34,5 kV vs. 13,8 kV: Keskvirtajännitteen muuntimen valinta tietokeskusten alueille

Neljä 60 MW:n teollisuushallia, sähköverkko, joka tarjoaa 13,8 kV:n jännitteen, koska kyseinen johdin kulkee jo kohteen ohi, ja kytkinlaitteistopaketti, joka tilattiin ennen kuin kukaan suoritti vikavirtalaskelmia. Kuuden kuukauden kuluttua asennus ei enää mahdu sähköhuoneeseen, syöttölinjojen määrä on kaksinkertaistunut ja saatavilla oleva vikavirta 480 V:n pääkeskuksessa ylittää palauttamattomien laitteiden nimellisarvon. Mikään näistä ei ollut muuntajan vika. Kampus valitsi keskijänniteklassin ennen kuin laskettiin, mitä tämä valinta maksaisi kuparia, kytkinlaitteistoja ja lattiatilaa.

Atietokeskuksen muuntaja käsitellään yleensä yksirivisen kaavan viimeisenä osana, suhteena, joka muuntaa 34,5 kV:n jännitteen 480Y/277 V:ksi. Käytännössä ensisijaisen jänniteklassin valinta on järjestelmäpäätös, joka vaikuttaa kaapelisuunnitelmiin, kytkinlaitteistojen nimellisarvoihin, kaaripalovarmuustutkimuksiin ja vuodesta 2024 lähtien myös Yhdysvalloissa voimassa olevien hyötysuhdetasojen säädösten soveltamisalaan. Oikean valinnan tekeminen konseptivaiheessa vie viikon mittaisen suunnittelutyön. Väärän valinnan tekeminen vaatii kytkinlaitteiston uudelleentilaamisen.

Seuraavassa kerrotaan, miten vertailemme näitä kahta luokkaa asiakkaiden kanssa, mitkä luvut pyydämme lainaamisen ennen tarjouksen laatimista ja mitkä kolme erityismäärittelyä määrittävät, toimiiko laite viidentoista vuoden ajan vai muuttuuko se takuukysymykseksi kolmannella vuonna.

 

 

Miksi tietokeskuksen muuntajan määrittely alkaa jänniteluokasta

Muuntosuhde on ensimmäinen säädin, ja se perustuu puhtaasti aritmetiikkaan. Annetulla MVA-arvolla virran suuruus laskee kääntäen verrannollisesti jännitteen suuruuteen. 60 MW:n sali kuluttaa noin 2 510 A:ta 13,8 kV:n jännitteellä ja noin 1 004 A:ta 34,5 kV:n jännitteellä. Tämä 2,5:1-suhteellisuus näkyy jokaisen syöttölinjan virtakapasiteetissa sähköverkon liitoskohdasta laitteen alajaakaavioon, jokaisen syöttölinjan rinnakkaiskytkentöjen lukumäärässä sekä kaapelikiskon leveydessä niiden yläpuolella.

Vikavirta kulkee vastakkaiseen suuntaan. Mittarin takana olevalla 500 MVA:n lähteellä kiinnitetty vika 13,8 kV:n väylällä on noin 20,9 kA; 34,5 kV:n jännitteellä sama lähde tuottaa noin 8,4 kA. Alhaisempi vikavirta mahdollistaa kampuksen käyttää alhaisempaa katkaisukykyä keskijännitteisessä kytkinlaitteistossa, mikä on merkityksellistä markkinoilla, joissa kytkinlaitteiston toimitusaika on pidempi kuin muuntajan toimitusaika.

Tässä on se osa, joka usein jää pois aloitustapaamisesta. 34,5 kV:n laitteisto ei ole fyysisesti pienempi kuin 13,8 kV:n laitteisto — etäisyydet ovat pidempiä ja standardi peruseristystaso on 200 kV verrattuna 13,8 kV:n luokan 95 kV:een, joten kaapit ovat korkeampia ja syvempiä. Korkeamman luokan etu on pienempi virta megawattia kohti ja alhaisempi vikataso, mikä vähentää syöttöjohtojen määrää ja laitteiden nimellisarvoja kampuksen mittakaavassa. Nämä ovat kaksi eri säästöä, ja vain toinen niistä näkyy kaapelisuunnitelmassa.

 

34,5 kV ja 13,8 kV rinnakkain

Alla oleva vertailu perustuu 60 MW:n teollisuushalliin ja 500 MVA:n saatavilla olevaan lähteeseen. Muuttamalla jompaa kumpaa syötettä johtopäätös voi muuttua, mikä on syy siihen, miksi pyydämme hyötyverkon vikakirjettä ennen tarjouksen antamista keskitason muuntokone kampukseen.

Hallin virta, vikavirtataso pääkeskuksessa, eristystaso, syöttölinjojen lukumäärä ja kytkentälaitteiston vaatima tila muuttuvat yhdessä. Kampukset, jotka puolittavat syöttölinjojen lukumäärän, saavat yleensä säästön kaapeleissa ja päätöksissä pikemminkin kuin muuntajassa itsessään.

Parametri (60 MW:n halli)	13,8 kV	34,5 kV
Virran arvo täydellä hallikuormalla	noin 2 510 A	noin 1 004 A
Vikavirta, 500 MVA:n lähde	noin 20,9 kA	n. 8,4 kA
Standardi peruseristystaso	95 kV	200 kV
Ensikertaiset syöttöjohtimet hallissa	Enemmän rinnakkaisia johtoja	Vähemmän johtoja
Kytkinlaitteiston välimatkat	Lyhyempiä, mutta enemmän kytkinkoteloita	Pitempiä, mutta vähemmän kytkinkoteloita

Kumpikaan sarake ei voita yksinään. Jos verkko-operaattori toimittaa vain 13,8 kV:n jännitteen, kampuksella on silti mahdollisuus nostaa jännitettä sisäisesti 34,5 kV:een ja jakaa sitä tällä tasolla – mutta jokainen muunnos lisää muuntajaa, aiheuttaa noin yhden prosentin tehohäviön ja lisää yhden ylläpidettävän laitteen. Tämä kompromissi kannattaa mallintaa pikemminkin kuin olettaa.

 

Impedanssi määrittää, mitä tapahtuu 480 V:n väylässä

Prosenttimainen impedanssi on paikka, jossa muuntajan impedanssi lukuarvo lopettaa olemansa suhdeluku ja alkaa olla suojauksen ongelma. Otetaan esimerkiksi 2 000 kVA:n muuntaja, jonka impedanssi on 5,75 prosenttia ja jolla on 480Y/277 V:n alapuolinen jännite. Kiinnitetyn vian virran arvo muuntajan alapuolisissa liittimissä on noin 41,8 kA ennen kaapelien impedanssin ja moottorien osuuden huomioon ottamista: 2 000 000 jaettuna (1,732 × 480 × 0,0575):llä.

Kasvattamalla impedanssia 6,5 prosenttiin virran arvo laskee noin 37 kA:een. Ostajat tulkivat tämän joskus turvallisuuden parantumiseksi. Se ei kuitenkaan automaattisesti merkitse turvallisuuden parantumista. Kaaritapahtuman energiataso riippuu sekä virrasta että poiskytkentäajasta, joten pienempi oikosulkuvirta, joka jää ylemmän suojalaitteen välittömän laukaisun kynnystason alapuolelle, voi pidentää kaaritapahtuman kestoa ja lisätä vaaraa. Siksi kaaritapahtuman analyysi on tehtävä todellisen laitteen perusteella, ei tyypillisellä arvolla; työskentelysäännöt ovat voimassa NFPA 70E , nykyinen painos vuodelta 2027.

Toinen puoli muuntajan impedanssi tarinaa koskee toleranssia. Taattu impedanssi pidetään yleensä ±7,5 prosentin sisällä, joten kaksi 5,75 prosentin impedanssilla tilattua laitetta voi poiketa toisistaan lähes 15 prosentilla ääripäissään. Jos nämä kaksi laitetta kytketään rinnakkain, epäyhtälö aiheuttaa kiertävää virtaa ja epätasaista kuormitusta jo ennen kuin kumpikaan saavuttaa nimellisarvonsa. Jos suunnittelu perustuu rinnakkaiskäyttöön, määrittele impedanssialue, ei pelkästään nimellisarvo.

 

Kaksikäämikäs, kolmekäämikäs tai ensisijaisvalintakytkentäinen

Kolme järjestelyä kattaa suurimman osan kampusten suunnittelusta. Kaksikäämiminen yksikkömuuntaja tarkoittaa yhtä muuntajaa kullekin rakennukselle; se on yksinkertaisin suojattava ja helvin vaihdettava. Kolmekäämiminen yksikkömuuntaja ottaa yhden ensisijaisen liitännän ja syöttää kahta toissijaista väylää, mikä vähentää keskijännitemuuntamoja ja kaapeleita, mutta kytkentä sähköisesti rakennukset toisiinsa — toissijaisen väylän katkos sammuttaa molemmat rakennukset, ellei suojausjärjestelmä ole tähän suunniteltu. Ensimmäisen valinnan järjestelmä (primary-selective) tuo kaksi verkko-liitännää yhteen muuntajaan valitsimen kautta: lähteen varmuusvaraus on toteutettu, mutta muuntajalle ei ole varmuusvarauksia lainkaan.

Tier III - tai Tier IV -topologian tapauksessa päätös tehdään yleensä puolestasi. Varasuojauksen täytyy sijaita muuntajalla, ei ainoastaan lähteessä. Kaksi 2 000 kVA:n yksikköä, joista kumpikin kuormitetaan noin puoleen nimelliskuormitukseensa, toimii viileämpänä kuin yksi 2 000 kVA:n yksikkö täydellä kuormituksella, koska tyhjäkäyntihäviö kasvaa ytimen koossa ja kuormitushäviö virtauksen neliössä. Lisäkustannus syntyy toisesta ytimen rakenteesta, ei kuparista.

Missä budjetti on kapea, rehellinen kompromissi on varayksikkö varastossa eikä asennettu varayksikkö. Markkinoilla, jossa 34,5 kV:n kuiva muunninlaite yksikkö voi odottaa tuotantolinjassa vuoden ajan, hyllyllä oleva varayksikkö on aikataulutuspäätös, ei sähkötekniikkaan liittyvä päätös.

 

Ylätaajuusvärähtelyt, K-kerroin ja nollajohtimen ominaisuudet

Palvelimen virtalähteet ovat kehittyneet, mutta ne eivät ole muuttuneet lineaarisiksi. Nykyaikainen kytkentätilavirtalähde aktiivisella tehokerroinkorjauksella ottaa virtaa korkealla huippuarvokerroinlla ja parittomien ylätaajuusvärähtelyjen spektrillä, joka ulottuu selvästi seitsemännen ylätaajuusvärähtelyn yli. Kolminkertaiset ylätaajuusvärähtelyt — kolmas, yhdeksäs, viidestoista — summautuvat nollajohtimeen sen sijaan, että ne kumoutuisivat, joten nollajohtimen läpi voi kulkea enemmän virtaa kuin sen kuuluvan vaihejohtimen läpi.

AK-tekijän muuntaja on arvioitu kestävän tuon taajuusalueen aiheuttamat lisävirrashäviöt ja hajavirtahäviöt käämityksessä. K-13 soveltuu sekä toimistot että tietojenkäsittelykuormat sisältävään käyttöön; K-20 on yleensä valinta tiukasti pakattuun tilaan, jossa on tiheä palvelinkaluston syöttö. K-luokitus ei kuitenkaan vähennä jännitevääristymää päässä. Se on järjestelmäongelma, joka noudattaa IEEE 519 -standardin 5 prosentin kokonaisharmonisen vääristymän suunnittelutasoa yhteispisteessä (point of common coupling) järjestelmissä, joiden jännite on 69 kV tai alempi, ja joka ratkaistaan monipulssisilla tasasuuntaajilla, aktiivisilla suodattimilla tai suuremmalla nolla-johtimella.

Tietokeskuksen muuntimen standardieritelmässämme K-13 -käämitys on vähimmäisvaatimus, nolla-johtimen poikkipinta-ala on 200 prosenttia ja harmonisten häviöiden laskenta perustuu mitattuun taajuusalueeseen eikä yleiseen K-lukuun. Juuri tämä laskenta kertoo, onko 2 000 kVA:n muuntimella todellakin 2 000 kVA:n kapasiteetti tällä kuormalla.

 

 

DOE 2029 -linja sijaitsee tarkalleen 34,5 kV:n jännitteellä

Yhdysvalloissa voimassa oleva tehoeffektiivisyyslainsäädäntö asettaa rajan, jonka useimmat kampustiimit huomaavat vasta myöhään. Jakelumuuntaja, kuten määritellään 10 CFR 431.192 -säännöksessä, on muuntaja, jonka tulojännite on 34,5 kV tai vähemmän, lähtöjännite 600 V tai vähemmän, taajuusarvo 60 Hz ja kapasiteetti 10–2 500 kVA nesteimmerssioyksiköille tai 15–2 500 kVA kuiva muunninlaite määritelmä ja noudattamisaikataulut julkaistaan US Department of Energy .

Tästä seuraa kaksi seurausta. 34,5 kV:n jännitteestä 480Y/277 V:n jännitteeseen muuntava yksikköasema on jakelumuuntaja ja sen on täytettävä tehoeffektiivisyystaulukko, kun taas 34,5 kV:n jännitteestä 4,16 kV:n jännitteeseen muuntava yksikkö on voimamuuntaja ja ei kuulu kyseiseen säännöstelyyn. Lisäksi vuoden 2024 lopullisessa säädöksessä hyväksytyt muutetut standardit koskevat 23. huhtikuuta 2029 tai sen jälkeen valmistettuja yksiköitä, joten kampus, joka ottaa sähkön käyttöön vuosina 2029 tai 2030, määrittelee jo nyt uutta taulukkoa vaativia yksiköitä, riippumatta siitä, mainitaanko tämä tarjouspyynnössä vai ei.

Vaatimustenmukaisuus saavutetaan pääasiassa ytimen perus teräksellä. Vuoden 2029 kuormanoton rajat täyttäminen vaatii yleensä suurempaa ydintä, parempaa suunnattua tai amorfiista materiaalia ja raskaampaa yksikköä – mikä muuttaa kuljetuspainoa, lattian kuormitusta ja sen alla olevaa rakenneterästä. Nykyään laadittu tarjouspyyntö ilman kuormanoton pakettia vuoden 2029 taulukon mukaan on muutospyyntö, joka odottaa päivämäärää. Pyydä jokaista tarjoajaa esittämään hintatarjoukset molemmille taulukoille, jotta erot näkyvät tilausvahvistukseen ennen kuin se annetaan, eikä sen jälkeen.

 

Mitä me rakennamme ja miten varmistamme sen

Ryan Electric on valmistanut muuntajia vuodesta 2007 lähtien 120 000 neliömetrin tehtaastaan Haianissa, Jiangsun maakunnassa, käyttäen yli 180 tuotanto- ja testilaitetta sekä omistaen 37 patenttia kuivatyypin ja nesteimmersoidun suunnittelun alalla. Yksiköt valmistetaan UL-, CSA-, IEEE-, IEC- ja DEKRA-määrittelyjen mukaisesti CNAS-todistetulla testausmenetelmällä, ja vuodesta 2023 lähtien yritys on toiminut Eatonin yhteisyrityskumppanina.

34,5 kV -luokalle kuiva muunninlaite , tällä jännitteellä merkitykselliset testit eivät ole neuvoteltavissa. Iskukestävyys 200 kV:n peruseristystasolla osoittaa käämin eristyskoordinaation. Osittaispurkaukset valupolymeerieristeessä pidetään 10 pC:n tai parempana 1,5-kertaisella nimellisjännitteellä; yksikkö, joka läpäisee testin helposti 50 pC:n arvolla, läpäisee edelleen tehdashyväksyntätestin, mutta saattaa kuitenkin kehittää jälkikäyttöä varten haitallisesti johtavia uria käytössä. Lämpötilan nousu vahvistaa eristysluokan turvamarginaalin määritellyssä ympäristölämpötilassa, ja suhde, impedanssi ja äänitaso vahvistavat, että kuorma-autossa oleva yksikkö vastaa tutkittua mallia.

Kun 34,5 kV:n kampuksen erityisvaatimukset saapuvat sovelluspuolelle, kaksi ensimmäistä kysymystä koskevat verkkoyhtiön saatavilla olevaa vikavirtaa liitospisteessä sekä UPS- ja palvelinkuorman mitattua harmonisen spektrin. Kumpaakaan ei yleensä ilmene tyypillisestä kVA-taulukosta, ja molemmat vaikuttavat suunnitteluun. Tämä keskustelu on johtanut useissa projekteissa yhden suuren yksikön sijasta kahden pienemmän K-luokan yksikön valintaan, ja se on myös estänyt projektit maksamasta K-20-käämityksestä, jota ei ollut tarpeen.

Jos sinä tänä kvartaalina vahvistat yhden rivin datakeskuksen muuntajalle, lähetä hallin megawatit, verkkoyhtiön vikavirtakirje ja kuormaspektri. keskitason muuntokone ja kytkentälaiteiden seuraukset sekä häviöpaketti vuoden 2029 taulukon vastaisuudessa. Aloita tästä: ota yhteyttä insinööritekniikkamme joukkoon .

 

Tekijästä: Tämän oppaan on laatinut Ryan Electricin (Jiangsu Ryan Transformers) voimatekniikkatiimi, muuntajavalmistaja, joka toimii Haianissa, Jiangsun maakunnassa, Kiinassa, ja toimittaa kuiva kuivamuuntajia, nestemäisiä ja yksikkömuuntajia tietokeskuksiin, energiayhtiöihin ja teollisuusprojekteihin ympäri maailmaa.