34,5 kV contro 13,8 kV: scelta di un trasformatore in media tensione per campus di data center

Quattro sale da 60 MW ciascuna, un’azienda di distribuzione elettrica che fornisce 13,8 kV perché questa è la linea già presente lungo il sito, e un pacchetto di quadri elettrici ordinato prima che chiunque eseguisse il calcolo della corrente di cortocircuito. Sei mesi dopo, la configurazione non entra più nella stanza elettrica, il numero di derivazioni è raddoppiato e la corrente di cortocircuito disponibile sul bus a 480 V supera la portata degli apparecchi, che non possono essere restituiti. Nessuno di questi problemi era dovuto a un guasto del trasformatore. Il campus aveva scelto una classe di media tensione prima ancora di calcolare quanto tale scelta avrebbe comportato in termini di rame, quadri elettrici e spazio a terra.

Atrasformatore del data center è solitamente considerato l’ultimo elemento della singola riga, un rapporto che converte 34,5 kV in 480Y/277 V. Nella pratica, la classe di tensione primaria è una decisione sistemica che influenza i programmi di posa dei cavi, le portate dei quadri elettrici, gli studi sull’arco elettrico e, dal 2024, anche l’ambito di applicazione della normativa statunitense sull’efficienza energetica. Prendere la decisione corretta nella fase concettuale richiede una settimana di ingegneria. Prendere la decisione sbagliata implica riordinare l’intero impianto di quadri elettrici.

Quanto segue è il modo in cui confrontiamo le due classi con i clienti, i dati che richiediamo prima di formulare un preventivo e i tre parametri tecnici che determinano se l’unità funzionerà per venticinque anni oppure diventerà oggetto di una contestazione in garanzia già nel terzo anno.

 

 

Perché la specifica di un trasformatore per data center parte dalla classe di tensione

Il rapporto di trasformazione è il primo parametro da considerare ed è pura aritmetica. Per una data potenza in MVA, la corrente diminuisce in proporzione inversa alla tensione. Un locale da 60 MW assorbe circa 2.510 A a 13,8 kV e circa 1.004 A a 34,5 kV. Questo rapporto di 2,5 a 1 si riflette nella portata di ogni linea di alimentazione tra il punto di connessione della rete e la sottostazione di unità, nel numero di cavi paralleli per ogni linea e nella larghezza del canale porta-cavi sovrastante.

La corrente di guasto fluisce nella direzione opposta. Con una sorgente da 500 MVA a monte del contatore, un guasto franco sul bus a 13,8 kV è pari a circa 20,9 kA; a 34,5 kV la stessa sorgente eroga circa 8,4 kA. Una corrente di guasto inferiore consente al campus di utilizzare un potere di interruzione più basso negli apparecchi di commutazione in media tensione, il che è rilevante in un mercato in cui i tempi di consegna degli apparecchi di commutazione superano quelli dei trasformatori.

Ecco la parte spesso trascurata durante la riunione di avvio. Gli apparecchi per 34,5 kV non sono fisicamente più piccoli di quelli per 13,8 kV: le distanze di isolamento sono maggiori e il livello base standard di isolamento è di 200 kV contro i 95 kV della classe 13,8 kV, pertanto i quadri sono più alti e più profondi. Ciò che la classe superiore offre è una corrente minore per megawatt e un livello di guasto inferiore, riducendo così il numero di derivazioni e la potenza nominale dei dispositivi su scala campus. Si tratta di due tipi distinti di risparmio, ma solo uno di essi compare in un elenco cavi.

 

34,5 kV e 13,8 kV a confronto

Il confronto riportato di seguito fa riferimento a un capannone da 60 MW e a una sorgente disponibile da 500 MVA. Modificando uno qualsiasi di questi due parametri, la conclusione può cambiare; è per questo motivo che richiediamo la lettera di guasto dell’azienda elettrica prima di fornire un preventivo per un trasformatore a media tensione per un campus.

Corrente nel capannone, livello di cortocircuito al quadro, livello d’isolamento, numero di derivazioni e ingombro dell’apparecchiatura di comando e protezione variano in modo correlato. Un campus che riduce del 50 % il numero di derivazioni ottiene generalmente i risparmi nei cavi e nelle terminazioni, piuttosto che nel trasformatore stesso.

Parametro (capannone da 60 MW)	13,8 kV	34,5 kV
Corrente a carico completo del capannone	~2.510 A	~1.004 A
Corrente di cortocircuito, sorgente da 500 MVA	~20,9 kA	~8,4 kA
Livello standard di isolamento di base	95 kV	200 kV
Alimentatori primari per sala	Maggior numero di tratti in parallelo	Minor numero di tratti
Distanze tra gli apparecchi di commutazione	Cubetti più corti e in maggior numero	Più lunghi, meno cubicoli

Nessuna delle due colonne vince da sola. Se la rete elettrica fornisce soltanto 13,8 kV, un campus può comunque innalzare internamente la tensione a 34,5 kV e distribuirla a tale livello — tuttavia ogni conversione richiede un trasformatore, comporta perdite pari a circa l’uno per cento della potenza trasmessa e aggiunge un ulteriore componente da mantenere. Questo compromesso merita di essere modellato piuttosto che dato per scontato.

 

L’impedenza determina ciò che accade al bus a 480 V

L’impedenza percentuale è il punto in cui impedenza del trasformatore smette di essere un semplice rapporto e diventa un problema di protezione. Si consideri un trasformatore da 2.000 kVA con impedenza percentuale del 5,75 % e secondario a 480Y/277 V. La corrente di cortocircuito con collegamento rigido ai morsetti secondari è pari a circa 41,8 kA, prima di includere l’impedenza dei cavi e il contributo dei motori: 2.000.000 diviso (1,732 × 480 × 0,0575).

Alzare l’impedenza al 6,5 percento riduce il valore a circa 37 kA. A volte gli acquirenti interpretano questo come un miglioramento della sicurezza. Non lo è automaticamente. L’energia dell’arco dipende sia dalla corrente sia dal tempo di interruzione: pertanto, una corrente di guasto più bassa, che rimane al di sotto della soglia di scatto istantaneo del dispositivo a monte, può prolungare la durata dell’arco e aumentare il rischio. Per questo motivo lo studio sull’arco elettrico deve essere eseguito sul singolo apparecchio reale, non su un valore tipico; le regole operative sono contenute in NFPA 70E , edizione corrente 2027.

L’altra metà della impedenza del trasformatore storia riguarda la tolleranza. L’impedenza garantita è normalmente mantenuta entro ±7,5 percento; pertanto, due unità ordinate con impedenza nominale del 5,75 percento possono differire l’una dall’altra di quasi il 15 percento nei casi estremi. Se tali unità vengono collegate in parallelo, tale differenza genera correnti di circolazione e carichi disomogenei ben prima che ciascuna raggiunga la potenza nominale. Qualora il progetto preveda il funzionamento in parallelo, specificare la finestra di impedenza, non solo il valore nominale.

 

A due avvolgimenti, a tre avvolgimenti o con selezione primaria

Tre configurazioni coprono la maggior parte dei progetti per campus. Una sottostazione unitaria a due avvolgimenti prevede un trasformatore per edificio ed è la soluzione più semplice da proteggere e da sostituire. Una sottostazione unitaria a tre avvolgimenti riceve un’unica alimentazione primaria e alimenta due sbarre secondarie: ciò riduce l’ingombro di quadri e cavi in media tensione, ma accoppia elettricamente gli edifici — un intervento di protezione su una delle due sbarre secondarie comporta il distacco di entrambe, a meno che lo schema di protezione non sia specificamente progettato per evitarlo. Una configurazione primaria selettiva prevede due alimentazioni provenienti dalla rete, convogliate su un unico trasformatore tramite un selettore: garantisce ridondanza della fonte, ma nessuna ridondanza del trasformatore.

Per una topologia Tier III o Tier IV la scelta è generalmente obbligata. La ridondanza deve essere prevista a livello di trasformatore, non solo a livello di fonte. Due unità da 2.000 kVA ciascuna, caricate ciascuna intorno al 50 % della potenza nominale, funzionano a temperatura inferiore rispetto a un singolo trasformatore da 2.000 kVA caricato al 100 %, poiché le perdite a vuoto dipendono dalle dimensioni del nucleo, mentre le perdite sotto carico variano con il quadrato della corrente. Il sovrapprezzo riguarda il secondo nucleo, non il rame.

Dove il budget è limitato, il compromesso onesto consiste nell’avere un’unità di riserva in magazzino piuttosto che un’unità di riserva già installata. In un mercato in cui un trasformatore da 34,5 kV trasformatore a secco può rimanere in coda alla produzione per un anno intero, un’unità di riserva a scaffale rappresenta una decisione di pianificazione, non una questione elettrica.

 

Armoniche, fattore K e conduttore neutro

Gli alimentatori per server sono migliorati, ma non sono diventati lineari. Un moderno alimentatore a commutazione con correzione attiva del fattore di potenza assorbe corrente con un elevato fattore di cresta e uno spettro armonico dispari che si estende ben oltre la settima armonica. Le armoniche tripli — terza, nona, quindicesima — si sommano nel conduttore neutro anziché annullarsi, pertanto il neutro può trasportare una corrente maggiore rispetto al conduttore di fase a cui appartiene.

ATrasformatore con fattore K è progettato per tollerare le perdite parassitarie e di dispersione aggiuntive che tale spettro genera negli avvolgimenti. La classe K-13 è indicata per carichi misti da ufficio e dati; la classe K-20 è la scelta abituale per sale affollate di alimentatori per server ad alta densità. Ciò che una classe K non fa è ridurre la distorsione armonica della tensione sulla barra. Si tratta di un problema sistemico, regolato dal livello di progettazione del 5 percento di distorsione armonica totale nel punto di collegamento comune secondo lo standard IEEE 519 per sistemi pari o inferiori a 69 kV, e risolvibile mediante raddrizzatori a multipli impulsi, filtri attivi o un neutro di sezione maggiore.

La nostra specifica predefinita per un trasformatore per data center prevede come minimo un avvolgimento di classe K-13, un neutro al 200 percento e un calcolo delle perdite armoniche eseguito sullo spettro misurato, anziché su un valore generico di classe K. È proprio questo calcolo a indicare se un telaio da 2.000 kVA sia effettivamente in grado di erogare 2.000 kVA con questo carico.

 

 

La linea DOE 2029 si trova esattamente a 34,5 kV

Il regolamento statunitense sull’efficienza stabilisce un confine che la maggior parte dei team universitari scopre in ritardo. Un trasformatore di distribuzione, come definito nel 10 CFR 431.192, ha una tensione di ingresso pari a 34,5 kV o inferiore, una tensione di uscita pari a 600 V o inferiore, una frequenza nominale di 60 Hz e una potenza compresa tra 10 e 2.500 kVA per le unità immersi in liquido oppure tra 15 e 2.500 kVA per trasformatore a secco le unità secche. La definizione e le date di conformità sono pubblicate dal US Department of Energy .

Ne derivano due conseguenze. Un’unità di sottostazione da 34,5 kV a 480Y/277 V è un trasformatore di distribuzione e deve rispettare la tabella dell’efficienza, mentre un’unità da 34,5 kV a 4,16 kV è un trasformatore di potenza e ne è esclusa. Inoltre, i criteri modificati adottati nella norma finale del 2024 si applicano alle unità prodotte a partire dal 23 aprile 2029; pertanto, un campus che entra in servizio nel 2029 o nel 2030 sta già specificando secondo la nuova tabella, indipendentemente dal fatto che il bando lo dichiari esplicitamente o meno.

La conformità viene ottenuta principalmente utilizzando acciaio per il nucleo. Rispettare i limiti di perdita a vuoto del 2029 comporta generalmente un nucleo più grande, materiali orientati a grani migliori o amorfi e un’unità più pesante, con conseguenti variazioni del peso di trasporto, del carico sul pavimento e dell’acciaio strutturale sottostante. Un bando di gara redatto oggi senza specificare un pacchetto di perdite rispetto alla tabella 2029 equivale a un ordine di modifica in attesa di essere formalizzato. Chiedere a ogni offerente di quotare entrambe le tabelle permette di evidenziare la differenza prima dell’emissione dell’ordine d’acquisto, non dopo.

 

Ciò che costruiamo e come lo verifichiamo

Ryan Electric produce trasformatori dal 2007 presso uno stabilimento di 120.000 m² situato a Haian, nella provincia dello Jiangsu, dotato di oltre 180 insiemi di attrezzature per produzione e collaudo e di 37 brevetti relativi a progetti di tipo a secco e immersi in liquido. Le unità sono realizzate secondo gli standard UL, CSA, IEEE, IEC e DEKRA, con collaudi accreditati CNAS; dal 2023 l’azienda opera come partner congiunto di Eaton.

Per una classe 34,5 kV trasformatore a secco , i test che contano a questa tensione non sono negoziali. La resistenza agli impulsi al livello fondamentale di isolamento di 200 kV dimostra la coordinazione dell’isolamento degli avvolgimenti. La scarica parziale su resina colata è limitata a 10 pC o meglio a 1,5 volte la tensione nominale; un’unità che supera il test in modo approssimativo a 50 pC supererà comunque il collaudo di accettazione in fabbrica, ma potrebbe sviluppare tracce in servizio. L’aumento di temperatura conferma il margine della classe di isolamento all’ambiente specificato, mentre il rapporto, l’impedenza e il livello sonoro confermano che l’unità caricata sul camion corrisponde esattamente al modello studiato.

Quando una specifica da 34,5 kV per un campus arriva alla nostra scrivania applicativa, le prime due domande riguardano la corrente di cortocircuito disponibile da parte del gestore al punto di connessione e lo spettro armonico misurato del gruppo di continuità (UPS) e del carico server. Nessuno dei due dati compare tipicamente su una tabella kVA, e tuttavia entrambi influenzano il progetto. Questa conversazione ha portato più di un progetto a passare da un’unica unità di grandi dimensioni a una coppia di unità più piccole con classificazione K, e ha inoltre evitato che progetti pagassero per un avvolgimento K-20 non necessario.

Se quest’anno si sta definendo definitivamente un’unica linea per un trasformatore per data center, inviare i megawatt dell’impianto, la lettera del gestore sulla corrente di cortocircuito e lo spettro del carico. Forniremo un confronto affiancato di entrambe le classi di tensione, le trasformatore a media tensione conseguenze sul quadro elettrico e un pacchetto di perdite rispetto alla tabella 2029. Iniziare da qui: contattate il nostro team di ingegneria .

 

Informazioni sull'Autore: Questa guida è stata redatta dal team di ingegneria elettrica di Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), un produttore di trasformatori con sede a Haian, Jiangsu, Cina, che fornisce tipo asciutto trasformatori a secco, immersi in liquido e trasformatori per sottostazioni integrate ai centri dati, ai progetti per le utility e industriali in tutto il mondo.