34,5 kV vagy 13,8 kV – Közepes feszültségű átváltó kiválasztása adatközponti telephelyekhez

Négy, 60 MW-os termelőcsarnok, egy 13,8 kV-os távhőellátó vállalat – mert éppen ez a feszültség van már a telephely mellett vezetve –, és egy olyan kapcsolóberendezés-csomag, amelyet még azelőtt rendeltek meg, hogy bárki is elvégezte volna a rövidzárlati számításokat. Hat hónap múlva a berendezéssorozat már nem fér el az elektromos helyiségben, a tápláló ágak száma megduplázódott, és a 480 V-os buszra jutó rövidzárlati áram meghaladja a visszaküldhetetlen berendezések megengedett értékét. Ebből semmi sem volt transzformátor-hiba. A kampusz közepes feszültségű osztályt választott, mielőtt kiszámította volna, hogy ez a döntés mennyibe kerül rézből, kapcsolóberendezésekből és alapterületből.

Aadatközpont transzformátora általában az egyetlen vonal utolsó eleme, egy arány, amely 34,5 kV-ból 480Y/277 V-ot állít elő. Gyakorlatban az elsődleges feszültségosztály egy rendszer-szintű döntés, amely hatással van a kábelütemtervekre, a kapcsolóberendezések méretezésére, az ívcsapódási tanulmányokra, valamint – 2024 óta – az amerikai hatékonysági szabályozás hatáskörére is. A megfelelő döntés a fogalmi szakaszban egy hét mérnöki munkát igényel. A hibás döntés viszont újra kell rendelni a kapcsolóberendezést.

Az alábbiakban bemutatjuk, hogyan hasonlítjuk össze ezt a két osztályt az ügyfelekkel, milyen számokat kérünk a megajánlás előtt, valamint melyek azok a három műszaki specifikációs pontok, amelyek eldöntik, hogy az egység húszöt évig működik-e, vagy a harmadik évben garanciális vita tárgya lesz.

 

 

Miért kezdődik egy adatközpont transzformátor műszaki leírása a feszültségosztállyal

A transzformátor arány az első beállítási lehetőség, és tiszta aritmetika. Adott MVA esetén az áram a feszültséggel fordított arányban csökken. Egy 60 MW-os termelőcsarnok körülbelül 2510 A-t vesz fel 13,8 kV-on, és körülbelül 1004 A-t 34,5 kV-on. Ez a 2,5:1 arány megjelenik minden tápláló vezeték áramerősség-képességében a közmű csatlakozási pontja és az egység alállomása között, a tápláló vezetékek párhuzamos futásainak számában, valamint a fölöttük lévő kábelcsatorna szélességében.

A hibára jellemző áram az ellenkező irányban folyik. Az óra mögötti 500 MVA-os forrással egy rövidzárlat a 13,8 kV-os buszon körülbelül 20,9 kA, míg ugyanazon forrás a 34,5 kV-on körülbelül 8,4 kA áramot szolgáltat. A kisebb hibára jellemző áram lehetővé teszi a kampusz számára, hogy alacsonyabb megszakítóképességű közepes feszültségű kapcsolóberendezést használjon, ami fontos tényező olyan piacon, ahol a kapcsolóberendezések szállítási ideje hosszabb, mint a transzformátoroké.

Ez az a rész, amelyet gyakran figyelmen kívül hagynak a megindító értekezleten. A 34,5 kV-os berendezés fizikailag nem kisebb, mint a 13,8 kV-os berendezés – a távolságok nagyobbak, és az alapvető szigetelési szint szabványos értéke 200 kV a 13,8 kV-os osztály 95 kV-ja helyett, így a szekrények magasabbak és mélyebbek. A magasabb feszültségosztály előnye a megawattankénti alacsonyabb áramerősség és a kisebb rövidzárlati szint, amely csökkenti a tápláló vezetékek számát és a kampuszszintű eszközök névleges értékét. Ez két különböző megtakarítást jelent, és közülük csak az egyik jelenik meg a kábelütemtervben.

 

34,5 kV és 13,8 kV egymás mellett

Az alábbi összehasonlítás egy 60 MW-os csarnokot és egy 500 MVA rendelkezésre álló forrást használ. Bármelyik bemeneti értéket megváltoztatva a következtetés is módosulhat, ezért kérjük a szolgáltató rövidzárási levelét, mielőtt árajánlatot adnánk egy középnyomású transzformátor egy kampuszra.

A csarnok árama, a busz rövidzárási szintje, a szigetelési szint, a táplálóvezetékek száma és a kapcsolóberendezés helyigénye mind egymással összefügg. Egy kampusz, amely a táplálóvezetékek számát felére csökkenti, általában a kábel- és végződés-költségekben találja meg a megtakarítást, nem pedig magában a transzformátorban.

Paraméter (60 MW-os csarnok)	13,8 kV	34,5 kV
Teljes csarnokterhelés melletti áram	kb. 2510 A	kb. 1004 A
Rövidzárási áram, 500 MVA forrás	~20,9 kA	~8,4 kA
Szabványos alapvető szigetelési szint	95 kV	200 kV
Elsődleges táplálóvezetékek csarnokonként	Több párhuzamos vezeték	Kevesebb vezeték
Kapcsolóberendezések távolságai	Rövidebb, de több fülke	Hosszabb, kevesebb fülke

Egyik oszlop sem nyer egyedül. Ha a közmű csak 13,8 kV-ot tud szállítani, egy kampusz belsőleg mégis fel tudja emelni a feszültséget 34,5 kV-ra, és ezen a szinten tudja elosztani – de minden átalakítás egy transzformátort igényel, amely körülbelül egy százaléknyi veszteséget okoz a teljesítményáramlásban, valamint egy további karbantartandó eszközt jelent. Ezt a kompromisszumot érdemes modellezni, ne pedig feltételezni.

 

Az impedancia dönti el, mi történik a 480 V-os buszon

Az impedancia százalékos értéke ott transzformátor impedancia áll át arányszám helyett védőberendezési problémává. Vegyünk egy 2000 kVA-es egységet 5,75 százalékos impedanciával és 480Y/277 V másodlagos feszültséggel. A rövidzárlati áram a másodlagos kivezetéseknél kb. 41,8 kA, mielőtt hozzáadjuk a kábelimpedanciát és a motorok hozzájárulását: 2 000 000 osztva (1,732 × 480 × 0,0575)-tel.

Emelje a belső ellenállást 6,5 százalékra, és a szám körülbelül 37 kA-ra csökken. A vásárlók néha ezt biztonságnövekedésként értelmezik. Azonban ez nem feltétlenül jelent biztonságnövekedést. A villámíves kockázat mértéke a rövidzárlati áram és a megszakítási idő együttes függvénye, így egy alacsonyabb rövidzárlati áram, amely az upstream eszköz azonnali kioldási küszöbértéke alatt marad, meghosszabbíthatja az ív időtartamát, és növelheti a veszélyt. Ezért a villámíves kockázatelemzést az adott egységre kell elvégezni, nem pedig egy átlagos értékre; a munkavégzés szabályai itt élnek. A NFPA 70E , jelenlegi kiadás: 2027.

Másik fele a transzformátor impedancia történetnek a tűrés. A garanciálisan biztosított belső ellenállás általában ±7,5 százalékos tűrést enged meg, így két darab 5,75 százalékos belső ellenállásra rendelt egység a szélsőséges esetekben majdnem 15 százalékkal is eltérhet egymástól. Ha ezt a két egységet párhuzamosan kapcsolják, a belső ellenállás-különbség keringő áramot és egyenetlen terhelést eredményez, még mielőtt bármelyik elérné a névleges teljesítményét. Ha a tervezés párhuzamos üzemre épül, akkor ne csak a névleges belső ellenállás értéket adják meg, hanem a megengedett belső ellenállás-tartományt is.

 

Kéttekercseléses, háromtekercseléses vagy elsődleges szelektív

Három elrendezés fed le a legtöbb kampusztervet. A kéttekercses egységtranszformátor esetében minden épületnek egy-egy transzformátora van, ami a legegyszerűbb megoldás a védelem és a cseréje szempontjából. A háromtekercses egységtranszformátor egy primer oldalt vesz igénybe, és két szekunder buszt táplál, így csökken a közepes feszültségű kapcsolóberendezés és a kábel mennyisége, de az épületek elektromosan összekapcsolódnak – ha az egyik szekunder oldalon kioldás történik, mindkét épület lekapcsolódik, kivéve, ha a védelmi rendszer erre kifejezetten ki van alakítva. Az elsődleges választós (primary-selective) elrendezésnél két közműellátási vonal vezet be egy transzformátorba választókapcsolón keresztül: ez forrásredundanciát biztosít, de egyáltalán nem nyújt transzformátorredundanciát.

Tier III vagy Tier IV topológiánál általában a döntést előre meghozzák. A redundancia a transzformátornál is jelen kell legyen, nem csupán a forrásnál. Két 2000 kVA-os egység, amelyek mindegyike kb. félig terhelt, hűvösebben üzemel, mint egy 2000 kVA-os egység teljes terhelés mellett, mert az üresjárási veszteség a mag méretével arányos, míg a terhelési veszteség az áram négyzetével arányos. A többletköltség a második magban rejlik, nem a rézben.

Ahol szűkös a költségvetés, az őszinte kompromisszum egy tartalék egység a raktárban, nem pedig egy beépített tartalék egység. Olyan piacon, ahol egy 34,5 kV-os száraz típusú transzformátor egység egy évig is várakozhat a gyártási sorban, egy polcon lévő tartalék egy ütemezési döntés, nem pedig egy villamosmérnöki kérdés.

 

Harmonikusok, K-tényező és a semleges vezető

A szerver tápegységek javultak, de nem váltak lineárisakká. Egy modern kapcsolóüzemű tápegység aktív teljesítménytényező-korrekcióval magas csúcsértékkel és páratlan harmonikus-spektrummal vesz fel áramot, amely jól túlnyúlik a hetedik harmonikuson. A triplen harmonikusok – harmadik, kilencedik, tizenötödik – a semleges vezetőben összeadódnak, nem semlegesítődnek, így a semleges vezető több áramot is szállíthat, mint a hozzá tartozó fázisvezető.

AK-tényezős transzformátor az áramkörökben keletkező plusz örvényáramos és szórt veszteséget képes elviselni, amelyet ez a frekvenciaspektrum okoz. A K-13 jelölés vegyes irodai és adatközponti terhelésre vonatkozik; a K-20 általában a sűrűn telepített szervertápegységekkel megtelt termekre ajánlott. Egy K-jelölés nem csökkenti azonban a feszültség torzulását a buszon. Ez egy rendszerprobléma, amelyet az IEEE 519 szabvány 5 százalékos teljes harmonikus torzulási tervszintje határoz meg a közös csatlakozási ponton 69 kV vagy alacsonyabb feszültségű rendszerek esetében, és többimpulzusos egyenirányítókkal, aktív szűrőkkel vagy nagyobb keresztmetszetű semleges vezetővel oldható meg.

Adatközponti transzformátorokra vonatkozóan a szabványos műszaki leírásunk minimális követelménye egy K-13-as tekercselés, egy 200 százalékos semleges vezető és egy harmonikus veszteségszámítás, amelyet a mért frekvenciaspektrum alapján végeznek, nem pedig egy általános K-szám alapján. Pont ez a számítás mutatja meg, hogy egy 2000 kVA-os kivitel valóban 2000 kVA teljesítményt tud-e leadni ezen a terhelésen.

 

 

A DOE 2029 vonal pontosan 34,5 kV-on üzemel

Az amerikai hatékonysági szabályozás egy határt húz, amelyet a legtöbb kampuszi csapat későn fedez fel. A 10 CFR 431.192 szabályzat szerint elosztótranszformátornak nevezünk olyan berendezést, amelynek bemeneti feszültsége 34,5 kV vagy annál kisebb, kimenete 600 V vagy annál kisebb, 60 Hz-es névleges frekvenciájú, és kapacitása folyadékba merített egységek esetében 10–2500 kVA, míg száraz típusú transzformátor az alkalmazkodási határidők és a meghatározások a US Department of Energy .

Által kerülnek közzétételre. Két következmény adódik ebből. Egy 34,5 kV-ról 480Y/277 V-ra átalakító egység-elosztóállomás elosztótranszformátor, és meg kell felelnie a hatékonysági táblázatnak, míg egy 34,5 kV-ról 4,16 kV-ra átalakító egység teljesítménytranszformátor, amely kívül esik ezen szabályozás hatálya alól. Az 2024-es végleges rendeletben módosított szabványok 2029. április 23-án vagy azt követően gyártott egységekre vonatkoznak, így egy 2029-ben vagy 2030-ban üzembe helyezésre kerülő kampusz már a új táblázat szerinti specifikációt ír elő, függetlenül attól, hogy a közbeszerzési felhívás ezt kifejezetten megemlíti-e.

A megfelelőség főként a magvas acélban vásárolható. A 2029-es terhelésmentes veszteséghatárok teljesítése általában nagyobb magot, jobb szemcseorientált vagy amorf anyagot és nehezebb egységet jelent – ami megváltoztatja a szállítási súlyt, a padlóterhelést és az alatta lévő szerkezeti acélt. Egy ma kiírt pályázat, amely nem tartalmaz veszteségcsomagot a 2029-es táblázat alapján, gyakorlatilag egy módosítási igény várakozási listáján szerepel. Kérje meg minden ajánlattevőt, hogy mindkét táblázatra adjon árajánlatot, így a különbség látható lesz a megrendelés leadása előtt, és nem utólag.

 

Amiket gyártunk, és hogyan ellenőrizzük őket

A Ryan Electric 2007 óta gyárt transzformátorokat egy 120 000 m²-es gyárból Haianban, Jiangsu tartományban, több mint 180 darab gyártó- és tesztberendezéssel, valamint 37 szabadalommal száraz- és folyadékba merített típusok tervezésében. Az egységek UL-, CSA-, IEEE-, IEC- és DEKRA-szabványok szerint készülnek CNAS-akkreditált vizsgálatokkal, és 2023 óta az Eaton közös vállalkozási partnereként működik.

34,5 kV-os osztályra száraz típusú transzformátor , a tesztek, amelyek ezen a feszültségszinten számítanak, nem tárgyalhatók. Az 200 kV-os alapvető szigetelési szintnél mért impulzusállóság igazolja a tekercsek szigetelési koordinációját. A műgyantás szigetelésnél a részleges kisülés értéke 1,5-szeres névleges feszültségnél 10 pC vagy annál jobb; egy olyan egység, amely laza feltételek mellett 50 pC-nél is átmegy, továbbra is átmegy a gyári átvételi vizsgálaton, majd üzem közben károsodik. A hőmérséklet-emelkedés megerősíti a szigetelési osztály biztonsági tartalékát a megadott környezeti hőmérséklet mellett, míg az áttétel, az impedancia és a hangszint azt igazolja, hogy a teherautón szállított egység megegyezik a tervezési fázisban tanulmányozott modellgel.

Amikor egy 34,5 kV-os kampuszspecifikáció érkezik alkalmazási irodánkba, az első két kérdés a csatlakozási ponton elérhető hibára jellemző áram és a feszültségforrás- (UPS-) és szerverterhelés mért harmonikus spektruma. E két adat nem szerepel egy tipikus kVA-táblázatban, és mindkettő befolyásolja a tervezést. Ez a beszélgetés több projektet is átirányított egyetlen nagy egységről két kisebb, K-értékkel jellemzett egységre, illetve megakadályozta, hogy projektek felesleges K-20 tekercsre költsenek pénzt.

Ha ebben a negyedévben lezárja egy adatközpont transzformátorának egyetlen vonalát, küldje el a csarnok teljesítményét (megawattban), a szolgáltató hibalevélét és a terhelés spektrumát. Visszaküldjük mindkét feszültségosztályra vonatkozó oldalról-oldalra történő összehasonlítást, a középnyomású transzformátor és kapcsolóberendezés-következményeket, valamint egy veszteségcsomagot a 2029-es táblázat alapján. Kezdje itt: lépjen kapcsolatba mérnöki csapattal .

 

A szerzőről: Ezt az útmutatót a Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers) erőműszaki csapata írta, egy Haianban, Jangszu tartományban, Kínában székhellyel rendelkező transzformátorgyártó vállalat, amely száraz típusú , folyadékba merített és egységtranszformátorokat szállít adatközpontokhoz, közmű- és ipari projektekhez világszerte.