34,5 кВ против 13,8 кВ: выбор трансформатора среднего напряжения для кампусов центров обработки данных

Четыре зала по 60 МВт каждый, электросеть, обеспечивающая напряжение 13,8 кВ, поскольку линия с таким напряжением уже проходит мимо объекта, и комплект распределительного оборудования, заказанный до того, как кто-либо выполнил расчёт токов короткого замыкания. Через шесть месяцев компоновка оборудования больше не соответствует размерам электрощитовой, количество фидеров удвоилось, а доступный ток короткого замыкания на шине 480 В превышает номинальные значения оборудования, которое невозможно вернуть поставщику. Ни одна из этих проблем не связана с отказом трансформатора. На кампусе выбрали класс среднего напряжения ещё до расчёта того, во что обойдётся такой выбор в плане меди, распределительного оборудования и площади пола.

А трансформатор для центра обработки данных обычно рассматривается как последний элемент в одной строке — это коэффициент трансформации, преобразующий 34,5 кВ в 480Y/277 В. На практике выбор первичного класса напряжения — это системное решение, затрагивающее графики прокладки кабелей, номиналы распределительного оборудования, исследования дугового разряда и, начиная с 2024 года, также сферу действия нормативов США по энергоэффективности. Правильный выбор на концептуальном этапе требует недели инженерных работ. Ошибка же обойдётся в повторный заказ распределительного оборудования.

Далее приводится описание того, как мы сравниваем два класса с клиентами, какие цифры запрашиваем до формирования коммерческого предложения и три параметра технических характеристик, определяющие, будет ли устройство работать двадцать пять лет или станет предметом гарантийного спора уже на третий год.

 

 

Почему спецификация трансформатора для центра обработки данных начинается с класса напряжения

Соотношение трансформации — первый регулируемый параметр, и оно чисто арифметическое. При заданной мощности в МВА ток уменьшается обратно пропорционально напряжению. Зал мощностью 60 МВт потребляет примерно 2510 А при напряжении 13,8 кВ и около 1004 А при напряжении 34,5 кВ. Это соотношение 2,5 к 1 проявляется в допустимом токе каждой линии электропередачи между точкой подключения к сети и понижающей подстанцией, в количестве параллельных прокладок на каждую линию и в ширине кабельного лотка над ними.

Ток короткого замыкания течёт в противоположном направлении. При источнике мощностью 500 МВ·А за счётчиком ток трёхфазного короткого замыкания на шине 13,8 кВ составляет примерно 20,9 кА; на шине 34,5 кВ тот же источник обеспечивает около 8,4 кА. Более низкий ток короткого замыкания позволяет кампусу использовать оборудование среднего напряжения с меньшим номинальным током отключения, что имеет значение на рынке, где срок поставки коммутационного оборудования превышает срок поставки трансформаторов.

Вот то, что часто упускают из виду на стартовом совещании. Оборудование на 34,5 кВ физически не компактнее оборудования на 13,8 кВ — расстояния между токоведущими частями увеличены, а стандартный базовый уровень изоляции составляет 200 кВ против 95 кВ для класса 13,8 кВ, поэтому шкафы получаются выше и глубже. Повышенный класс напряжения обеспечивает меньший ток на мегаватт передаваемой мощности и более низкий уровень тока короткого замыкания, что сокращает количество фидеров и номиналы устройств в масштабе всего кампуса. Это два разных вида экономии, но лишь один из них отражается в спецификации кабелей.

 

34,5 кВ и 13,8 кВ — сравнение рядом

Сравнение ниже выполнено для зала мощностью 60 МВт и доступного источника мощностью 500 МВА. Изменение любого из этих параметров может повлиять на выводы, поэтому мы запрашиваем у энергоснабжающей организации письмо о токах короткого замыкания до подготовки коммерческого предложения. трансформатор среднего напряжения для кампуса.

Ток в зале, уровень тока короткого замыкания на шине, уровень изоляции, количество фидеров и габаритные размеры распределительного устройства изменяются совместно. В кампусе, где количество фидеров сокращается вдвое, экономия обычно достигается за счёт кабелей и оконцеваний, а не за счёт самого трансформатора.

Параметр (зал мощностью 60 МВт)	13,8 кВ	34,5 кВ
Ток при полной нагрузке зала	~2510 А	~1004 А
Ток короткого замыкания при источнике 500 МВА	~20,9 кА	~8,4 кА
Стандартный базовый уровень изоляции	95 кВ	200 кВ
Основные фидеры на зал	Больше параллельных прокладок	Меньше прокладок
Расстояния в коммутационном оборудовании	Короче, больше кубикулов	Длиннее, меньше кубикулов

Ни один из столбцов сам по себе не является предпочтительным. Если электросетевая компания обеспечивает только напряжение 13,8 кВ, кампус всё равно может повысить его внутри собственной сети до 34,5 кВ и распределять электроэнергию на этом уровне — однако каждое преобразование требует установки трансформатора, вызывая потери примерно в один процент от передаваемой мощности, а также добавляя ещё один элемент, требующий технического обслуживания. Такой компромисс целесообразно проанализировать с помощью моделирования, а не принимать без проверки.

 

Сопротивление определяет происходящее на шине 480 В

Процентное сопротивление — это тот момент, когда импеданс трансформатора величина перестаёт быть просто отношением и превращается в проблему защиты. Рассмотрим трансформатор мощностью 2000 кВ·А с процентным сопротивлением 5,75 % и вторичным напряжением 480Y/277 В. Ток трёхфазного замыкания при непосредственном соединении на вторичных зажимах составляет около 41,8 кА до учёта сопротивления кабелей и вклада двигателей: 2 000 000 делённое на (1,732 × 480 × 0,0575).

Повышение импеданса до 6,5 процента снижает ток короткого замыкания примерно до 37 кА. Покупатели иногда интерпретируют это как повышение безопасности. Однако это не всегда так. Энергия дугового разряда зависит одновременно от тока и времени отключения, поэтому меньший ток короткого замыкания, находящийся ниже порога мгновенного срабатывания вышестоящего устройства, может увеличить продолжительность дуги и повысить опасность. Именно поэтому исследование дугового разряда необходимо проводить для конкретного устройства, а не на основе типовых значений; рабочие правила содержатся в NFPA 70E , действующее издание 2027 года.

Другая половина импеданс трансформатора истории — это допуск. Гарантированный импеданс обычно поддерживается в пределах ±7,5 процента, поэтому два устройства, заказанные с номинальным импедансом 5,75 процента, могут отличаться друг от друга почти на 15 процентов в крайних случаях. При параллельном включении таких устройств рассогласование вызывает циркулирующие токи и неравномерную нагрузку задолго до того, как любое из них достигнет номинальной мощности. Если проектирование предусматривает параллельную работу, укажите диапазон импеданса, а не только номинальное значение.

 

Двухобмоточное, трёхобмоточное или первичное резервирование

Существует три основных варианта компоновки, охватывающих большинство проектов кампусов. Двухобмоточная блок-подстанция — это один трансформатор на здание; такой вариант проще всего защитить и легче всего заменить. Трёхобмоточная блок-подстанция принимает один первичный ввод и питает две вторичные шины: это сокращает объём оборудования среднего напряжения и кабельной продукции, но электрически связывает здания — аварийное отключение одной из вторичных шин приводит к отключению обеих, если схема защиты не спроектирована специально для предотвращения этого. Вариант с первичным резервированием предусматривает подвод двух внешних питающих линий к одному трансформатору через переключатель источника: обеспечивается резервирование источника, но резервирования трансформатора вообще не предусмотрено.

Для топологии уровня Tier III или Tier IV решение, как правило, определяется заранее. Резервирование должно быть реализовано на уровне трансформаторов, а не только на уровне источников питания. Два трансформатора по 2000 кВА каждый, нагруженные примерно на половину номинала, работают при более низкой температуре, чем один трансформатор на 2000 кВА, работающий в режиме полной нагрузки, поскольку потери холостого хода пропорциональны размеру магнитопровода, а потери нагрузки — квадрату тока. Дополнительные затраты связаны со вторым магнитопроводом, а не с медью.

Там, где бюджет ограничен, честным компромиссом является резервный блок на складе, а не установленный резервный блок. На рынке, где оборудование на 34,5 кВ трансформатор сухого типа может находиться в очереди на производство в течение года, наличие резервного блока на полке — это вопрос планирования, а не электротехнического решения.

 

Высшие гармоники, коэффициент K и нейтральный проводник

Источники питания серверов улучшились, однако они не стали линейными. Современный импульсный источник питания с активной коррекцией коэффициента мощности потребляет ток с высоким коэффициентом амплитуды и спектром нечётных гармоник, простирающимся далеко за седьмую гармонику. Триплетные гармоники — третья, девятая, пятнадцатая — суммируются в нейтральном проводнике вместо взаимного компенсирования, поэтому через нейтральный проводник может протекать больший ток, чем через фазный проводник, к которому он относится.

А Трансформатор с коэффициентом K рассчитан на выдерживание дополнительных потерь от вихревых токов и рассеяния, вызываемых этим спектром в обмотках. Коэффициент K-13 применяется для смешанной нагрузки офисного и серверного оборудования; K-20 обычно выбирают для зала, плотно заполненного источниками питания серверов. Коэффициент K не снижает искажение напряжения на шине. Это системная проблема, регулируемая уровнем общего гармонического искажения в 5 % в точке общего подключения согласно стандарту IEEE 519 для систем с номинальным напряжением 69 кВ и ниже; её решение требует применения выпрямителей с многоимпульсной схемой, активных фильтров или увеличения сечения нейтрального проводника.

Наш стандартный технический параметр для трансформатора центра обработки данных — обмотка с коэффициентом K-13 как минимальное значение, нейтральный проводник на 200 % и расчёт гармонических потерь по измеренному спектру нагрузки вместо использования усреднённого значения K. Именно этот расчёт показывает, соответствует ли каркас мощностью 2000 кВА заявленной мощности при данной нагрузке.

 

 

Линия DOE 2029 находится точно на уровне 34,5 кВ

Регуляторные требования США к эффективности устанавливают границу, которую большинство университетских команд обнаруживают слишком поздно. Согласно определению, приведённому в 10 CFR 431.192, распределительный трансформатор имеет входное напряжение не более 34,5 кВ, выходное напряжение не более 600 В, номинальную частоту 60 Гц и мощность от 10 до 2500 кВА для маслонаполненных единиц или от 15 до 2500 кВА для трансформатор сухого типа единиц. Определение и сроки вступления в силу требований опубликованы US Department of Energy .

Возникают два следствия. Университетская подстанция на 34,5 кВ / 480Y/277 В является распределительным трансформатором и должна соответствовать таблице эффективности, тогда как подстанция на 34,5 кВ / 4,16 кВ относится к силовым трансформаторам и не подпадает под данное требование. Кроме того, изменённые стандарты, утверждённые в окончательном правиле 2024 года, применяются к единицам, произведённым с 23 апреля 2029 года и позднее; таким образом, университет, вводящий объект в эксплуатацию в 2029 или 2030 году, уже указывает параметры в соответствии с новой таблицей — независимо от того, указано ли это в тендере.

Соответствие требованиям достигается в основном за счёт использования основного стального сердечника. Выполнение предельных значений потерь холостого хода, установленных на 2029 год, как правило, требует увеличения размеров сердечника, применения более качественной текстурированной или аморфной стали, а также повышения массы трансформатора — что влияет на вес при транспортировке, нагрузку на пол и несущие стальные конструкции под ним. Техническое задание, составленное сегодня без указания пакета потерь по таблице на 2029 год, фактически представляет собой заказ на изменение, ожидающий даты исполнения. Попросите каждого участника торгов представить расчёты по обеим таблицам, чтобы разница была видна до оформления заказа, а не после.

 

Что мы производим и как это подтверждаем

Компания Ryan Electric выпускает трансформаторы с 2007 года на заводе площадью 120 000 м² в городе Хайань, провинция Цзянсу; на предприятии установлено более 180 комплектов производственного и испытательного оборудования, получено 37 патентов на решения для сухих и маслонаполненных трансформаторов. Изделия изготавливаются в соответствии со стандартами UL, CSA, IEEE, IEC и DEKRA, а их испытания проводятся в аккредитованной CNAS лаборатории; с 2023 года компания действует как партнёр Eaton по совместному предприятию.

Для класса напряжения 34,5 кВ трансформатор сухого типа , испытания, имеющие значение при этом напряжении, не подлежат обсуждению. Выдерживаемое импульсное напряжение на уровне основной изоляции 200 кВ подтверждает согласованность изоляции обмоток. Частичные разряды в литой эпоксидной изоляции ограничены значением 10 пКл или лучше при напряжении, в 1,5 раза превышающем номинальное; устройство, проходящее испытание «на ура» при 50 пКл, всё равно пройдёт заводские приёмочные испытания, но затем начнёт образовывать токопроводящие следы в эксплуатации. Повышение температуры подтверждает запас по классу изоляции при заданной окружающей температуре, а коэффициент трансформации, сопротивление короткого замыкания и уровень шума подтверждают соответствие устройства, находящегося на транспортном средстве, модели, прошедшей расчёт и исследование.

Когда спецификация на 34,5 кВ для кампуса поступает к нам на рассмотрение, первые два вопроса касаются доступного тока короткого замыкания со стороны электросети в точке подключения и измеренного гармонического спектра ИБП и серверной нагрузки. Ни один из этих параметров не указан в типовой таблице кВА, однако оба напрямую влияют на проектирование. Такой диалог уже привёл к изменению решения с одного крупногабаритного трансформатора на пару более мелких трансформаторов класса K, а также позволил избежать излишних затрат на обмотку класса K-20, которая фактически не требовалась.

Если вы завершаете проектирование однолинейной схемы для трансформатора ЦОД в этом квартале, направьте нам суммарную мощность (в МВт), письмо от энергоснабжающей организации о токе КЗ и спектр нагрузки. Мы предоставим сравнительный анализ обоих классов напряжения, последствий для трансформатор среднего напряжения и комплектных распределительных устройств, а также расчёт потерь по сравнению с таблицей 2029 года. Начните здесь: свяжитесь с нашей инженерной командой .

 

Об авторе: Это руководство подготовлено отделом силовой инженерии компании Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers) — производителя трансформаторов, базирующегося в Хайане, провинция Цзянсу, Китай, поставляющего сухой тип сухие, маслонаполненные и трансформаторы блочных подстанций в центры обработки данных, объекты коммунального и промышленного назначения по всему миру.