34,5 kV kontra 13,8 kV – wybór transformatora średniego napięcia dla kampusów centrów danych

Cztery hale o mocy 60 MW każda, sieć energetyczna dostarczająca napięcie 13,8 kV – ponieważ właśnie taka linia przechodzi obok terenu – oraz zestaw rozdzielnic zamówiony zanim ktoś wykonał obliczenia zwarciowe. Sześć miesięcy później układ rozdzielnic nie mieści się już w pomieszczeniu elektrycznym, liczba przewodów zasilających podwoiła się, a dostępne prąd zwarciowy na szynoprzewodzie 480 V przekracza dopuszczalne wartości dla sprzętu, którego nie można zwrócić. Żadna z tych sytuacji nie wynikała z uszkodzenia transformatora. Kampus wybrał klasę średniego napięcia jeszcze przed obliczeniem, jakie to wybranie będzie miało konsekwencje w zakresie miedzi, rozdzielnic i powierzchni zabudowy.

Atransformator centrów danych zwykle traktowany jest jako ostatni element na pojedynczej linii – stosunek przekładni przekształcający napięcie 34,5 kV na 480Y/277 V. W praktyce klasa napięcia pierwotnego stanowi decyzję systemową, która wpływa na harmonogramy kabli, klasyfikację rozdzielnic, analizy zagrożenia łukiem elektrycznym oraz – od 2024 roku – na zakres amerykańskich przepisów dotyczących efektywności energetycznej. Poprawne dobranie tej klasy na etapie koncepcji wymaga tygodnia pracy inżynierskiej. Błędny wybór skutkuje koniecznością ponownego zamówienia rozdzielnic.

Poniżej przedstawiamy sposób, w jaki porównujemy te dwie klasy z klientami, dane liczbowe, których wymagamy przed przygotowaniem oferty, oraz trzy punkty specyfikacji decydujące o tym, czy urządzenie będzie działać przez dwadzieścia pięć lat, czy też stanie się przedmiotem sporu gwarancyjnego już w trzecim roku.

 

 

Dlaczego specyfikacja transformatora dla centrów danych zaczyna się od klasy napięcia

Stosunek transformacji to pierwszy parametr i jest czystą arytmetyką. Dla danej mocy wyrażonej w MVA wartość prądu maleje odwrotnie proporcjonalnie do napięcia. Hala o mocy 60 MW pobiera około 2510 A przy napięciu 13,8 kV i około 1004 A przy napięciu 34,5 kV. Ten stosunek 2,5 do 1 przejawia się w zdolności przenoszenia prądu każdego przewodu zasilającego między punktem przyłączenia sieci energetycznej a podstacją jednostkową, w liczbie równoległych tras na każdy przewód zasilający oraz w szerokości kanału kablowego nad nimi.

Prąd awaryjny przepływa w przeciwnym kierunku. Przy źródle o mocy 500 MVA za licznikiem prąd zwarciowy przy szynach 13,8 kV wynosi około 20,9 kA; przy napięciu 34,5 kV to samo źródło dostarcza około 8,4 kA. Niższy prąd zwarciowy pozwala kampusowi zastosować sprzęt rozdzielczy średniego napięcia o niższej zdolności wyzwalania, co ma znaczenie na rynku, gdzie czas realizacji zamówienia sprzętu rozdzielczego jest dłuższy niż czas realizacji transformatorów.

Oto element, który często przeoczany jest podczas spotkania zapoczątkowującego projekt. Sprzęt do napięcia 34,5 kV nie jest fizycznie mniejszy od sprzętu do napięcia 13,8 kV — odstępy są większe, a standardowy poziom podstawowej izolacji wynosi 200 kV w porównaniu do 95 kV dla klasy 13,8 kV, więc szafy są wyższe i głębsze. Wyższa klasa napięcia zapewnia niższy prąd na megawat mocy oraz niższy poziom prądu zwarciowego, co redukuje liczbę obwodów zasilających oraz wymagane parametry urządzeń w skali całego kampusu. To dwa różne oszczędności, ale tylko jedna z nich pojawia się w harmonogramie kabli.

 

34,5 kV i 13,8 kV – obok siebie

Poniższe porównanie opiera się na hali o mocy 60 MW oraz źródle o dostępnej mocy 500 MVA. Zmiana któregokolwiek z tych parametrów może zmienić wnioski, dlatego przed przygotowaniem oferty prosimy o przesłanie listu od operatora sieci zawierającego dane dotyczące zwarć. transformator średniego napięcia dla kampusu.

Prąd dla hali, poziom zwarć na szynoprzewodzie, poziom izolacji, liczba wyjść zasilających oraz powierzchnia zajmowana przez rozdzielnice są ze sobą powiązane. Kampus, który zmniejsza liczbę wyjść zasilających o połowę, zwykle oszczędza głównie na kablu i końcówkach, a nie na samym transformatorze.

Parametr (hala 60 MW)	13,8 kV	34,5 kV
Prąd przy pełnym obciążeniu hali	~2510 A	~1004 A
Prąd zwarciowy przy źródle 500 MVA	~20,9 kA	~8,4 kA
Standardowy poziom podstawowej izolacji	95 kV	200 kV
Główny przewód zasilający na halę	Więcej połączeń równoległych	Mniej połączeń
Odległości w rozdzielnicach	Krótsze i więcej szaf	Dłuższe i mniej szaf

Żadna z kolumn nie wygrywa samodzielnie. Jeśli sieć dostarcza jedynie napięcia 13,8 kV, kampus może wewnętrznie podwyższyć je do 34,5 kV i rozprowadzać na tym poziomie — jednak każda konwersja wymaga transformatora, powoduje straty rzędu jednego procenta przepływu mocy oraz dodatkowy element do konserwacji. Warto przeanalizować tę zależność modelowo, zamiast przyjmować ją za założenie.

 

Impedancja decyduje o tym, co dzieje się na szynie 480 V

Procentowa impedancja to punkt, w którym impedancja transformatora stosunek przestaje być jedynie wartością liczbową i staje się problemem ochrony. Weźmy jednostkę o mocy 2000 kVA i impedancji 5,75 proc. z uzwojeniem wtórnym 480Y/277 V. Prąd zwarciowy przy zwartym połączeniu na zaciskach wtórnych wynosi około 41,8 kA przed uwzględnieniem impedancji kabli i wkładu silników: 2 000 000 podzielone przez (1,732 × 480 × 0,0575).

Podniesienie impedancji do 6,5 procenta powoduje spadek wartości prądu zwarciowego do około 37 kA. Nabywcy czasem interpretują to jako zwiększenie bezpieczeństwa. Nie jest to jednak automatycznie prawdą. Energia łuku zależna jest od prądu i czasu wyłączenia razem wziętych, więc niższy prąd zwarciowy znajdujący się poniżej progowej wartości natychmiastowego zadziałania urządzenia nadwyżkowego może wydłużyć czas trwania łuku i zwiększyć zagrożenie. Dlatego badanie ryzyka łuku elektrycznego musi być przeprowadzone dla konkretnej jednostki, a nie na podstawie typowych wartości; zasady pracy znajdują się w NFPA 70E , obecne wydanie z 2027 roku.

Druga połowa impedancja transformatora historii dotyczy tolerancji. Gwarantowana impedancja jest zwykle utrzymywana w zakresie plus lub minus 7,5 procenta, więc dwie jednostki zamówione z impedancją 5,75 procenta mogą różnić się od siebie nawet o prawie 15 procent w skrajnych przypadkach. Połączenie tych dwóch jednostek równolegle powoduje przepływ prądu cyrkulacyjnego oraz nierównomierne obciążenie znacznie przed osiągnięciem przez którejkolwiek z nich wartości znamionowej. Jeśli projekt zakłada pracę równoległą, należy określić zakres impedancji, a nie tylko wartość nominalną.

 

Dwuzwojnikowa, trójjwojnikowa lub z selektywnym uzwojeniem pierwotnym

Trzy układy obejmują większość projektów kampusów. Stacja transformatorowa z dwoma uzwojeniami to jeden transformator na budynek – najprostsza w ochronie i najłatwiejsza w wymianie. Stacja transformatorowa z trzema uzwojeniami pobiera energię z jednego źródła pierwotnego i zasila dwie szyny wtórne, co redukuje liczbę urządzeń rozdzielczych średniego napięcia oraz okablowania, ale łączy budynki elektrycznie – awaria na jednej szynie wtórnej powoduje wyłączenie obu budynków, chyba że układ ochrony został zaprojektowany specjalnie na taką sytuację. Układ z wyboru źródła pierwotnego przekazuje dwa zasilania sieciowe do jednego transformatora za pośrednictwem selektora – zapewnia redundancję źródła, ale w ogóle nie zapewnia redundancji transformatora.

W przypadku topologii Tier III lub Tier IV decyzja jest zwykle narzucona. Redundancja musi być zapewniona na poziomie transformatora, a nie tylko źródła. Dwa transformatory o mocy 2000 kVA każdy, obciążone w przybliżeniu do połowy swojej nominalnej mocy, działają chłodniej niż jeden transformator 2000 kVA pracujący w pełni obciążony, ponieważ straty stanu jałowego rosną proporcjonalnie do rozmiaru rdzenia, podczas gdy straty obciążeniowe rosną proporcjonalnie do kwadratu prądu. Dodatkowy koszt wynika z drugiego rdzenia, a nie z miedzi.

Gdy budżet jest ograniczony, uczciowym kompromisem jest jednostka zapasowa w magazynie zamiast jednostki zapasowej zainstalowanej. Na rynku, gdzie transformator 34,5 kV transformator typu suchego może czekać w kolejce produkcyjnej przez rok, jednostka zapasowa na półce to decyzja organizacyjna, a nie elektryczna.

 

Harmoniczne, współczynnik K oraz przewód neutralny

Zasilacze serwerowe uległy udoskonaleniu, ale nie stały się liniowe. Nowoczesny zasilacz impulsowy z aktywną korekcją współczynnika mocy pobiera prąd o wysokim współczynniku szczytowym oraz widmie harmonicznym zawierającym głównie harmoniczne nieparzyste, sięgającym znacznie poza siódmą harmoniczną. Harmoniczne potrójne — trzecia, dziewiąta, piętnasta — sumują się w przewodzie neutralnym zamiast się znosić, dlatego przewód neutralny może przewodzić większy prąd niż przewód fazowy, do którego należy.

ATransformator o współczynniku K jest oceniany pod kątem wytrzymałości na dodatkowe straty wirowe i rozproszone, które ten widmo powoduje w uzwojeniach. K-13 dotyczy mieszanej obciążenia biurowego i obciążenia danych; K-20 jest zwykle wybierany dla sali z gęstym rozmieszczeniem zasilaczy serwerowych. Ocena K nie zmniejsza jednak zniekształcenia napięcia na szynie. Jest to problem systemowy, regulowany poziomem planowanym całkowitego zniekształcenia harmonicznego wynoszącym 5 procent w punkcie wspólnego sprzężenia zgodnie ze standardem IEEE 519 dla systemów o napięciu do 69 kV włącznie oraz rozwiązywany za pomocą prostowników wielopulsowych, filtrów aktywnych lub większego przewodu neutralnego.

Nasz domyślny standard techniczny dla transformatora centrum danych przewiduje uzwojenie klasy K-13 jako minimalne wymaganie, przewód neutralny o przekroju 200 procentowym oraz obliczenie strat harmonicznych na podstawie zmierzonego widma, a nie ogólnego numeru K. To właśnie takie obliczenie pozwala określić, czy ramka o mocy 2000 kVA rzeczywiście zapewnia moc 2000 kVA przy danym obciążeniu.

 

 

Linia DOE 2029 znajduje się dokładnie na poziomie 34,5 kV

Amerykańskie przepisy dotyczące sprawności wyznaczają granicę, której większość zespołów działających na terenach kampusów dowiaduje się dopiero z opóźnieniem. Transformator rozdzielczy, zgodnie z definicją zawartą w § 10 CFR 431.192, ma napięcie wejściowe równe lub mniejsze niż 34,5 kV, napięcie wyjściowe równe lub mniejsze niż 600 V, częstotliwość znamionową 60 Hz oraz moc znamionową w zakresie od 10 do 2500 kVA dla jednostek zanurzanych w cieczy lub od 15 do 2500 kVA dla transformator typu suchego jednostek suchych. Definicja oraz terminy obowiązywania są publikowane przez US Department of Energy .

Wynikają z tego dwie konsekwencje. Jednostka podstacji o przełożeniu 34,5 kV na 480Y/277 V jest transformatorzem rozdzielczym i musi spełniać wymagania określone w tabeli sprawności, podczas gdy jednostka o przełożeniu 34,5 kV na 4,16 kV jest transformatorzem mocy i nie podlega tym wymaganiom. Ponadto zmienione normy przyjęte w ostatecznym rozporządzeniu z 2024 roku będą obowiązywać dla jednostek produkowanych od 23 kwietnia 2029 r., a więc kampus rozpoczynający eksploatację w 2029 lub 2030 r. już teraz określa parametry zgodne z nową tabelą – niezależnie od tego, czy ogłoszenie przetargu to jasno stwierdza.

Zgodność jest osiągana głównie poprzez zastosowanie rdzenia stalowego. Spełnienie limitów strat w stanie jałowym obowiązujących od 2029 roku zwykle wymaga większego rdzenia, lepszego materiału z orientacją ziarnową lub amorficznego oraz cięższej jednostki — co wpływa na masę przewozową, obciążenie podłogi oraz stal konstrukcyjną znajdującą się pod transformatorami. Współczesne przetargi bez pakietu ograniczeń strat w stosunku do tabeli obowiązującej od 2029 roku są w istocie gotowymi do wydania rozkazami zmiany. Poproś każdego uczestnika przetargu o przedstawienie ofert dla obu tabel, aby różnica była widoczna przed wydaniem zamówienia zakupowego, a nie po jego wydaniu.

 

To, co produkujemy, oraz sposób weryfikacji jakości

Ryan Electric produkuje transformatory od 2007 roku w zakładzie o powierzchni 120 000 m² w Haian w prowincji Jiangsu, dysponując ponad 180 zestawami sprzętu produkcyjnego i testowego oraz 37 patentami obejmującymi konstrukcje typu suchego i zanurzonego w cieczy. Jednostki są produkowane zgodnie ze schematami UL, CSA, IEEE, IEC oraz DEKRA, przy użyciu akredytowanych przez CNAS badań; od 2023 roku firma działa jako partner przedsiębiorstwa Eaton w ramach wspólnej przedsięwzięcia.

Dla klasy napięcia 34,5 kV transformator typu suchego , testy mające znaczenie przy tym napięciu są bezwzględnie wymagane. Wytrzymałość na impuls przy podstawowym poziomie izolacji 200 kV potwierdza dopasowanie izolacji uzwojeń. Rozładowania cząstkowe w żywicy odlewowej są ograniczone do 10 pC lub lepiej przy napięciu 1,5-krotnym względem znamionowego; jednostka, która przypadkowo spełnia wymóg na poziomie 50 pC, nadal przejdzie test akceptacyjny fabryczny, ale w eksploatacji może ulec uszkodzeniu. Wzrost temperatury potwierdza zapas klasy izolacji przy określonej temperaturze otoczenia, a stosunek przekładni, impedancja oraz poziom hałasu potwierdzają, że jednostka załadowana na ciężarówkę odpowiada modelowi, który został przeanalizowany.

Gdy specyfikacja transformatora o napięciu 34,5 kV przeznaczonego na teren kampusu trafia do naszego biura aplikacyjnego, dwoma pierwszymi pytaniami są: wartość prądu zwarciowego dostępnego od sieci w punkcie przyłączenia oraz zmierzony widmowy rozkład harmonicznych obciążenia UPS i serwerów. Żadne z tych dwóch parametrów nie pojawia się zwykle w typowej tabeli kVA, a oba mają wpływ na projektowanie układu. Takie rozmowy doprowadziły już niejednokrotnie do zmiany projektu – z jednej dużej jednostki na parę mniejszych jednostek o klasie K oraz do uniknięcia zakupu uzwojenia klasy K-20, które w rzeczywistości nie było potrzebne.

Jeśli w tym kwartale zamrażasz pojedynczą linię transformatora dla centrum danych, prześlij nam moc w megawatach (MW) dla hali, list od dostawcy energii zawierający dane o prądzie zwarciowym oraz widmowy rozkład obciążenia. Przygotujemy porównanie obu klas napięciowych obok siebie, konsekwencje dla rozdzielnic oraz zestaw danych dotyczących strat w oparciu o tabelę z 2029 roku. transformator średniego napięcia i konsekwencje dla rozdzielnic oraz zestaw danych dotyczących strat w oparciu o tabelę z 2029 roku. Zacznij tutaj: skontaktuj się z naszym zespołem inżynieryjnym .

 

O autorze: Ten przewodnik został opracowany przez zespół inżynierów ds. zasilania firmy Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), producenta transformatorów z siedzibą w Haian, prowincja Jiangsu, Chiny, dostarczającego suchy typ transformatorów suchych, transformatorów olejowych oraz transformatorów podstacji do centrów danych, sieci energetycznych i projektów przemysłowych na całym świecie.