34,5 кВ проти 13,8 кВ: вибір трансформатора середньої напруги для кампусів центрів обробки даних

Чотири залів потужністю по 60 МВт кожен, електромережа, що забезпечує напругу 13,8 кВ, оскільки саме ця лінія вже проходить повз ділянку, і комплект комутаційного обладнання, замовлений до того, як хтось провів розрахунок аварійних струмів. Через шість місяців компоновка більше не вміщується в електророзподільному приміщенні, кількість фідерів подвоїлася, а доступний аварійний струм на шині 480 В перевищує номінальне значення обладнання, яке неможливо повернути. Жодна з цих проблем не була пов’язана з відмовою трансформатора. На кампусі вибрали клас середньої напруги, не розрахувавши заздалегідь, які витрати цей вибір спричинить у вигляді міді, комутаційного обладнання та площі підлоги.

А трансформатор для центру обробки даних зазвичай розглядається як останній елемент у єдиному рядку — співвідношення, що перетворює 34,5 кВ на 480Y/277 В. На практиці клас первинної напруги — це системне рішення, яке впливає на графіки кабелів, номінальні параметри комутаційного обладнання, дослідження дугового розряду й, починаючи з 2024 року, також на сферу дії регуляторних вимог США щодо енергоефективності. Правильне визначення цього параметра на концептуальному етапі вимагає тижня інженерних робіт. Помилка при цьому призводить до необхідності повторного замовлення комутаційного обладнання.

Нижче наведено, як ми порівнюємо два класи з клієнтами, які цифри ми вимагаємо перед наданням цитати та три пункти специфікації, що визначають, чи пристрій працюватиме двадцять п’ять років чи стане предметом гарантійного спору вже на третій рік.

 

 

Чому специфікація трансформатора для дата-центру починається з класу напруги

Коефіцієнт трансформації — це перший регулювальний параметр, і він є чисто арифметичним. Для заданої потужності у МВА струм зменшується обернено пропорційно до напруги. Зал на 60 МВт споживає приблизно 2510 А при 13,8 кВ і приблизно 1004 А при 34,5 кВ. Цей співвідношення 2,5 до 1 відображається в допустимому струмі кожного фідеру між точкою підключення до електромережі та підстанцією об’єкта, у кількості паралельних прокладок на кожен фідер і в ширині кабельного лотка над ними.

Струм аварійного короткого замикання рухається в протилежному напрямку. За умови джерела потужністю 500 МВА за лічильником струм короткого замикання на шині 13,8 кВ становить приблизно 20,9 кА; на шині 34,5 кВ те саме джерело забезпечує близько 8,4 кА. Зниження струму короткого замикання дозволяє кампусу використовувати комутаційне обладнання середньої напруги з меншим номінальним струмом відключення, що має значення на ринку, де терміни поставки комутаційного обладнання перевищують терміни поставки трансформаторів.

Ось та частина, яку часто пропускають під час стартового засідання. Обладнання на 34,5 кВ фізично не менше за розміром порівняно з обладнанням на 13,8 кВ — відстані між провідниками більші, а стандартний базовий рівень ізоляції становить 200 кВ проти 95 кВ для класу 13,8 кВ, тому шафи вищі й глибші. Вищий клас напруги забезпечує нижче значення струму на мегават потужності та нижчий рівень струму короткого замикання, що зменшує кількість фідерів і номінальну потужність пристроїв у масштабі кампусу. Це два різні види економії, і лише один із них відображається в графіку кабельних ліній.

 

34,5 кВ і 13,8 кВ поруч

Порівняння нижче використовує зал потужністю 60 МВт і джерело живлення потужністю 500 МВА. Зміна будь-якого з цих параметрів може змінити висновок, тому ми просимо надіслати лист від енергопостачальної організації щодо рівня аварійного струму до надання комерційної пропозиції на трансформатор середнього напруги для кампусу.

Струм у залі, рівень аварійного струму на шині, рівень ізоляції, кількість фідерів та площа, яку займає комутаційне обладнання, змінюються спільно. У кампусі, де кількість фідерів скорочується наполовину, економія, як правило, досягається за рахунок кабелів та їхніх роз’єднань, а не за рахунок самого трансформатора.

Параметр (зал потужністю 60 МВт)	13,8 кВ	34,5 кВ
Струм при повному навантаженні залу	≈ 2510 А	≈ 1004 А
Аварійний струм, джерело 500 МВА	~20,9 кА	~8,4 кА
Стандартний базовий рівень ізоляції	95 кВ	200 кВ
Основні фідери на зал	Більше паралельних ліній	Менше ліній
Зазори у комутаційному обладнанні	Коротші, але більше шаф	Довші, але менше кабінок

Жодна з колонок не є переважною сама по собі. Якщо електромережа забезпечує лише 13,8 кВ, кампус може підвищити напругу власними засобами до 34,5 кВ і розподіляти електроенергію на цьому рівні — однак кожне перетворення вимагає трансформатора, що призводить до втрат близько одного відсотка потужності й додає ще один об’єкт для технічного обслуговування. Цей компроміс варто проаналізувати за допомогою моделювання, а не робити припущення.

 

Імпеданс визначає, що відбувається на шині 480 В

Відсотковий імпеданс — це той момент, коли імпеданс трансформатора співвідношення перестає бути просто співвідношенням і стає проблемою захисту. Розглянемо блок потужністю 2000 кВА з відсотковим імпедансом 5,75 % та вторинною напругою 480Y/277 В. Струм короткого замикання при затисках вторинної обмотки становить приблизно 41,8 кА до врахування імпедансу кабелів та внеску двигунів: 2 000 000 поділено на (1,732 × 480 × 0,0575).

Підвищення імпедансу до 6,5 відсотка зменшує струм до приблизно 37 кА. Іноді покупці сприймають це як підвищення рівня безпеки. Однак це не завжди так. Енергія дугового розряду залежить від величини струму та часу вимкнення, тому нижче значення аварійного струму, що знаходиться нижче порогу миттєвого спрацьовування вищестоячого пристрою, може збільшити тривалість дуги й посилити небезпеку. Саме тому дослідження ризиків дугового розряду має проводитися для конкретного пристрою, а не на основі типових значень; робочі правила містяться в NFPA 70E , поточне видання 2027 року.

Інша половина імпеданс трансформатора історії — це допуск. Гарантований імпеданс зазвичай підтримується в межах ±7,5 відсотка, тож два пристрої, замовлені з імпедансом 5,75 відсотка, можуть відрізнятися один від одного майже на 15 відсотків у крайніх випадках. Якщо розмістити такі два пристрої паралельно, розбіжність у їхніх параметрах викличе циркуляційний струм і нерівномірне навантаження задовго до того, як будь-який із них досягне номінальної потужності. Якщо проект передбачає паралельну роботу, слід вказувати діапазон імпедансу, а не лише номінальне значення.

 

Двообмотковий, триобмотковий або первинний вибірковий

Три схеми охоплюють більшість проектів кампусів. Двообмотковий блокний підстанційний трансформатор — це один трансформатор на кожне приміщення; це найпростіша схема з точки зору захисту й найлегша для заміни. Триобмотковий блокний трансформатор має одну первинну обмотку й живить дві вторинні шини, що скорочує кількість комутаційного устаткування середньої напруги та кабелів, але електрично зв’язує приміщення — відмикання однієї вторинної шини призводить до відключення обох, якщо система захисту не розрахована на такий сценарій. Схема з первинним вибором передбачає подачу двох мережних живлень у один трансформатор через перемикач: це забезпечує резервування джерела, але взагалі не передбачає резервування трансформатора.

Для топології рівня Tier III або Tier IV рішення, як правило, визначається автоматично. Резервування має бути забезпечене на рівні трансформатора, а не лише джерела. Два трансформатори потужністю по 2000 кВА, навантажені приблизно на половину своєї номінальної потужності, працюють прохолодніше, ніж один трансформатор потужністю 2000 кВА, навантажений повністю, оскільки втрати холостого ходу залежать від розміру магнітопровода, а втрати під навантаженням — від квадрата струму. Додаткова вартість пов’язана з другим магнітопроводом, а не з міддю.

Там, де бюджет обмежений, чесним компромісом є запасна одиниця на складі замість встановленої запасної одиниці. На ринку, де пристрій 34.5 kV сухий тип трансформатор може перебувати в черзі на виробництво цілий рік, запасна одиниця на полиці — це рішення щодо планування, а не електричне рішення.

 

Гармоніки, коефіцієнт K та нейтральний провідник

Джерела живлення серверів покращилися, але вони не стали лінійними. Сучасне імпульсне джерело живлення з активною корекцією коефіцієнта потужності споживає струм із високим коефіцієнтом амплітуди та непарним спектром гармонік, що простягається далеко за сьому гармоніку. Триплетні гармоніки — третя, дев’ята, п’ятнадцята — додаються в нейтральному провіднику замість того, щоб взаємно компенсуватися, тому нейтральний провідник може проводити більший струм, ніж фазний провідник, до якого він належить.

А Трансформатор з коефіцієнтом K має рейтинг, що дозволяє витримувати додаткові вихрові струми та розсіяні втрати, які цей спектр викликає в обмотках. K-13 підходить для навантаження змішаного офісу та даних; K-20 зазвичай вибирають для зали, заповненої щільними блоками живлення серверів. Що рейтинг K НЕ робить — це не зменшує спотворення напруги на шині. Це проблема системи, яку регулює рівень загального спотворення гармоніками (THD) у 5 % у точці спільного підключення, встановлений стандартом IEEE 519 для систем з напругою до 69 кВ включно, і вирішується за допомогою багатоімпульсних випрямлячів, активних фільтрів або збільшеного нейтрального провідника.

Наш стандартний технічний опис для трансформатора дата-центру передбачає мінімум обмотку з рейтингом K-13, нейтральний провідник на 200 % та розрахунок гармонійних втрат на основі виміряного спектру, а не узагальненого значення K. Саме цей розрахунок показує, чи справді рамка потужністю 2000 кВА має потужність 2000 кВА при даному навантаженні.

 

 

Лінія DOE 2029 розташована точно на рівні 34,5 кВ

Регуляторна норма США щодо ефективності встановлює межу, яку більшість університетських команд виявляють із запізненням. Розподільчий трансформатор, як визначено в 10 CFR 431.192, має вхідну напругу 34,5 кВ або менше, вихідну напругу 600 В або менше, номінальну частоту 60 Гц та потужність у діапазоні від 10 до 2500 кВА для рідинно-заповнених одиниць або від 15 до 2500 кВА для сухий тип трансформатор одиниць. Визначення та строки виконання опубліковані US Department of Energy .

Випливають дві наслідки. Підстанція типу «одиниця» зі зниженням напруги з 34,5 кВ до 480Y/277 В є розподільчим трансформатором і повинна відповідати таблиці ефективності, тоді як підстанція типу «одиниця» зі зниженням напруги з 34,5 кВ до 4,16 кВ є силовим трансформатором і не підпадає під цю таблицю. Крім того, змінені стандарти, прийняті у фінальному рішенні 2024 року, поширюються на одиниці, виготовлені 23 квітня 2029 року або пізніше; отже, університет, який вводить об’єкт у експлуатацію в 2029 або 2030 роках, вже вказує параметри відповідно до нової таблиці, навіть якщо тендер цього не передбачає.

Відповідність вимогам досягається переважно за рахунок основного сталевого сердечника. Досягнення меж втрат у режимі холостого ходу, встановлених на 2029 рік, зазвичай означає більший сердечник, кращий орієнтований або аморфний матеріал і важчий агрегат — що змінює вагу при транспортуванні, навантаження на підлогу та несучу сталеву конструкцію під ним. Тендер, складений сьогодні без пакета вимог щодо втрат у порівнянні з таблицею на 2029 рік, фактично є замовленням на зміни, яке чекає свого часу. Запитайте в кожного учасника тендеру ціни за обидві таблиці, щоб різниця була видимою до оформлення замовлення, а не після.

 

Що ми виробляємо й як це перевіряємо

Ryan Electric виробляє трансформатори з 2007 року на заводі площею 120 000 м² у місті Хайань, провінція Цзянсу, маючи понад 180 комплектів виробничого й випробувального обладнання та 37 патентів у галузі сухих і маслонаповнених конструкцій. Агрегати виготовляються відповідно до стандартів UL, CSA, IEEE, IEC та DEKRA, з акредитованими CNAS випробуваннями; з 2023 року компанія діє як партнер Eaton у спільному підприємстві.

Для класу 34,5 кВ сухий тип трансформатор , випробування, що мають значення при цьому напрузі, є обов’язковими. Стійкість до імпульсної напруги на базовому рівні ізоляції 200 кВ підтверджує узгодженість ізоляції обмоток. Часткова розрядка у литій смолі не перевищує 10 пК або менше при напрузі, що в 1,5 раза перевищує номінальну; одиниця, яка «легко» проходить випробування при 50 пК, все одно пройде заводське приймальне випробування, а потім — у експлуатації — буде демонструвати поступове старіння ізоляції. Підвищення температури підтверджує запас класу ізоляції при заданій навколишній температурі, а коефіцієнт трансформації, імпеданс і рівень шуму підтверджують, що одиниця, яка знаходиться на вантажному автомобілі, відповідає моделі, що була досліджена.

Коли специфікація на 34,5 кВ для кампусу надходить до нашого відділу застосування, перші два запитання стосуються доступного струму короткого замикання від енергопостачальника у точці підключення та виміряного спектра гармонік навантаження ИБП і серверів. Жоден із цих параметрів не вказується у типовій таблиці кВА, але обидва впливають на проект. Така розмова вже неодноразово призводила до заміни одного великого блоку на пару менших одиниць з класом K-рейтингу, а також до того, що проекти уникнули закупівлі обмотки K-20, яка їм не була потрібна.

Якщо ви затверджуєте одне лінійне рішення для трансформатора дата-центру цього кварталу, надішліть нам потужність у мегават-годинах, лист енергопостачальника щодо струму КЗ та спектр навантаження. трансформатор середнього напруги і наслідки для комутаційного обладнання, а також пакет втрат порівняно з таблицею 2029 року. Почніть тут: зверніться до нашої інженерної команди .

 

Про автора: Цей посібник підготувала команда інженерів з електроенергетики компанії Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers) — виробника трансформаторів, розташованого в місті Хайань, провінція Цзянсу, Китай, який постачає сухий тип сухі, з рідким охолодженням та до центрів обробки даних, комунальних та промислових проектів по всьому світі.