34,5 kV versus 13,8 kV: Alegerea unui transformator de medie tensiune pentru campusurile centrelor de date

Patru săli, fiecare de 60 MW, o rețea electrică care oferă 13,8 kV, deoarece această tensiune este deja disponibilă în apropierea amplasamentului, și un pachet de echipamente de comutație comandat înainte ca oricine să fi efectuat calculul de scurtcircuit. La șase luni distanță, configurația nu mai încapă în sala electrică, numărul de derivații s-a dublat, iar curentul de scurtcircuit disponibil la bara de 480 V depășește valoarea nominală a echipamentelor care nu mai pot fi returnate. Niciunul dintre aceste aspecte nu a fost cauzat de o defectare a transformatorului. Campusul a ales o clasă de tensiune medie înainte de a calcula costurile asociate în ceea ce privește cuprul, echipamentele de comutație și suprafața necesară.

Atransformatorul de centru de date este de obicei tratată ca ultimul element de pe o singură linie, un raport care transformă 34,5 kV în 480Y/277 V. În practică, clasa de tensiune primară este o decizie de sistem care influențează planificarea cablurilor, clasele de tensiune ale echipamentelor de comutație, studiile privind arcul electric și, începând cu anul 2024, domeniul de aplicare al reglementărilor americane privind eficiența energetică. Luarea deciziei corecte în stadiul conceptual necesită o săptămână de inginerie. Luarea unei decizii greșite implică comandarea din nou a echipamentelor de comutație.

Ce urmează este modul în care comparăm cele două clase cu clienții, cifrele pe care le cerem înainte de a oferi o ofertă și cele trei puncte de specificație care decid dacă unitatea funcționează timp de douăzeci și cinci de ani sau devine un motiv de reclamație în garanție în al treilea an.

 

 

De ce o specificație pentru transformatorul unui centru de date începe cu clasa de tensiune

Raportul de transformare este prima variabilă și este pur aritmetic. Pentru o putere aparentă dată (MVA), curentul scade în proporție inversă cu tensiunea. O sală de 60 MW consumă aproximativ 2.510 A la 13,8 kV și aproximativ 1.004 A la 34,5 kV. Acest raport de 2,5 la 1 se reflectă în capacitatea de curent a fiecărei linii de alimentare dintre punctul de racordare la rețea și substația unității, în numărul de trasee paralele pe fiecare linie de alimentare și în lățimea canalelor pentru cabluri de deasupra acestora.

Curentul de defect se deplasează în direcția opusă. Cu o sursă de 500 MVA situată în spatele contorului, un defect în scurtcircuit la bara de 13,8 kV este de aproximativ 20,9 kA; la 34,5 kV, aceeași sursă furnizează aproximativ 8,4 kA. Un curent de defect mai mic permite campusului să utilizeze un nivel de rupere mai scăzut pentru echipamentele de întrerupere în medie tensiune, ceea ce are importanță pe o piață unde timpul de livrare al echipamentelor de întrerupere este mai lung decât cel al transformatoarelor.

Iată partea care este adesea omisă în întâlnirea de lansare. Echipamentele pentru 34,5 kV nu sunt fizic mai mici decât cele pentru 13,8 kV — distanțele de izolare sunt mai mari, iar nivelul standard de izolare de bază este de 200 kV, comparativ cu 95 kV pentru clasa de 13,8 kV, astfel încât celulele sunt mai înalte și mai adânci. Ceea ce oferă clasa superioară este un curent mai mic pe megawatt și un nivel de defect mai scăzut, ceea ce reduce numărul de derivații și puterea nominală a dispozitivelor la scară de campus. Acestea sunt două economii distincte, iar doar una dintre ele apare în programul de cabluri.

 

34,5 kV și 13,8 kV, una lângă alta

Comparația de mai jos folosește o sală de 60 MW și o sursă disponibilă de 500 MVA. Modificarea oricărui parametru de intrare poate schimba concluzia, motiv pentru care solicităm scrisul utilității privind defectul înainte de a oferi o ofertă pentru transformator de medie tensiune un campus.

Curentul pentru sală, nivelul de defect la bara colectoare, nivelul de izolare, numărul de alimentări și suprafața ocupată de echipamentul de comutație se modifică simultan. Un campus care reduce la jumătate numărul de alimentări obișnuiește să obțină economii în cabluri și terminații, nu neapărat în transformatorul în sine.

Parametru (sală de 60 MW)	13,8 kV	34,5 kV
Curent la sarcina maximă a sălii	~2.510 A	~1.004 A
Curent de defect, sursă de 500 MVA	~20,9 kA	~8,4 kA
Nivel standard de izolare de bază	95 kV	200 kV
Alimentări primare pe sală	Mai multe trasee în paralel	Mai puține trasee
Distanțe între echipamentele de comutație	Mai scurte, mai multe celule	Mai lungi, mai puține cabine

Niciuna dintre cele două colțuri nu câștigă în mod independent. Dacă rețeaua electrică furnizează doar 13,8 kV, un campus poate totuși ridica tensiunea intern la 34,5 kV și poate distribui la acest nivel — dar fiecare conversie adaugă un transformator, aproximativ un procent din puterea transmisă se pierde, iar un nou activ trebuie întreținut. Această compensare merită modelată, nu presupusă.

 

Impedanța determină ce se întâmplă la bara de 480 V

Procentul de impedanță este locul în care impedanța transformatorului se oprește fiind o raportare și începe să devină o problemă de protecție. Luați un transformator de 2.000 kVA cu o impedanță de 5,75 % și o tensiune secundară de 480Y/277 V. Curentul de scurtcircuit rigid la bornele secundare este de aproximativ 41,8 kA, înainte de a lua în calcul impedanța cablurilor și contribuția motoarelor: 2.000.000 împărțit la (1,732 × 480 × 0,0575).

Creșteți impedanța la 6,5 la sută și valoarea scade la aproximativ 37 kA. Cumpărătorii interpretează uneori acest lucru ca o creștere a siguranței. Însă nu este neapărat așa. Energia de arc depinde simultan de curent și de timpul de eliminare, astfel încât un curent de defect mai mic, situat sub pragul de declanșare instantaneu al dispozitivului situat în amonte, poate prelungi durata arcului și poate mări riscul. De aceea, studiul privind arcul electric trebuie efectuat pentru unitatea reală, nu pentru o valoare tipică; regulile de lucru se află în NFPA 70E , ediția actuală 2027.

Cealaltă jumătate a impedanța transformatorului povestirii este toleranța. Impedanța garantată este de obicei menținută în limitele de plus sau minus 7,5 la sută, astfel încât două unități comandate cu o impedanță de 5,75 la sută pot diferi una de cealaltă cu aproape 15 la sută în cazurile extreme. Dacă aceste două unități sunt conectate în paralel, diferența determină apariția unui curent de circulație și o încărcare inegală mult înainte ca oricare dintre ele să atingă valoarea nominală. Dacă proiectul presupune funcționarea în paralel, specificați fereastra de impedanță, nu doar valoarea nominală.

 

Cu două înfășurări, cu trei înfășurări sau cu selecție pe partea primară

Trei aranjamente acoperă majoritatea proiectelor de campus. O substație unitară cu două înfășurări presupune un transformator pe sală, fiind cea mai simplă soluție din punct de vedere al protecției și cea mai ușor de înlocuit. O substație unitară cu trei înfășurări primește o singură alimentare primară și alimentează două bare secundare, reducând astfel echipamentele de comutație în tensiune medie și cablurile, dar cuplând electric sălile — o declanșare pe una dintre barele secundare duce la deconectarea ambelor, dacă schema de protecție nu este concepută special pentru această situație. Un aranjament primar-selecționat aduce două alimentări din rețea într-un singur transformator prin intermediul unui selector: oferă redundanță la nivelul sursei, dar nicio redundanță la nivelul transformatorului.

Pentru o topologie de tip Tier III sau Tier IV, decizia este de obicei impusă. Redundanța trebuie să fie asigurată la nivelul transformatorului, nu doar la nivelul sursei. Două unități de câte 2.000 kVA, fiecare încărcată la aproximativ jumătate din puterea nominală, funcționează la temperaturi mai scăzute decât o singură unitate de 2.000 kVA aflată la sarcină completă, deoarece pierderile la mersul în gol depind de dimensiunea miezului, iar pierderile sub sarcină variază cu pătratul curentului. Costul suplimentar este determinat de al doilea miez, nu de cupru.

Unde bugetul este limitat, compromisul sincer este o unitate de rezervă în depozit, nu una instalată. Într-o piață în care un echipament de 34,5 kV transformator de tip uscat poate sta în coada de producție timp de un an, o unitate de rezervă pe raft este o decizie de programare, nu una electrică.

 

Armonicele, factorul K și conductorul neutru

Alimentările de server s-au îmbunătățit, dar nu au devenit liniare. O alimentare modernă cu comutare în modul (switched-mode) și corecție activă a factorului de putere absoarbe curent cu un factor de vârf ridicat și un spectru de armonice impare care ajunge mult dincolo de cea de-a șaptea armonică. Armonicile triplen — a treia, a noua, a cincisprezecea — se adună în conductorul neutru, în loc să se anuleze reciproc, astfel încât conductorul neutru poate transporta un curent mai mare decât conductorul de fază căruia îi aparține.

ATransformator cu factor k este clasificat pentru a suporta pierderile suplimentare prin curenți parazitari și pierderi dispersate pe care acest spectru le generează în înfășurări. Clasificarea K-13 acoperă o încărcătură mixtă de birou și date; K-20 este opțiunea obișnuită pentru o sală plină de surse de alimentare server dens împachetate. Ceea ce o clasificare K nu face este să reducă distorsiunea tensiunii pe magistrală. Aceasta este o problemă de sistem, reglementată de nivelul planificat de 5 procente distorsiune armonică totală la punctul de cuplare comun conform IEEE 519 pentru sisteme la sau sub 69 kV, iar soluția constă în redresoare cu mai multe impulsuri, filtre active sau o neutră mai mare.

Specificarea noastră implicită pentru un transformator de centru de date este o înfășurare K-13 ca minim, o neutră de 200 la sută și un calcul al pierderilor armonice efectuat pe baza spectrului măsurat, nu pe baza unei valori generice K. Acest calcul indică dacă un cadru de 2.000 kVA este, de fapt, un cadru de 2.000 kVA la această încărcătură.

 

 

Linia DOE 2029 se află exact la 34,5 kV

Regulamentul american privind eficiența trasează o limită pe care majoritatea echipelor universitare o descoperă târziu. Un transformator de distribuție, așa cum este definit în 10 CFR 431.192, are o tensiune de intrare de 34,5 kV sau mai mică, o tensiune de ieșire de 600 V sau mai mică, o frecvență nominală de 60 Hz și o capacitate între 10 și 2.500 kVA pentru unitățile imersate în lichid sau între 15 și 2.500 kVA pentru transformator de tip uscat unități. Definiția și datele de conformitate sunt publicate de către US Department of Energy .

Rezultă două consecințe. O substație de tip unitate de la 34,5 kV la 480Y/277 V este un transformator de distribuție și trebuie să respecte tabelul de eficiență, în timp ce o unitate de la 34,5 kV la 4,16 kV este un transformator de putere și nu intră sub incidența acestui tabel. În plus, standardele modificate adoptate prin regula finală din 2024 se aplică unităților fabricate începând cu 23 aprilie 2029, astfel încât o universitate care pune în funcțiune echipamente în 2029 sau 2030 specifică deja conform noului tabel, indiferent dacă licitația menționează sau nu acest lucru.

Conformitatea este obținută în principal prin utilizarea oțelului de bază. Îndeplinirea limitelor privind pierderile la mersul în gol stabilite pentru anul 2029 implică, de obicei, o miez mai mare, materiale orientate pe granulație sau amorfe de calitate superioară și o unitate mai grea — ceea ce modifică greutatea de transport, încărcarea pe podea și oțelul structural aferent. O cerere de ofertă emisă astăzi fără un pachet specific privind pierderile, comparată cu tabelul din 2029, reprezintă un ordin de modificare care așteaptă doar data de aplicare. Solicitați fiecărui ofertant să prezinte oferte pentru ambele tabele, astfel încât diferența să fie vizibilă înainte de emiterea comenzii de achiziție, nu după aceasta.

 

Ce construim și cum verificăm acest lucru

Ryan Electric produce transformatoare din 2007, dintr-o fabrică de 120.000 m² situată în Haian, Jiangsu, dotată cu peste 180 de seturi de echipamente pentru producție și testare, precum și cu 37 de brevete acoperind atât variantele uscate, cât și cele imersate în lichid. Unitățile sunt fabricate conform standardelor UL, CSA, IEEE, IEC și DEKRA, cu teste acreditate CNAS; începând din 2023, compania funcționează ca partener într-o întreprindere comună cu Eaton.

Pentru o clasă de 34,5 kV transformator de tip uscat , testele care contează la acest nivel de tensiune nu sunt negociabile. Rezistența la impuls la nivelul de izolare de bază de 200 kV dovedește coordonarea izolației înfășurărilor. Descărcarea parțială la rezina turnată este menținută la 10 pC sau mai bine la 1,5 ori tensiunea nominală; o unitate care trece cu ușurință la 50 pC va trece totuși un test de acceptare la fabrică, dar se va deteriora ulterior în exploatare. Creșterea de temperatură confirmă marja clasei de izolație la temperatura ambient specificată, iar raportul de transformare, impedanța și nivelul de zgomot confirmă faptul că unitatea din camion corespunde modelului care a fost studiat.

Când o specificație de 34,5 kV pentru un campus ajunge la biroul nostru de aplicații, primele două întrebări sunt: curentul de scurtcircuit disponibil oferit de rețeaua electrică în punctul de racordare și spectrul armonic măsurat al UPS-urilor și al sarcinii serverelor. Niciuna dintre aceste informații nu apare într-un tabel tipic de kVA, iar ambele influențează proiectarea. Această discuție a dus mai multe proiecte de la o singură unitate mare la o pereche de unități mai mici, clasificate K, iar în unele cazuri a evitat achiziționarea unui înfășurământ K-20 care nu era necesar.

Dacă blocați în acest trimestru o singură schemă pentru un transformator de centru de date, trimiteți-ne puterea în megawați a sălii, scrisoarea rețelei privind curentul de scurtcircuit și spectrul sarcinii. Vă vom returna o comparație pe lângă a celor două clase de tensiune, consecințele pentru tablourile electrice și un pachet de pierderi comparat cu tabelul din 2029. Începeți de aici: transformator de medie tensiune și consecințele pentru tablourile electrice contactați echipa noastră de inginerie .

 

Despre autor: Acest ghid a fost scris de echipa de inginerie energetică de la Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), un producător de transformatoare cu sediul în Haian, Jiangsu, China, care furnizează uscat transformatoare uscate transformatoare pentru stații de transformare compacte către centrele de date, proiectele utilitare și industriale din întreaga lume.