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60MWずつを収容する4つのホール、敷地の近くを通っている既存の送電線に合わせて13.8kVを供給する電力会社、そして短絡電流計算を実施する前に発注された開閉装置（スイッチギア）パッケージ――。6か月後には、配置計画が電気室の空間に合わなくなり、フィーダー回路数は2倍に増加し、480V母線における短絡電流値は、返品できない機器の定格を上回る状態に陥った。こうした問題はいずれも変圧器の故障によるものではなかった。キャンパス側は、まず銅線の使用量、開閉装置のサイズ、床面積といったコスト影響を計算する前に、中電圧クラスを選択してしまったのだ。
Aデータセンター用トランスフォーマー 通常、単一の配線図上で最後の項目として扱われるが、これは34.5kVを480Y／277Vに変換する変圧比である。実際には、一次側電圧クラスの選定は、ケーブル表、開閉装置の定格、アークフラッシュ解析にまで及ぶシステム全体の判断であり、2024年以降は米国のエネルギー効率規制の適用範囲にも関係する。概念設計段階で適切に決定するには、工学的な検討に約1週間かかる。一方、誤って決定すると、開閉装置の再発注を余儀なくされる。
以下では、顧客に対して両クラスをどのように比較するか、見積もり前に確認する数値、およびユニットが25年間正常に動作するか、それとも3年目で保証問題となるかを決める3つの仕様ポイントについて説明します。
データセンター用トランスフォーマーの仕様は、なぜ電圧クラスから始まるのか
変圧比は最初の調整要素であり、純粋な算術計算です。所定のMVAにおいて、電流は電圧に反比例して減少します。たとえば、60MWのホールでは、13.8kVでは約2,510A、34.5kVでは約1,004Aの電流が流れます。この2.5対1の比率は、系統連系点からユニット用サブステーションに至るすべてのフィーダーの許容電流、各フィーダーにおける並列敷設本数、およびその上方に設置されるケーブルトレイの幅にそのまま反映されます。
故障電流の向きが逆になります。メーター後方に500MVAの電源がある場合、13.8kV母線での金属性短絡故障電流は約20.9kA、34.5kVでは同一電源から約8.4kAが供給されます。故障電流が小さいため、キャンパスでは中圧開閉装置の遮断定格を低く設定でき、これは最近、開閉装置の納期が変圧器の納期よりも長くなっている市場において特に重要です。
キックオフ会議で見落とされがちな点です。34.5kV用機器は、13.8kV用機器と比べて物理的に小型ではありません。絶縁距離は長くなり、標準基本絶縁レベル（BIL）も13.8kVクラスの95kVに対し200kVと高くなります。そのため、キュービクルは高さ・奥行きともに大きくなります。より高い電圧クラスがもたらすメリットは、1MWあたりの電流値および故障電流レベルが低下することであり、その結果、キャンパス規模でのフィーダー本数および機器の定格を小さくできます。これらは2種類の異なるコスト削減効果であり、そのうち1つだけがケーブル表に反映されます。
34.5kVと13.8kVを並列配置
以下の比較では、60 MWのホールと500 MVAの供給電源を想定しています。いずれかの入力値を変更すると結論が変わる可能性があるため、お見積り前に電力会社発行の短絡電流証明書（ファルトレター）をご提出いただくようお願いしております。 中間電圧トランス キャンパス向けのケースです。
ホールの負荷電流、母線での短絡電流レベル、絶縁レベル、フィーダー数、および開閉器設備の設置面積はすべて連動して変化します。フィーダー数を半減できるキャンパスでは、変圧器本体よりもケーブルや端末部のコスト削減効果の方が大きくなるのが通常です。
| パラメーター（60 MWホール） | 13.8 kV | 34.5 kV |
| ホール満負荷時の電流 | 約2,510 A | 約1,004 A |
| 500 MVA電源における短絡電流 | 約20.9 kA | ～8.4 kA |
| 標準基本絶縁レベル | 95 kV | 200 kV |
| 各ホールの一次フィーダー数 | 並列回路数の増加 | 回路数の減少 |
| 開閉装置の Clearance（ Clearance：電極間の空気ギャップ） | 小型化・多台化 | 大型化・少台化 |
どちらの電圧方式も単独では優位とは言えません。たとえば、送配電会社が13.8 kVのみを供給する場合でも、キャンパス内では内部で34.5 kVへ昇圧し、その電圧レベルで配電を行うことが可能です。ただし、電圧変換ごとにトランスフォーマーが追加され、送電効率は約1％低下し、保守対象の機器も1台増加します。このトレードオフについては、単に想定するのではなく、きちんとモデル化して検討する価値があります。
480 V バスにおける現象を決定づけるのはインピーダンスです
パーセントインピーダンスとは 変圧器のインピーダンス 単なる比ではなく、保護設計上の課題として捉える必要が生じるポイントです。たとえば、2,000 kVA、5.75％インピーダンス、二次側電圧が480Y／277 Vのトランスユニットについて考えてみましょう。ケーブルのインピーダンスやモーターからの寄与を考慮する前の二次側端子におけるボルテッドファルト電流は、約41.8 kAとなります（計算式：2,000,000 ÷ (1.732 × 480 × 0.0575)）。
インピーダンスを6.5％に引き上げると、短絡電流は約37 kAまで低下します。購入者はこれを安全上の向上と解釈することがありますが、必ずしもそうとはいえません。アークフラッシュエネルギーは、短絡電流と遮断時間の両方に依存するため、上位保護装置の瞬時脱扣しきい値を下回るほど低い故障電流では、アーク持続時間が延長され、危険度が高まる可能性があります。そのため、アーキフラッシュ解析は、代表的な値ではなく、実際の機器に対して実施しなければなりません。作業上のルールは NFPA 70E （現行版2027年）に定められています。
もう半分の 変圧器のインピーダンス 話題は許容誤差です。保証されたインピーダンスは通常±7.5％以内で管理されており、たとえば5.75％を指定して発注した2台の機器でも、極端な場合、互いに最大で約15％の差が生じ得ます。こうした2台を並列接続すると、定格容量に達する前から循環電流や負荷の不均等が生じ、機器の過負荷や劣化を招くおそれがあります。設計上、並列運転が必須である場合は、公称値だけでなく、インピーダンスの許容範囲（ウィンドウ）を明示する必要があります。
二巻線型、三巻線型、または一次側セレクティブ型
キャンパス設計において、一般的な配置は主に3種類あります。2巻線ユニット変電所は、1棟の建物（ホール）ごとに1台の変圧器を設置する方式で、保護が最も簡単であり、交換も容易です。3巻線ユニット変電所は、1次側を1系統のみ受け、2系統の2次側母線に電力を供給する方式で、中圧開閉装置やケーブルの使用量を削減できますが、2つのホールが電気的に結合されるため、片方の2次側で遮断が発生すると、もう一方のホールも停電します（ただし、そのような事象を想定した保護方式を採用していれば別です）。プライマリ・セレクティブ方式では、2系統の公共電源をセレクタスイッチを介して1台の変圧器に接続し、電源の冗長性を確保しますが、変圧器自体には冗長性がありません。
ティアIIIまたはティアIVのトポロジーでは、通常、この選択は自然と決まります。冗長性は、電源だけでなく、変圧器レベルにも確保する必要があります。たとえば、定格容量2,000kVAの変圧器を2台用意し、それぞれを定格の約半分の負荷で運用する場合、1台の2,000kVA変圧器を定格負荷で運用する場合と比べて、発熱が抑えられます。これは、無負荷損失が鉄心のサイズに比例するのに対し、負荷損失は電流の2乗に比例するためです。つまり、追加コストは2つ目の鉄心にかかるのであり、銅線にはかかりません。
予算が厳しい場合、現実的な妥協策は、現場に設置するのではなく、倉庫にスペアユニットを備えておくことです。34.5 kVの機器が生産待ちのキューで1年間待機することもある市場では、棚に置いてあるスペアは、電気的判断ではなく、スケジューリング上の判断です。 乾式トランスフォーマー 34.5 kVの機器が生産待ちのキューで1年間待機することもある市場では、棚に置いてあるスペアは、電気的判断ではなく、スケジューリング上の判断です。
高調波、K係数、中性線導体
サーバー電源装置の性能は向上しましたが、依然としてリニアではありません。能動力率補正機能を備えた現代のスイッチング電源は、高いクレストファクターと第7次以降にも及ぶ奇数次高調波成分を含む電流を引き込みます。第3次、第9次、第15次などのトリプレン高調波は、位相が互いに打ち消し合うのではなく中性線で加算されるため、中性線にはそれに対応する位相導体よりも大きな電流が流れることがあります。
AK係数トランスフォーマー このスペクトルによって巻線に生じる追加の渦電流損失および漏れ損失に耐えられるよう設計されています。K-13は、オフィス機器とデータ処理機器が混在する負荷を想定したものであり、サーバー機器が密集したホールには通常K-20が選択されます。ただし、K値は母線における電圧ひずみを低減するものではありません。電圧ひずみの制御はシステム全体の課題であり、IEEE 519規格では、69 kV以下の系統において、共通結合点（PCC）での総高調波ひずみ率（THD）を5％以内に保つことを計画基準としています。この問題は、マルチパルス整流器、アクティブフィルター、または太い中性線（ニュートラル）などの対策で解決されます。
当社がデータセンター用トランスフォーマーに採用している仕様のデフォルトは、最低でもK-13の巻線、中性線容量を200％確保すること、および一般的なK値ではなく、実測された高調波スペクトルに基づいた高調波損失計算を実施することです。この計算結果こそが、たとえば2,000 kVAのトランスフォーマーが、その負荷条件下で本当に2,000 kVAの性能を発揮できるかどうかを示す根拠となります。
米国エネルギー省（DOE）が定める2029年度ラインの電圧は、正確に34.5 kVです。
米国の効率規制は、多くのキャンパスチームが遅く気づくことになる境界線を引いています。10 CFR 431.192で定義される配電用変圧器とは、入力電圧が34.5 kV以下、出力電圧が600 V以下、周波数が60 Hz、容量が液体浸漬形では10～2,500 kVA、乾式では15～2,500 kVAの変圧器です。 乾式トランスフォーマー この定義および適合義務発効日は、 米国エネルギー省 .
により公示されています。これには二つの結果が伴います。すなわち、34.5 kVから480Y／277 Vへのユニット型サブステーションは配電用変圧器に該当し、効率基準表への適合が必須ですが、34.5 kVから4.16 kVへのユニットは送配電用変圧器（パワートランス）に該当し、対象外となります。また、2024年に最終決定された改正基準は、2029年4月23日以降に製造される機器に適用されるため、2029年または2030年に設備を投入するキャンパスでは、入札仕様書に明記されていなくても、すでに新しい効率基準表に基づいた仕様策定が始まっているのです。
コンプライアンス対応は、主にコア用鋼板の調達によって実現されます。2029年の無負荷損失限界値を満たすには、通常、より大きなコア、高品質な結晶粒配向鋼板またはアモルファス鋼板の採用、および重量増加による大型化が必要となり、これにより輸送時の重量、床面積あたりの荷重、およびその下地となる構造用鋼材にも影響が及びます。今日作成される入札仕様書において、2029年版損失基準表に基づく損失仕様が一切記載されていない場合、それは単に「日付待ちの変更依頼書」にすぎません。すべての入札者に対し、両方の基準表（現行と2029年版）に基づく価格提示を求め、発注前に差分が明確に把握できるようにしてください。
当社が製造するものとその検証方法
ライアン・エレクトリック社は、2007年より江蘇省海安市の12万平方メートル規模の工場でトランスフォーマーの製造を手掛けており、乾式および油入浸タイプの設計において、180台以上の生産・試験設備と37件の特許を保有しています。当社製品はUL、CSA、IEEE、IEC、DEKRA各規格に準拠して製造され、CNAS認定の試験所による試験も実施しています。また、2023年よりイートン社とのジョイントベンチャー・パートナーとして事業を展開しています。
34.5kVクラス向け 乾式トランスフォーマー この電圧においては、関係する試験項目は一切妥協できません。200 kVの基本絶縁レベルにおけるインパルス耐電圧試験により、巻線の絶縁協調性が確認されます。キャストレジン絶縁では、定格電圧の1.5倍で部分放電を10 pC以下（より良好）に抑制しています。50 pCで「余裕を持って」合格したユニットであっても、工場出荷検収試験（FAT）には合格しますが、実際の運転中にトラッキングを起こす可能性があります。温度上昇試験は、指定された周囲温度条件下で絶縁クラスの余裕を確認するものであり、変圧比、インピーダンス、および音響レベルの測定結果は、出荷される現物ユニットが設計・解析時に検討されたモデルと一致していることを保証します。
34.5kVのキャンパス仕様書が当社の受付に到達した際、最初に確認する2つの項目は、接続地点における電力会社の短絡電流値と、UPSおよびサーバー負荷の実測高調波スペクトルです。これらは通常のkVA表には記載されておらず、どちらも設計に大きな影響を与えます。このやり取りによって、単一の大型トランスから、2台の小型K対応トランスへの変更が検討されたケースも複数あり、また、実際には不要なK-20巻線を購入してしまうリスクを回避できたプロジェクトもあります。
今四半期中にデータセンター用トランスの単線図を確定させる予定であれば、施設の総消費電力（MW単位）、電力会社発行の短絡電流証明書、および負荷の高調波スペクトルデータをお送りください。 中間電圧トランス そのうえで、両電圧クラスの並列比較表、開閉器設備への影響分析、および2029年版効率基準との損失比較資料をご提供いたします。まずはこちらからご依頼ください： 私たちのエンジニアリングチームにお問い合わせください .
著者について： 本ガイドは、中国江蘇省海安市に拠点を置くトランスメーカー「ライアン・エレクトリック（江蘇ライアン・トランスフォーマーズ）」の電源エンジニアリングチームが作成しました。同社は、 ドライタイプ ドライタイプ、 油入式およびユニットサブステーション型トランスを供給しています。 世界中のデータセンター、公益事業および産業向けプロジェクトへ。