En contraste con los transformadores de distribución que se utilizan para proyectos comerciales, los transformadores de centros de datos tienen un papel especial: necesitan ser colocados cerca de la carga que soportan, operar continuamente con alta eficiencia y enfrentar cargas con una forma diferente a las cargas de onda sinusoidal. Por lo tanto, es imposible utilizar transformadores de aceite debido al riesgo de ignición y tres atributos de los transformadores: rendimiento armónico, margen térmico y descarga parcial.
En resumen: Para la conexión de energía a centros de datos, es adecuado seleccionar un transformador seco de resina fundida con aislamiento térmico de Clase H (180 °C), una clasificación de factor K no menor que K-13 (generalmente K-20), impedancia 6%, un grupo vectorial Dyn11 para entrada de UPS, un valor de prueba de descarga parcial menor o igual a 10 pC a 1.1× voltaje nominal, y de acuerdo con DOE 2016 o EU Ecodesign Tier 2 en términos de rendimiento. Las clasificaciones de potencia típicas de los transformadores de centros de datos están entre 500 kVA y 3,750 kVA a 10 kV y 35 kV, respectivamente.
Por qué los centros de datos utilizan transformadores secos en primer lugar
El factor principal es la seguridad contra incendios del sistema. Los devanados de resina fundida pueden autoextinguirse y no contienen líquidos combustibles, por lo que el transformador puede ser ubicado en el edificio cerca de la carga a servir. Así, no hay necesidad de un pozo de aceite, una pared de seguridad o un compartimento especial con buenas propiedades ignífugas. El transformador se coloca en las cercanías del equipo de TI en centros de datos de co-localización o empresariales donde cada metro cuadrado de espacio blanco es valioso; por lo tanto, se reduce la distancia del cableado de baja tensión.
El siguiente factor impulsor son los requisitos de mantenimiento. No hay necesidad de monitorear el nivel de aceite, el relé de gas o secar el respiradero. En su lugar, solo se deben monitorear la descarga parcial y la temperatura, lo cual es simple en comparación con el proceso de química de fluidos.
Por otro lado, los transformadores de tipo seco no toleran bien el calor. El aceite se mueve y ayuda a eliminar el calor de los devanados, mientras que la resina no lo hace. Así, la clase de aislamiento, el aumento de temperatura y los armónicos se vuelven mucho más importantes en el caso de los transformadores de tipo seco, ya que la distancia entre el funcionamiento normal y el daño del aislamiento es significativamente menor.
Las Tres Especificaciones Que Deciden Todo
Clase de aislamiento y aumento de temperatura
De acuerdo con ANSI/IEEE C57.12.01, los transformadores de tipo seco normalmente están clasificados en 80, 115 o 150 K de aumento de temperatura a un ambiente de 40 Celsius para el sistema de aislamiento de 220 Celsius. Así, un aumento de temperatura más fresco en el mismo equipo asegura un mayor margen de restrictividad térmica, aumentando la vida del aislamiento y creando capacidad para sobrecarga.
Desde el punto de vista de la IEC, las clases de aislamiento corresponden a la Clase F (155 Celsius) y la Clase H (180 Celsius) junto con un aumento de temperatura de Clase B (80 Celsius) observado durante la carga nominal. Para el uso en centros de datos, es práctica estándar requerir un aislamiento de Clase H con un aumento de temperatura de Clase B o Clase F, lo que significa un aislamiento caracterizado por una temperatura significativamente más alta que la observada durante la operación del transformador, dejando un espacio para disipar las pérdidas armónicas generadas por el equipo en operación.
Esta es la especificación que más a menudo se modifica para la licitación con el fin de reducir su valor y el producto que falla ocho años después.
Factor K
La clasificación del factor K determina el nivel de pérdida que puede ser disipada por un transformador sin violar sus limitaciones térmicas. Se calcula de acuerdo con la publicación IEEE C57.110. UL 1561 reconoce las clasificaciones de calentamiento del factor K, K-1, K-4, K-9, K-13, K-20, K-30, K-40 y K-50.
La selección depende de la característica de carga real:
| Perfil de carga | Factor K recomendado | Contenido armónico típico |
|---|---|---|
| Servidores heredados con rectificador UPS de 6 pulsos | K-13 | 30–40% THD |
| Servidores modernos con rectificador de 12 pulsos o IGBT | K-7 | 15–25% THD |
| Totalmente optimizado con filtros armónicos activos | K-4 | Por debajo de 10% THD |
| Cargas mixtas, alta densidad, crecimiento futuro desconocido | K-20 | Margen máximo |
En el caso de una nueva instalación que no ha sido sometida a un análisis armónico, K-13 se considera el estándar cauteloso, mientras que K-20 es la cifra obligatoria donde la mezcla de carga permanece desconocida. El K-20 también es el valor más comúnmente especificado para cargas de rectificador solamente.
Un transformador clasificado K comprende más que solo un núcleo más pesado. Utiliza una densidad de flujo más baja para el flujo armónico; tiene un neutro más grande. Un transformador K-13 tiene un bus neutro clasificado para 200% de la clasificación de fase ya que los armónicos triplen se suman en el neutro en lugar de cancelarse entre sí.
Los resultados en ausencia de un transformador clasificado K son evidentes. Las corrientes armónicas conducen a un aumento de pérdidas por corrientes de Foucault y, en consecuencia, a temperaturas elevadas y una degradación acelerada del aislamiento. El flujo armónico también conduce a voltajes pico más altos, por lo que cuando todos los valores armónicos se suman, el valor pico que aumenta por encima de 1.25-1.5 de la cresta nominal conduce a una probabilidad muy alta de ocurrencia de descargas parciales.
Descarga parcial
La descarga parcial se define para diferenciar entre un transformador de resina fundida de alto estándar y uno fabricado económicamente. De acuerdo con IEC 60076-11, una tasa de PD debe ser un máximo de 10 pC con un voltaje de operación de 1.1 veces el voltaje nominal para la Categoría Ambiental E2 que se aplica a transformadores húmedos o al aire libre. Cualquier informe de fábrica que muestre una lectura de PD mayor a 10 pC a un voltaje de prueba de 1.1×Um no será aceptado.
Cuando se trata de operación, los umbrales cambian. Si el valor de PD supera alrededor de 100 pC a voltaje de operación, el aislamiento ya está dañado lo suficiente como para plantear la cuestión de un reemplazo. Porque la progresividad de PD y el hecho de que el problema no sea visible desde el exterior implican que se debe solicitar una prueba de fábrica en el momento de la compra y monitorearla posteriormente.
El lenguaje de especificación para una unidad de suministro de energía en un centro de datos debe ser el siguiente:
- Aislamiento, clase H (180 °C), aumento de temperatura, clase F (100 K) o inferior.
- Factor K, al menos K-13, o K-20 en caso de rectificador o carga desconocida, confirmado por aceptación de fábrica en carga armónica.
- Grupo vectorial Dyn11 como estándar de entrada de UPS.
- La impedancia debe ser 6% para fortalecer el suministro de energía o 8% si el objetivo es reducir la corriente de cortocircuito.
- El escudo electrostático debe colocarse entre las bobinas de HV y LV para evitar la circulación de armónicos de secuencia cero.
- PD debe ser probado en fábrica de acuerdo con la norma IEC 60076-11, con confirmación.
- El material de las bobinas es cobre, el material del núcleo es acero silicio, el dispositivo de medición de temperatura puede ser RTD o PT100 con sistema de refrigeración.
Ese conjunto de requisitos produce una unidad que no es la oferta más barata y es la que seguirá en servicio cuando la instalación esté lista para su próxima renovación. El razonamiento que un comprador necesita considerar antes de redactar la especificación se establece en esta guía sobre las métricas clave y los escollos al elegir un transformador de tipo seco para centros de datos, y vale la pena leer antes de que se envíen los documentos de licitación en lugar de después de que regresen las ofertas.
Tipos de unidades de tipo seco que se ajustan a las necesidades de un centro de datos
Hay tres tipos de construcción que son relevantes comercialmente.
- Tipo seco de resina fundida (epoxi). Bobinas que están encerradas en resina epoxi fundida. Es la mejor opción para los centros de datos ya que posee la mayor riqueza de capacidad contra la humedad y la contaminación, capacidad de autoextinción y capacidad para soportar el ciclo térmico de 2427. Además, es más simple de especificar con el uso de un alto factor K.
- Impregnado a presión al vacío (VPI). Bobinas que están impregnadas en barniz bajo vacío. Esto es menos costoso que la resina fundida y mecánicamente resistente, pero también más vulnerable a la penetración de humedad en condiciones de humedad o proximidad al mar.
- Ventilado de bobinado abierto. El menos costoso. Rara vez esta decisión es lo suficientemente buena para interiores de un centro de datos.
Generalmente se reduce a la elección de resina fundida y la diferencia en la calidad de la resina, el diseño del devanado y el proceso de prueba.
El Arreglo de Subestaciones de Unidad
Los centros de datos están optando cada vez más por adquirir toda la cadena de energía como un producto integrado y diseñado en lugar de adquirir el sistema como una serie de componentes, como la sección de entrada de media tensión, transformador de resina fundida y sistema de distribución de baja tensión.
Las ventajas de este enfoque incluyen la simplificación de la interfaz y el ahorro de espacio. Las desventajas son el problema de la comparación de precios en productos de fuente única y el hecho de que las especificaciones de todas las partes involucradas se vuelven más importantes cuando se fusionan en un solo componente.
| Parámetro | Rango típico de centros de datos |
|---|---|
| Potencia nominal | 500–3,750 kVA, más grande para hiperescalas |
| Voltaje primario | Hasta 35 kV de clase — comúnmente 10, 11, 13.8, 24 o 33 kV |
| Voltaje secundario | 400, 415, 480 o 600 V |
| Fases y frecuencia | Trifásico, 50 o 60 Hz |
| Clase de aislamiento / temperatura | Clase F (155 °C) o Clase H (180 °C) |
| Refrigeración | AN aire natural, o AF aire forzado añadiendo aproximadamente 33–50% de capacidad |
| Clasificación armónica | K-13 a K-20, K-30 bajo pedido |
| Impedancia | 6% típico, configurable |
| Eficiencia | Mínimos DOE 2016 / EU Ecodesign / NRCan |
| Normas | IEC 60076-11, IEEE C57.12.01, UL 1561, CSA según corresponda |
Antes de utilizar refrigeración por aire forzado en el diseño, es esencial comprender adecuadamente cómo funciona este proceso. La etapa de refrigeración por aire forzado ayuda a aumentar la salida de kVA, pero lo hace extrayendo calor del dispositivo y no mejorando el aislamiento. En una configuración con refrigeración N+1, esto es aceptable. Sin embargo, en caso de utilizar una configuración de ventilador único, es importante entender que un valor de AF no será importante tan pronto como uno de los dispositivos falle.
Esto significa que la lista con salida de kVA de 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000 y 2500 no debe ser tratada como solo un menú del cual se puede seleccionar el valor requerido. La selección sigue el cálculo de carga, y una plataforma de resina fundida que cubre las clasificaciones de distribución de 6–10 kV — el rango de transformadores de distribución de tipo seco de la serie SCB es un ejemplo típico — generalmente tendrá el marco adecuado disponible en la escalera, lo cual es una consideración cuando la alternativa es una construcción personalizada y un tiempo de entrega más largo.
Redundancia y Dónde se Ubican los Transformadores
La selección del transformador del centro de datos está estrechamente vinculada a la topología tolerante a fallos que está diseñado para soportar. La clasificación del transformador se determina por la topología de la configuración que es Tier III o Tier IV basada en el arreglo N+1 o 2N de transformadores.
- N+1- Un transformador de repuesto o la capacidad de perder 1 transformador de un grupo sin desconectar la carga. Este es el arreglo habitual en instalaciones Tier III.
- 2N- Dos caminos de suministro totalmente clasificados pero independientes. Esto significa que puede haber 2 transformadores alimentando el mismo grupo de servidores, lo cual es común en configuraciones Tier IV.
- Redundancia por bloques/redudancia distribuida- el suministro de energía de los transformadores se comparte por bloques, lo que lleva a que se instale menos kVA.
Al calcular el tamaño del transformador, se debe considerar la carga IT real en lugar de la carga conectada. Recuerde que el tamaño físicamente seleccionado del transformador afecta el PUE, porque incluso si el transformador está funcionando por debajo de su capacidad, aún resulta en pérdidas significativas por las que la instalación tendrá que pagar. La posibilidad de utilizar varios transformadores pequeños en lugar de una unidad grande debe evaluarse cuidadosamente. Esta es una decisión de diseño, no meramente de especificación.
Donde una instalación está configurada en torno a una topología de infraestructura crítica definida, la disposición del suministro entrante, el transformador y la distribución es la parte que decide si una falla única es sobrevivible, y las opciones de configuración se establecen en esta mirada a soluciones de distribución de energía para centros de datos e infraestructura crítica.
La regulación de eficiencia no es opcional
Los requisitos de eficiencia son obligatorios en los principales mercados y obligan a que el equipo sea diferente en tamaño también.
- EE. UU.: El desarrollo de la regulación de eficiencia del Departamento de Energía (DOE) de 2016, basado en NEMA TP-1, se refiere a los transformadores de distribución. En este caso, se necesitarán más materiales de núcleo y conductores para fabricar equipos que satisfagan las regulaciones actuales.
- Unión Europea: La regulación EC 548/2014 define los requisitos mínimos de eficiencia para transformadores con capacidad superior a 1 kVA para circuitos de 50 Hz. Los requisitos de Nivel 1 entraron en vigor el 1 de julio de 2015, mientras que los de Nivel 2 entraron en vigor el 1 de julio de 2021. El Nivel 2 define las pérdidas máximas en vacío y en carga en vatios para transformadores secos de tamaño mediano y establece la eficiencia mínima para la capacidad nominal superior a 3,150 kVA.
- Canadá: Establece los requisitos mínimos de eficiencia necesarios para clases similares de transformadores.
Puede haber dos consecuencias de este requisito. En primer lugar, el transformador de cumplimiento debe ser más grande en tamaño y peso en comparación con el transformador no conforme de la misma clasificación. Como resultado, el espacio de construcción puede estar expuesto a algunos cambios. En segundo lugar, el requisito de eficiencia y la presión del factor K están dirigidos de la misma manera en relación con la fabricación, lo que significa que el transformador de cumplimiento es más pesado en términos de materiales conductores.
Notas de instalación específicas para trabajos en centros de datos
- Ventilación y espacios libres: asegúrese de consultar con el fabricante los espacios mínimos en todas las direcciones y por encima, así como en relación con los requisitos de instalación de NFPA 70. Debido a que un transformador de resina fundida disipa las pérdidas en la sala, el sistema de manejo de aire debe dimensionarse para manejar las pérdidas.
- Carga del piso: 2000 kVA de un transformador de resina fundida y su envoltura significa equipo pesado. Es importante confirmar la capacidad del lugar de instalación, no solo la de la entrada.
- Clasificación de ruido: la versión silenciosa según NEMA ST-20 es importante si el transformador está ubicado cerca de un espacio ocupado. Esto se refiere al bloqueo del núcleo y al diseño de baja densidad de flujo.
- Puesta a tierra y neutro – Un transformador clasificado K con 200 % neutro significa que el conductor y la barra colectora deben dimensionarse adecuadamente para la parte aguas abajo de la instalación. Esto significa que elegir el transformador y subdimensionar la barra neutra es una mala práctica.
- Monitoreo – instale sensores RTD o PT100 en todos los devanados y conéctelos al sistema de gestión de edificios o DCIM. Este es el mantenimiento predictivo más económico que puede obtener en transformadores de tipo seco.
- Terminación de cables – confirme si se trata de una caja de cables, ducto de barras o disposición de barra colectora abierta en el lugar de conexión y verifique la distancia de fase en ese punto en lugar de en un sitio de entrega.
Pruebas de aceptación: qué solicitar
La documentación de la prueba de aceptación en fábrica debe incluir al menos los siguientes elementos: pruebas ordinarias según lo requerido por IEC 60076-11/IEEE C57.12.01, información de relación de vueltas y polaridad para cada toma, valor de resistencia de devanado, valor de resistencia de aislamiento y valor de índice de polarización, valores de pérdidas en vacío y en carga de los números garantizados, resultados de la prueba de resistencia a voltaje aplicado y la prueba de resistencia a voltaje inducido, resultado de la prueba de descarga parcial con 1.1 veces Um indicado en el documento como número real.
Si el transformador está clasificado K, es importante indicar alguna información sobre la carga de armónicos según el valor del factor K elegido. Además, en transformadores de resina fundida que operan en centros de datos, se deben realizar algunas verificaciones para asegurar que no haya vacíos, grietas o llenado incompleto de resina en la encapsulación del devanado.
En el sitio de instalación, antes de energizar el transformador y comenzar la operación: confirme el grupo vectorial, la posición de la toma, la conexión a neutro y a tierra, la resistencia de aislamiento, así como la lectura de temperatura en las tres fases. Además, se recomienda realizar una prueba termográfica a plena carga y repetirla un mes después para verificar la lectura de temperatura continua de ambas fases.
Vale la pena seguir una secuencia de puesta en marcha estructurada en lugar de improvisar, y las pruebas de rutina que una unidad de tipo seco debe realizar a su llegada se establecen en este programa de prueba de rutina de siete pasos para transformadores de tipo seco. Saltarse las pruebas que son difíciles de repetir después de la energización es cómo una unidad defectuosa alcanza la carga completa antes de que alguien lo sepa.
Marcas y cómo se mapean las gamas
El mercado de instalaciones de centros de datos de tipo seco se puede dividir en dos grupos: el primero es la construcción de todo el tren de potencia e integración del transformador en el diseño general por parte de empresas eléctricas globales, y el segundo es la fabricación del transformador en instalaciones de fabricantes especializados de acuerdo con sus especificaciones.
En el caso de la opción especializada, el aspecto clave sería si el proveedor tiene toda su área de producción para este propósito. Los proveedores que pueden realizar proyectos de tipo seco de resina fundida de 6-10 kV a 35 kV con soluciones de CC preprobadas trabajarían con todo el proyecto desde las mismas instalaciones de fabricación en lugar de abastecerse de diferentes productores cada vez. Esto tiene más valor en proyectos por fases que en pedidos únicos, ya que los siguientes lotes de transformadores producidos deben trabajar juntos. Subian se ajusta a este modelo, ya que es una empresa china con transformadores de tipo seco y sumergidos en aceite que cumplen con transformadores eléctricos, de alta tensión y de aleación amorfa para proyectos internacionales.
Hablando sobre el análisis competitivo, el SCB13 y sus equivalentes en tecnología de resina fundida son la plataforma sobre la cual todos los compradores de centros de datos comparan las ofertas de los mercados locales, ya que los parámetros utilizados para cada tipo son muy similares, aunque la certificación y los métodos de producción pueden ser diferentes. Esa comparación se trabaja en esta nota sobre cómo los transformadores de tipo seco SCB13 se comparan con los diseños internacionales de resina fundida, incluyendo dónde las diferencias son reales y dónde son documentación.
El posicionamiento de precios normal funciona de manera habitual: marcas globales en la parte superior, productores especializados significativamente por debajo y la brecha se está ampliando con el aumento de la clasificación de kVA y la cantidad de personalización involucrada. Lo que un comprador no debe hacer es comparar una unidad K-13 de Clase H completamente especificada con un costo de catálogo de Clase F K-1 y así suponer que el producto más barato es, de hecho, una ganga.
Preguntas Frecuentes
¿Por qué los centros de datos utilizan transformadores de tipo seco en lugar de transformadores llenos de aceite?
Seguridad contra incendios y sitio. El devanado de resina fundida no arde y no tiene líquidos combustibles, por lo que este equipo se puede instalar en interiores y cerca de la carga sin una instalación de contención de aceite. El mantenimiento es más fácil ya que no hay pruebas de aceite ni relés de gas o respiraderos. Esto implica una menor tolerancia a la temperatura que hace que el tipo de aislamiento, el aumento de temperatura y el factor K sean más importantes para los centros de datos de tipo seco que para los dispositivos de distribución llenos de aceite.
¿Qué factor K necesito para un transformador de centro de datos?
K-13 es la opción conservadora para una instalación sin estudio armónico y es apropiado para servidores heredados que utilizan rectificadores UPS de 6 pulsos con THD de 30–40%. K-20 es la opción correcta para cargas dominadas por rectificadores o cargas que pueden crecer en el futuro. K-7 es apropiado para nuevas instalaciones que utilizan rectificadores de 12 pulsos o IGBT con THD de 15–25%, mientras que K-4 se utiliza solo donde filtros armónicos activos han reducido el THD a 10% o menos. Siempre redondee hacia arriba al siguiente rango estándar.
¿Cómo dimensiono un transformador para un centro de datos?
Considere la carga real del equipo de TI, así como la del diseño del UPS. Aplique redundancia a través de un sistema N+1 o 2N. Las soluciones de almacenamiento de aire son necesarias solo para aquellas áreas donde es redundante. Un dispositivo sobrecargado tendrá altas pérdidas en vacío, por lo que transformadores más pequeños con alta eficiencia en operación a carga parcial pueden ser mejores que un dispositivo más grande en términos de gasto de capital y medidas de eficiencia (PUE).
¿Qué nivel de descarga parcial es aceptable?
De acuerdo con las estipulaciones de IEC 60076-11, en la Categoría Ambiental E2, el nivel de PD permitido no debe ser superior a 10 pC a 1.1 de la tensión nominal. Cualquier certificado de fábrica que indique un valor más alto debe ser invalidado. En condiciones de operación, valores superiores a aproximadamente 100 pC a la tensión nominal de operación significan que la condición del aislamiento debe considerarse insatisfactoria y que el aislamiento deberá someterse a una evaluación adicional y probablemente a un reemplazo.
Referencias
- UL Solutions — UL 1561 para transformadores de propósito general y de potencia de tipo seco, incluyendo clasificaciones de factor K reconocidas
- Eaton — guía de aplicación de transformadores de tipo seco, selección de factor K y explicación de pérdidas armónicas
- Schneider Electric — datos de especificación de transformadores de tipo seco, clases de aumento de temperatura y cumplimiento de eficiencia
- Administración de Información Energética de EE. UU. — consumo de electricidad y análisis de crecimiento de carga en centros de datos
- Departamento de Energía de EE. UU. — estándares de eficiencia de transformadores y reglamentación de conservación de energía para transformadores de distribución
- Uptime Institute — clasificación de niveles de centros de datos, topologías de redundancia e investigación de disponibilidad
- ASHRAE — directrices térmicas y recursos técnicos para entornos de procesamiento de datos
- Comisión Electrotécnica Internacional — IEC 60076-11 para transformadores de potencia de tipo seco e IEC 60076-1 requisitos generales
Conclusión
Un transformador seco elegido para un centro de datos tiene tres elementos clave: la categoría de aislamiento que supera significativamente el rango de temperatura del transformador; el factor K que clasifica el nivel de distorsión armónica para la carga de operación; y las pruebas de descarga parcial. Un aislamiento correctamente ajustado con una combinación de monitoreo térmico, eficiencia energética y extensas pruebas en fábrica debería garantizar que el transformador seco funcione durante veinte años sin fallos. Cualquier problema que pueda surgir se hará evidente solo después de ocho años como un fallo en el devanado y para entonces todos los ahorros proporcionados por el contrato ya habrán sido gastados.