In Dallas war ein Betriebsleiter mitten in einem Projekt im Wert von 2 Megawatt, als der Elektroinstallateur ein Anliegen ansprach: Der geplante Transformator, der ein Flüssigkeitstyp mit einer Kapazität von 2.500 kVA war, befand sich 14 Fuß vom Serverraum entfernt und das Layout war bereits vom örtlichen Brandschutzbeauftragten für den Code abgelehnt worden. Das Team arbeitete schnell daran, einen Trockentransformator zu beschaffen, stellte jedoch fest, dass der alternative Transformatorstyp bei demselben Harmonischen Niveau eine höhere Temperatur von 38 Prozent als der Flüssigkeitstyp betrieb, was die gesamte Garantie des UPS-Anbieters gefährdete. Wenn Sie eine Verzögerung im Prozess des Rechenzentrums aufgrund einer schlechten Transformatorentscheidung, die spät im Prozess getroffen wurde, festgestellt haben, wissen Sie genau, wie sich das anfühlt.
Dieser Leitfaden behandelt die Auswahl eines Trockentransformators für Rechenzentren und betont fünf wichtige Messgrößen: Verluste, Temperaturanstiegsklasse, K-Faktor-Kapazität für Harmonische, Kurzschlussfestigkeit und Gehäuse-/Kühlungsanordnungen.
Kurze Antwort: Ein Trockentransformator für Rechenzentren ist ein luftgekühlter Transformator, der brandsicher ist und normalerweise zwischen 500–3.000 kVA bei einer Primärspannung von 10–35 kV bewertet wird und entweder Gießharz- oder VPI-Isolierung anstelle von brennbarem Öl verwendet. Fünf Kriterien, die den Kauf entscheidend beeinflussen, sind: (1) Leerlauf- und Lastverluste beeinflussen PUE; (2) eine Temperaturanstiegsklasse, die normalerweise Klasse F oder Klasse H ist; (3) ein K-Faktor bezüglich harmonisch belasteter UPS-Lasten; (4) Kurzschlussfestigkeit (2 Sek.); (5) Gehäusebewertung plus Kühlmethode.
Was ist ein Trockentransformator?
Der Trockentransformator ist eine Art elektrisches Gerät, das die elektromagnetische Induktion nutzt, um Energie von einem Stromkreis zu einem anderen zu übertragen, ohne flüssiges Material zur Kühlung/Schutz zu verwenden. Der Trockentransformator verwendet ein Isoliermaterial, das entweder Epoxidharz, Klasse-F/H-Lack oder Aramidpapier sein kann. Darüber hinaus nutzt er entweder natürliche Konvektion oder Zwangsluft, um Wärme abzuleiten. Nach IEC 60076-11 werden Trockentransformatoren nach ihrer Isolationsklasse basierend auf ihrer Spannungsbewertung klassifiziert, die oft auf 36 kV begrenzt ist; jedoch können ihre Betriebswerte 12.500 kVA erreichen.
Für Betreiber von Rechenzentren kommt der Hauptvorteil daher, dass kein Öl bedeutet, dass kein feuerfestes Containment-Raum erforderlich ist, was zu erheblichen Einsparungen bei der Versicherung führt. Der Transformator wird im elektrischen Raum platziert, nahe der Schaltanlage und normalerweise an ein 208/120 V oder ein 480/277 V Verteilungsfeld angeschlossen.
Wie ein Trockentransformator funktioniert
Ähnlich wie andere Transformatoren basiert der Trockentransformator ebenfalls auf den Prinzipien von Faradays Gesetz der elektromagnetischen Induktion. Der Wechselstrom der Primärwicklung erzeugt einen variablen magnetischen Fluss durch den laminierten Kern. Dieser magnetische Fluss verursacht eine Spannungsinduktion in der Sekundärwicklung, sodass die Spannungen zueinander proportional zum Verhältnis der Wicklungsdrehzahlen stehen. Kernverluste (aufgrund von Wirbelströmen und Hysterese) treten kontinuierlich während des Betriebs unter elektrischem Strom auf, während Kupferverluste vom Quadrat des Stroms der an diesen Transformator angelegten Lasten abhängen. Der Leerlaufverlust von 2000 kVA Transformatoren liegt bei etwa 1,8-3,2 kW, während der Lastverlust unter maximaler Lastbedingung (IEC 60076 garantiert) zwischen 14 und 22 kW liegt.
Die Unterschiede zwischen Gießharz- und ölgetauchten Transformatoren sind hauptsächlich thermischer Natur. Gießharzsysteme beinhalten Harzmaterialien in der Wickelisolationsoperation, während die Vakuumproduktion die Wicklungen mit Lack imprägniert.
Arten von Trockentransformatoren
| Typ | Isolierung | Typische Nennleistung | Am besten geeignet für | Relativer Kosten |
|---|---|---|---|---|
| Gießharz (CRT) | Epoxid, Vakuumguss | 100–12.500 kVA | Innenräume von Datenzentren, feuchte oder verschmutzte Luft | Hoch |
| VPI (offene Wicklung) | Klasse H Lack | 25–3.000 kVA | Saubere Innenräume, kostenempfindliche Projekte | Mittel |
| OVDT (offen belüfteter Trocken-Typ) | Klasse H / Aramid | 500–3.000 kVA | Versorgungsgrad Innenverteilung | Mittel-hoch |
| Amorpher Kern Trocken-Typ | Epoxid oder VPI | 100–2.500 kVA | Niedriger Leerlaufverlust Priorität, grün-zertifizierte Projekte | Hoch |
Gießharz ist das Standardmaterial, das für die Mehrheit der Tier III und Tier IV Datenzentren verwendet wird, da es Eigenschaften besitzt, die es inert gegenüber Feuchtigkeit, selbstlöschend und leise machen. Typische Geräuschpegel für eine 2000 kVA Einheit messen 55-65 dB(A) in einem Abstand von einem Meter im Vergleich zu 65-75 dB(A) für offene Wicklungsdesigns.
Trocken-Typ vs. Öl-getaucht in einem Datenzentrum
| Kriterium | Trockentyp | Ölgetaucht |
|---|---|---|
| Brandrisiko | Selbstlöschend, keine Flüssigkeit | Entzündliches Öl; Brandschutzwände oder Trennung erforderlich |
| Standort | Innen, neben Schaltanlagen | Außen oder spezieller Tresor mit Rückhaltung |
| Effizienz bei 50% Last | 96–98.5% | 97.5–99% |
| Überlastreserven | Begrenzt (105–115% kurzfristig) | Höher (130–150% kurzfristig) |
| Harmonische Handhabung | K-Faktor bewertete Optionen | Herabstufung normalerweise erforderlich |
| Wartung | Niedrig—Staub und Thermografie nur | Ölproben, DGA, Wartung des Atmungsgeräts |
| CapEx pro 2.000 kVA | $25.000–$48.000 | $16.000–$28.000 |
| Auswirkungen auf die Baukosten | Keine zusätzlichen | Tresor, Rückhaltung, Brandbekämpfung |
Die Tatsache, dass Sie die Kosten für den Bau eines Tresorraums, die Hinzufügung von Öl-Rückhalt und die Installation von Brandbekämpfungsausrüstung berücksichtigen müssen, negiert in der Regel die Vorteile, die mit Flüssigkeitskühlungslösungen verbunden sind. Daher ist es nicht verwunderlich, dass die meisten Hyperscale-Betreiber Trockenarten der Kühlung für Installationen in Innenräumen wählen.
Die 5 wichtigsten Kennzahlen, die am wichtigsten sind
Diese fünf Parameter entscheiden, ob die Einheit die Anforderungen an Betriebszeit, Effizienz und Vorschriften erfüllt.
| Maß | Warum es wichtig ist | Typischer Wert eines Datenzentrums |
|---|---|---|
| Verluste (Leerlauf + Last) | Läuft 24/7; direkter PUE und Auswirkungen der Lebensdauer der Energiekosten | 0,7–1,1% der Bewertung; fragen Sie nach 50% und 75% Lastwerten |
| Temperaturanstiegsklasse | Definiert die Lebensdauer der Isolierung bei gegebener Last | Klasse F 100 K oder Klasse H 125 K |
| K-Faktor (harmonische Bewertung) | USV- und Serverlasten erzeugen Harmonische; K-Bewertung verhindert Überhitzung | K-13 bis K-20 für Serverräume |
| Kurzschlussfestigkeit | Muss Feederfehler ohne Wicklungsverschiebung überstehen | 1,5–3,0 s bei nennkurzschlussstrom gemäß IEC 60076-5 |
| Gehäuse & Kühlung | Bestimmt den Staubeintritt im Raum, die Belüftung und die Herabsetzung der Leistung | IP23 mit AN/AF, Leistung um 5–10% herabsetzen, wenn AF nicht verwendet wird |
Typische Spezifikationen und Verlusttabellen
| Nennleistung (kVA) | Primärspannung | Leerlaufverlust (W) | Lastverlust @120°C (W) | Impedanz | Effizienz @50% |
|---|---|---|---|---|---|
| 750 | 10–35 kV | 1,250–1,700 | 6,900–9,400 | 6% | 98.2–98.7% |
| 1,000 | 10–35 kV | 1,500–2,100 | 8,900–12,000 | 6% | 98.3–98.8% |
| 1,500 | 10–35 kV | 2,000–2,800 | 12,000–16,500 | 6% | 98.5–99.0% |
| 2,000 | 10–35 kV | 2,500–3,400 | 15,500–21,000 | 6–8% | 98.6–99.1% |
| 2,500 | 10–35 kV | 3,000–4,200 | 19,000–26,000 | 8% | 98.7–99.2% |
Die oben genannten Verluste geben Hinweise auf die IEC 60076-11 der Typen C (Ökodesign) und B (Energieeinsparung) Ebenen. Vergessen Sie niemals, das Prüfzeugnis vom Hersteller anzufordern.
Wo Trockenarten in Rechenzentren verwendet werden
- Mittelspannungsverteilung bezieht sich auf die Reduzierung der Spannung von 10-35 kV auf entweder 480 V oder 400/415 V elektrische Spannung, die an die elektrische Schaltanlage geliefert wird.
- Kritische Lastversorgung erfordert dedizierte Transformatoren pro USV oder pro Etage, um Fehler zu verhindern und das Auftreten von Einzelpunktfehlern zu stoppen.
- Mechanische Lasten umfassen die Stromversorgung für Kaltwasserpumpen und CRAC/CRAH-Einheiten bei einer elektrischen Spannung von 208/120 V.
- Die Spannung des Backup-Stromgenerators wird entweder erhöht oder verringert, um mit der des Schaltgeräts übereinzustimmen, wenn ein solcher Generator für das System mit unterschiedlicher Spannung gekauft wird.
- Edge- und modulare Rechenzentren sind kompakte elektrische Maschinen aus Gießharz und können leicht in einsatzbereiten elektrischen Skids versendet werden.
Top-Marken und Preisspannen
| Marke | Land | Typische Linie | 000 kVA Preisspanne | Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|
| ABB | Schweiz | Resibloc / HiDry | $32.000–$52.000 | Globale Referenz, starke IoT-Überwachung |
| Siemens | Deutschland | GEAFOL Gießharz | $30.000–$50.000 | Weit verbreitet in EMEA |
| Schneider Electric | Optimierungsmaßnahmen in der Praxis | Trihal Gießharz | $31.000–$53.000 | Gute EcoStruxure-Integration |
| Hitachi Energie | Schweiz/Japan | RESIBLOC-Familie | $33.000–$55.000 | Expertise in Hochstromspulen |
| Eaton | Irland/USA | VPI Trockenbau | $20.000–$36.000 | Starke UL/NEMA-Präsenz |
| CG Power | Indien | Gießharz | $22.000–$40.000 | Wettbewerbsfähige EMEA/Afrika-Preise |
| Jiangsu Subian Electric Power | China | Gießharz & VPI, IEC 60076 | $18.000–$34.000 | Direktfabrikpreise, OEM/ODM, globaler Export |
Globale Unternehmen wie ABB, Siemens, Schneider Electric und Hitachi Energy dienen als Vorbild für Qualität, Dokumentation und After-Sales-Service-Systeme, was ihre Preisgestaltung erklärt. Wenn der Käufer das gleiche Maß an Konformität mit den IEC 60076-11-Spezifikationen, Prüfzeugnissen und nachgewiesener Erfolgsbilanz zu einem viel niedrigeren Preis benötigt, wird Jiangsu Subian Electric Power (ein chinesischer Hersteller von Transformatoren, der sowohl Gießharz- als auch vakuumdruckimprägnierte Typen für den Export produziert) dringend empfohlen. Es ist offensichtlich, dass Jiangsu Subian Electric Power 30–60 Tage Vorlaufzeit hat im Vergleich zu 16-40 Wochen in vielen europäischen Fabriken, sowie die Möglichkeit, eine Privatmarke zu verwenden. In jedem Fall sollten 5–8% des Produktpreises zu den Anfangskosten für Versand, Installation und Inbetriebnahme hinzugefügt werden.
So wählen Sie: Eine Schritt-für-Schritt-Checkliste
- Überprüfen Sie die Spannung des Anschlussystems und bestimmen Sie die Kurzschlusskapazität gemäß den Normen IEC 60909 oder IEEE C37.010.
- Ermitteln Sie das tatsächliche Lastprofil und den harmonischen Teil des USV-Ausgangs, um die Größe bei 65-80% des Nennwerts zu ermitteln.
- Geben Sie den benötigten K-Faktor für die Last an, K-13 wird normalerweise für Serverräume verwendet, die eine doppelt konvertierende USV nutzen.
- Wählen Sie eine Qualität, die Gießharz ist, wenn Feuchtigkeit oder Verschmutzung im Inneren auftreten; jedoch ist VPI auch in reinen und geschützten Bereichen geeignet.
- Geben Sie die maximale Temperaturerhöhungsklasse an, 100 K (F) oder 125 K (H), und stellen Sie sicher, dass dies gemäß IEC 60076-11 eingehalten wird.
- Überprüfen Sie die Kurzschlussfestigkeitszeit (normalerweise gleich 2 s) und den zulässigen Widerstand (± 7.5% gemäß IEC 60076-1).
- Überprüfen Sie die Kühlmethode: AF-Kühlung ermöglicht eine zusätzliche Kapazität von 15-20%, verbraucht jedoch gleichzeitig Energie und ist laut.
- Bewerten Sie die Gesamtkosten, Verluste von $3,000-$6,000 jährlich über 15 Jahre sollten berücksichtigt werden.
- Fragen Sie nach der Verfügbarkeit von Dokumenten zu Routineprüfungen, Ergebnissen der Teilentladung und der Gewissheit, dass die vollständigen Werksprüfungen verfügbar sind.
Fallstricke, die zu vermeiden sind
- Niedriger K-Faktor: Der Kauf eines Standard-K-1-Geräts für eine Serverlast führt zu Hotspot-Temperaturen von 15-25°C über der Nennleistung und zu vorzeitigem Altern der Isolierung.
- Übersehen von Leerlaufverlusten: Ein Gerät, das 8.760 h/Jahr mit 1 kW überschüssigem Kernverlust läuft, würde fast $750-$1,100/Jahr bei einem Tarif von $0.09-$0.13/kWh und $11,000-$16,000 in 15 Jahren kosten.
- Zu glauben, dass trockene Typen keine Überprüfungen der Brandschutzvorschriften erfordern: NFPA 70-Abstände gelten und der Platz im Gang oder die Kabelbrandschutzbewertungen gewinnen an Bedeutung.
- Vernachlässigung der Teilentladungstests: Probleme, die in Gießharzisolierungen auftreten, beginnen mit PD und können nicht durch routinemäßige Übersetzungsverhältnisse erkannt werden.
- Standort in einem geschlossenen Bereich: Trockengehäuse verliert 5% bis 10%.
Installations- und Wartungshinweise
- Stellen Sie das Gerät auf ein gepolstertes, nicht brennbares Fundament, und stellen Sie sicher, dass mindestens 300 mm Abstand nach hinten und 600 mm nach vorne für Inspektionszwecke vorhanden sind.
- Auswahl der Betriebstemperatur des Bereichs zwischen −25 °C und +40 °C gemäß IEC 60076-11; der Feuchtigkeitsgrad sollte 95% für Gießharztypen nicht überschreiten.
- Führen Sie die IR-Tests durch, bevor Sie das Gerät in Betrieb nehmen; wenn der Widerstandswert bei 500V DC für die 10 kV Wicklung weniger als 100 MΩ beträgt, ist eine weitere Untersuchung erforderlich.
- Es ist auch notwendig, vierteljährlich eine Infrarot-Thermografie für alle Verbindungen durchzuführen, insbesondere in den ersten 30 Tagen des Betriebs, wenn mit einer Entspannung des Drehmoments zu rechnen ist.
- Die Reinigung der Luftkanäle und Lamellen sollte zweimal im Jahr erfolgen, da Spinnweben die Wicklungen um 10–15 °C wärmer machen könnten.
Häufig gestellte Fragen
Warum verwenden Rechenzentren Trockentransformatoren anstelle von ölgefüllten?
Sicherheitsmaßnahmen gegen Feuer und Optionen für die Installation des Geräts. Die ölisolierten Einheiten müssen in feuerfesten Tresoren oder unter kontrollierten Bedingungen im Freien installiert werden. Die Kosten können etwa $15000 – $40000 betragen und etwas Platz in Anspruch nehmen. Trockene Typen, wie Gießharzeinheiten, benötigen diese kostspielige Installation nicht, da sie nicht in Brand geraten, was es ermöglicht, sie neben Schaltanlagen im Innenbereich zu platzieren, wodurch die Verkabelungsdistanz verringert und das Redundanzdesign vereinfacht wird.
Welche Größe eines Trockentransformators benötigt ein Rechenzentrum normalerweise?
Im Allgemeinen verwendet ein Rechenzentrum mit einer IT-Belastung von 1 MW bis 2 MW zwei bis vier 1.500–2.500 kVA Einheiten in einer N+1-Konfiguration. Zum Beispiel wird ein 2.000 kVA Kraftwerk, das bei einer Spannung von 480/277 V arbeitet, normalerweise 1.300–1.600 kW an wichtiger Leistung liefern, nachdem die Effizienz der USV, Kühlverluste und harmonische Einflüsse berücksichtigt wurden.
Was bedeutet der K-Faktor bei einem Rechenzentrumstransformator?
Der K-Faktor ist ein Maß für die Fähigkeit des Transformators, unter harmonischen und nichtlinearen Lasten zu arbeiten, ohne die Grenzwerte für Isolierungstemperaturen zu überschreiten. Ein K-13 Modell kann 130% der zusätzlichen Wärme, die durch die Harmonischen erzeugt wird, im Vergleich zu einem gewöhnlichen Transformator bewältigen. Für doppelt umschaltbare USV und Serverlasten sollten K-13 bis K-20 in der Spezifikation enthalten sein, während K-1 erheblich herabgestuft werden muss.
Wie viel kostet ein Trockentransformator für ein Rechenzentrum?
Der Preis einer Gießharzeinheit mit einer Leistung von 1.000 kVA liegt normalerweise zwischen $14.000 und $26.000; 1.500 kVA kostet zwischen $19.000 und $36.000; und für 2.000 kVA – 2.500 kVA liegt der Bereich zwischen $25.000 und $55.000. Fracht- und Installationskosten erhöhen den Gesamtbetrag um 10 – 15%. Die Preise variieren je nach Spezifikation, Marke und Kontaktbereich.
Wie lange hält ein Trockentransformator im kontinuierlichen Betrieb eines Rechenzentrums?
Gießharztransformatoren werden normalerweise für 25 bis 30 Jahre in Räumen verwendet, die entweder sauber und staubfrei sind oder unter Temperaturbedingungen liegen, die gleich oder niedriger sind als empfohlen. Wenn die Transformatoren jedoch kontinuierlich mit 100% Kapazität in Bereichen betrieben werden, die zu heiß sind (zum Beispiel über 105°C), wird ihre Isolationslebensdauer für jede Temperaturerhöhung von 8 bis 10°C auf die Hälfte der erwarteten Lebensdauer reduziert.
Referenzen
- IEC 60076-11: Leistungstransformatoren – Trockentransformatoren — der maßgebliche Standard für Bewertungen, Verluste, Temperaturerhöhung und Tests von Trockenbaugeräten.
- IEEE C57.12.01-2020: Trockenbauverteilungs- und Leistungstransformatoren — nordamerikanische Anforderungen für Trockenbau-Transformatoren.
- U.S. DOE: Effizienzstandards für Verteilungstransformatoren — erklärt die minimalen Effizienzlevels und Verlustbewertung für Verteilungstransformatoren.
- NFPA 70: Nationaler Elektrotechnischer Kodex — Abstands-, Schutz- und Installationsanforderungen für Transformatorenräume.
- NEMA TP-1: Effizienz von Verteilungstransformatoren — der Effizienzmessbenchmark, der häufig in nordamerikanischen Ausschreibungen verwendet wird.
- Uptime Institute Tier-Standard — Entwurfshinweise, die für Redundanz und elektrische Architektur in kritischen Einrichtungen relevant sind.
- Jiangsu Subian Electric Power — Hersteller von IEC 60076-konformen Gießharz- und VPI-Trockenbau-Transformatoren für globale Rechenzentrumsprojekte.
Fazit
Bei der Auswahl eines Trockenbau-Transformators für Rechenzentren müssen Organisationen fünf messbare Aspekte berücksichtigen: Verluste, Temperaturerhöhungsklasse, K-Faktor, die Fähigkeit, Kurzschlüsse standzuhalten, und Gehäuse/Kühlung. Neben diesen Aspekten sollten Organisationen die häufigsten Fehler vermeiden, die Rolle der Harmonischen in ihren Entwürfen zu unterschätzen, die Bedeutung der Leerlaufverluste zu unterschätzen und Teilentladungstests zu überspringen. Eine Disziplin im Auswahlprozess, die sich auf die Gesamtkosten des Eigentums über die gesamte Lebensdauer des Transformators konzentriert, wird dazu führen, dass bereits vor dem ersten Ausfall Zehntausende von Dollar gespart werden.
- Wählen Sie die Größe bei 65%-80% der gesamten Nennleistung und eine Temperaturerhöhungsklasse F/H gemäß IEC 60076-11.
- Wählen Sie die Temperaturerhöhungsklassen K-13 bis K-20 für die Geräte, die mit hohem harmonischen Inhalt betrieben werden, und geben Sie eine Garantie für Teilentladungen unter 10 PC.
Ob Sie es mit einem europäischen oder nordamerikanischen Unternehmen oder einem direkten Herstellerpartner wie Jiangsu Subian Electric Power zu tun haben, es ist sehr wichtig, die Vorlage von Routine-Testzertifikaten und eine schriftliche Leistungsgarantie vor der Unterzeichnung eines Vertrags mit einem der Lieferanten zu verlangen. Das ausgewählte Gerät wird 30 Jahre lang leise arbeiten oder wird in den kommenden Jahrzehnten zu einem Kopfzerbrechen für Wartungsexperten werden.