس بگیرید .

 

درباره نویسنده: این راهنما توسط تیم مهندسی برق شرکت Ryan Electric (ترانسفورماتورهای جیانگسو Ryan)، یک سازنده ترانسفورماتور مستقر در هوآیان، استان جیانگسو، چین، تهیه شده است که خشک ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن و ترانسفورماتورهای زیرمرکزی به پروژه‌های مرکز داده، برق‌رسانی و صنعتی در سراسر جهان.