Transformateurs secs à haute fiabilité pour centres de données

Contrairement aux transformateurs de distribution utilisés pour des projets commerciaux, les transformateurs de centres de données ont un rôle spécial : ils doivent être placés près de la charge qu'ils soutiennent, fonctionner en continu avec une haute efficacité et gérer des charges avec une forme différente des charges sinusoïdales. Il est donc impossible d'utiliser des transformateurs à huile en raison du risque d'ignition et de trois attributs des transformateurs : performance harmonique, marge thermique et décharge partielle.

En résumé : Pour la connexion électrique des centres de données, il est approprié de sélectionner un transformateur sec en résine coulée avec une isolation thermique de Classe H (180 °C), un indice K d'au moins K-13 (généralement K-20), une impédance de 6%, un groupe vectoriel Dyn11 pour l'entrée UPS, une valeur de test de décharge partielle inférieure ou égale à 10 pC à 1,1× la tension nominale, et conformément aux normes DOE 2016 ou EU Ecodesign Tier 2 en termes de performance. Les puissances typiques des transformateurs de centres de données se situent entre 500 kVA et 3 750 kVA à 10 kV et 35 kV, respectivement.

Pourquoi les centres de données utilisent-ils des types secs en premier lieu

Le facteur principal est la sécurité incendie du système. Les enroulements en résine coulé peuvent s'auto-éteindre et ne contiennent aucun liquide combustible, de sorte que le transformateur peut être positionné dans le bâtiment près de la charge à servir. Ainsi, il n'est pas nécessaire d'avoir une fosse à huile, un mur de sécurité ou un compartiment spécial avec de bonnes propriétés ignifuges. Le transformateur est placé à proximité de l'équipement informatique dans des centres de données en colocation ou d'entreprise où chaque mètre carré d'espace blanc est précieux ; par conséquent, la distance du câblage basse tension est réduite.

Le facteur suivant est les exigences de maintenance. Il n'est pas nécessaire de surveiller le niveau d'huile, le relais de gaz ou de sécher le respirateur. À la place, seule la décharge partielle et la température doivent être surveillées, ce qui est simple par rapport au processus de chimie des fluides.

D'autre part, les transformateurs de type sec ne tolèrent pas bien la chaleur. L'huile se déplace et aide à éliminer la chaleur des enroulements, tandis que la résine ne le fait pas. Ainsi, la classe d'isolation, l'élévation de température et les harmoniques deviennent beaucoup plus importants dans le cas des transformateurs de type sec, car la distance entre le fonctionnement normal et les dommages à l'isolation est significativement plus petite.

Les Trois Spécifications Qui Décident de Tout

Classe d'isolation et élévation de température

Selon ANSI/IEEE C57.12.01, les transformateurs de type sec sont normalement classés à 80, 115 ou 150 K d'élévation de température à une température ambiante de 40 Celsius pour le système d'isolation de 220 Celsius. Ainsi, une élévation de température plus fraîche sur le même équipement assure une plus grande marge de restriction thermique, augmentant la durée de vie de l'isolation et créant une capacité pour la surcharge.

Du point de vue de la CEI, les classes d'isolation correspondent à la Classe F (155 Celsius) et à la Classe H (180 Celsius) ainsi qu'à une élévation de température de Classe B (80 Celsius) observée pendant la charge nominale. Pour une utilisation dans un centre de données, il est d'usage standard d'exiger une isolation de Classe H avec une élévation de température de Classe B ou de Classe F, ce qui signifie une isolation caractérisée par une température significativement plus élevée que celle observée pendant le fonctionnement du transformateur, laissant une place pour dissiper les pertes harmoniques générées par l'équipement en fonctionnement.

C'est la spécification le plus souvent modifiée pour l'appel d'offres afin de réduire sa valeur et le produit qui échoue huit ans plus tard.

Facteur K

La classification du facteur K détermine le niveau de perte qui peut être dissipé par un transformateur sans violer ses limites thermiques. Elle est calculée conformément à la publication IEEE C57.110. La norme UL 1561 reconnaît les classifications de chauffage du facteur K, K-1, K-4, K-9, K-13, K-20, K-30, K-40 et K-50.

La sélection dépend de la caractéristique de charge réelle :

Profil de charge	Facteur K recommandé	Contenu harmonique typique
Serveurs anciens avec redresseur UPS à 6 impulsions	K-13	30–40% THD
Serveurs modernes avec redresseur à 12 impulsions ou IGBT	K-7	15–25% THD
Entièrement optimisé avec des filtres harmoniques actifs	K-4	En dessous de 10% THD
Charges mixtes, haute densité, croissance future inconnue	K-20	Marge maximale

Dans le cas d'une nouvelle installation qui n'a pas subi d'analyse harmonique, K-13 est considéré comme la norme prudente, tandis que K-20 est la valeur obligatoire lorsque le mélange de charges reste inconnu. Le K-20 est également la valeur la plus couramment spécifiée pour les charges de redresseur uniquement.

Un transformateur classé K comprend plus qu'un noyau plus lourd. Il utilise une densité de flux plus faible pour le flux harmonique ; il a un neutre plus grand. Un transformateur K-13 a un bus neutre classé pour 200% de la classification de phase, car les harmoniques triplen sont additionnés dans le neutre plutôt que de s'annuler.

Les résultats en l'absence d'un transformateur classé K sont évidents. Les courants harmoniques entraînent une augmentation des pertes par courants de Foucault et, par conséquent, des températures élevées et une dégradation accélérée de l'isolation. Le flux harmonique entraîne également des tensions de crête plus élevées, donc lorsque toutes les valeurs harmoniques s'additionnent, la valeur de crête augmentant au-dessus de 1,25-1,5 de la crête nominale entraîne une très forte probabilité d'occurrence de décharges partielles.

Décharge partielle

La décharge partielle définit la différence entre un transformateur en résine coulé de haute qualité et un transformateur fabriqué économiquement. Selon la norme IEC 60076-11, un taux de DP ne devrait pas dépasser 10 pC avec une tension de fonctionnement de 1,1 fois la tension nominale pour la Catégorie Environnementale E2 qui s'applique aux transformateurs humides ou extérieurs. Tout rapport d'usine montrant une lecture de DP supérieure à 10 pC à une tension d'essai de 1,1×Um ne sera pas accepté.

En ce qui concerne le fonctionnement, les seuils changent. Si la valeur de PD dépasse environ 100 pC à la tension de fonctionnement, l'isolation est déjà suffisamment endommagée pour soulever la question d'un remplacement. Parce que la progression du PD et le fait que le problème n'est pas visible de l'extérieur impliquent qu'un test en usine doit être demandé au moment de l'achat et surveillé par la suite.

Le langage de spécification pour une unité d'alimentation dans un centre de données devrait être le suivant :

• Isolation, classe H (180 °C), élévation de température, classe F (100 K) ou inférieure.
• Facteur K, au moins K-13, ou K-20 en cas de redresseur ou de charge inconnue, confirmé par l'acceptation en usine à la charge harmonique.
• Groupe vectoriel Dyn11 comme norme d'entrée UPS.
• L'impédance doit être de 6% pour renforcer l'alimentation ou de 8% si l'objectif est de réduire le courant de court-circuit.
• Un écran électrostatique doit être placé entre les enroulements HV et LV pour éviter la circulation des harmoniques de séquence nulle.
• Le PD doit être testé en usine conformément à la norme IEC 60076-11, avec confirmation.
• Le matériau des enroulements est en cuivre, le matériau du noyau est en acier au silicium, le dispositif de mesure de température peut être un RTD ou un PT100 avec un système de refroidissement.

Cet ensemble d'exigences produit une unité qui n'est pas la moins chère et qui sera toujours en service lorsque l'installation sera due pour son prochain renouvellement. Le raisonnement qu'un acheteur doit suivre avant de rédiger la spécification est exposé dans ce guide sur les indicateurs clés et les pièges à éviter lors du choix d'un transformateur à sec pour les centres de données, et il vaut la peine de le lire avant que les documents d'appel d'offres ne soient envoyés plutôt qu'après le retour des offres.

Types d'unités à sec adaptées aux exigences des centres de données

Il existe trois types de construction qui sont commercialement pertinents.

• Type à sec en résine coulée (époxy). Enroulements qui sont enfermés dans de la résine époxy coulée. C'est le meilleur choix pour les centres de données car il possède la plus grande richesse de capacités contre l'humidité et la contamination, la capacité d'auto-extinction et la capacité de résister aux cycles thermiques de 2427. De plus, il est le plus simple à spécifier avec l'utilisation d'un facteur K élevé.
• Imprégné sous pression sous vide (VPI). Enroulements qui sont imprégnés de vernis sous vide. Cela coûte moins cher que la résine coulée et est mécaniquement résistant mais également plus vulnérable à la pénétration de l'humidité dans des conditions d'humidité ou de proximité de la mer.
• Enroulement ouvert ventilé. Le moins cher. Rarement, cette décision est suffisamment bonne pour l'intérieur d'un centre de données.

Cela se résume généralement au choix de la résine coulée et à la différence de qualité de la résine, à la conception des enroulements et au processus de test.

L'agencement de la sous-station unitaire

Les centres de données choisissent de plus en plus d'acheter la chaîne d'alimentation complète en tant que produit intégré et conçu plutôt que d'acquérir le système sous forme de série de composants, tels que la section d'entrée à moyenne tension, le transformateur en résine coulée et le système de distribution à basse tension.

Les avantages de cette approche incluent la simplification de l'interface et l'économie d'espace. Les inconvénients sont la question de la comparaison des prix sur les produits à source unique et le fait que les spécifications de toutes les pièces impliquées deviennent plus importantes lorsqu'elles sont soudées en un seul composant.

Paramètre	Plage typique des centres de données
Puissance nominale	500–3 750 kVA, plus grand pour l'hyperscale
Tension primaire	Jusqu'à 35 kV — couramment 10, 11, 13,8, 24 ou 33 kV
Tension secondaire	400, 415, 480 ou 600 V
Phases et fréquence	Triphasé, 50 ou 60 Hz
Classe d'isolation / température	Classe F (155 °C) ou Classe H (180 °C)
Refroidissement	AN air naturel, ou AF air forcé ajoutant environ 33–50% de capacité
Indice harmonique	K-13 à K-20, K-30 sur demande
Impédance	6% typique, configurable
Efficacité	Minimums DOE 2016 / EU Ecodesign / NRCan
Normes	IEC 60076-11, IEEE C57.12.01, UL 1561, CSA selon le cas

Avant d'utiliser le refroidissement par air forcé dans la conception, il est essentiel de bien comprendre comment ce processus fonctionne. L'étape de refroidissement par air forcé aide à augmenter la sortie en kVA, mais cela se fait en évacuant la chaleur de l'appareil et non en améliorant l'isolation. Dans une configuration de refroidissement N+1, cela est acceptable. Cependant, en cas d'utilisation d'une configuration à ventilateur unique, il est important de comprendre qu'une valeur AF ne sera pas importante dès qu'un des appareils échoue.

Cela signifie que la liste avec une sortie en kVA de 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000 et 2500 ne doit pas être considérée comme un simple menu dont on peut choisir la valeur requise. La sélection suit le calcul de charge, et une plateforme en résine coulée couvrant les indices de distribution de 6 à 10 kV — le Gamme de transformateurs de distribution à sec de la série SCB est un exemple typique — aura généralement le bon cadre disponible dans l'échelle, ce qui est une considération lorsque l'alternative est une construction sur mesure et un délai de livraison plus long.

Redondance et emplacement des transformateurs

La sélection du transformateur de centre de données est étroitement liée à la topologie tolérante aux pannes qu'il est conçu pour supporter. La puissance du transformateur est déterminée par la topologie de l'installation qui est soit de niveau III soit de niveau IV, basée sur l'arrangement N+1 ou 2N des transformateurs.

• N+1 - Un transformateur de secours ou la capacité de perdre 1 transformateur d'un groupe sans déclencher la charge. C'est l'arrangement habituel dans les installations de niveau III.
• 2N - Deux chemins d'alimentation entièrement notés mais indépendants. Cela signifie qu'il peut y avoir 2 transformateurs alimentant le même groupe de serveurs, ce qui est courant dans les installations de niveau IV.
• Redondance par blocs/redondance distribuée - l'alimentation électrique des transformateurs est partagée par blocs, ce qui entraîne une installation de kVA réduite.

Lors du calcul de la taille du transformateur, il faut tenir compte de la charge informatique réelle plutôt que de la charge connectée. N'oubliez pas que la taille physiquement sélectionnée du transformateur affecte le PUE, car même si le transformateur fonctionne en dessous de sa capacité, cela entraîne toujours des pertes significatives que l'installation devra payer. La possibilité d'utiliser plusieurs petits transformateurs au lieu d'une grande unité doit être soigneusement évaluée. C'est une décision de conception, pas simplement une spécification.

Lorsqu'une installation est configurée autour d'une topologie d'infrastructure critique définie, l'agencement de l'alimentation entrante, du transformateur et de la distribution est la partie qui décide si une défaillance unique est survivable, et les options de configuration sont présentées dans cette analyse des solutions de distribution d'énergie pour les centres de données et les infrastructures critiques.

La réglementation sur l'efficacité n'est pas optionnelle

Les exigences en matière d'efficacité sont obligatoires sur les principaux marchés et obligent les équipements à être de tailles différentes également.

• États-Unis : Développement de la réglementation sur l'efficacité du Département de l'énergie (DOE) de 2016, basée sur NEMA TP-1, concernant les transformateurs de distribution. Dans ce cas, plus de matériaux de noyau et de conducteurs seront nécessaires pour fabriquer des équipements qui satisfont aux réglementations actuelles.
• Union européenne : Le règlement EC 548/2014 définit les exigences minimales d'efficacité pour les transformateurs d'une capacité supérieure à 1 kVA pour les circuits de 50 Hz. Les exigences de niveau 1 sont entrées en vigueur le 1er juillet 2015, tandis que celles de niveau 2 sont entrées en vigueur le 1er juillet 2021. Le niveau 2 définit les pertes à vide et à charge maximales en watts pour les transformateurs secs de taille moyenne et établit une efficacité minimale pour la capacité nominale supérieure à 3 150 kVA.
• Canada : Il fixe les exigences minimales d'efficacité nécessaires pour des classes similaires de transformateurs.

Il peut y avoir deux conséquences de cette exigence. Premièrement, le transformateur conforme doit être plus grand en taille et en poids par rapport au transformateur non conforme de la même puissance. En conséquence, l'espace de construction peut être soumis à quelques changements. Deuxièmement, l'exigence d'efficacité et la pression K-factor sont orientées dans la même direction par rapport à la fabrication, ce qui signifie que le transformateur conforme est plus lourd en termes de matériaux conducteurs.

Remarques d'installation spécifiques aux travaux de centre de données

• Ventilation et dégagements – assurez-vous de vérifier auprès du fabricant les dégagements minimaux dans toutes les directions et au-dessus ainsi que par rapport aux exigences d'installation NFPA 70. Parce qu'un transformateur en résine coulé dissipe les pertes dans la pièce, le système de traitement de l'air doit être dimensionné pour gérer les pertes.
• Charge au sol – 2000 kVA d'un transformateur en résine coulé et d'un enclos signifie un équipement lourd. Il est important de confirmer la capacité de l'emplacement d'installation, pas seulement celle de l'entrée.
• Niveau de bruit – une version silencieuse selon NEMA ST-20 est importante si le transformateur est situé près d'un espace occupé. Cela concerne le serrage du noyau et la conception à faible densité de flux.
• Mise à la terre et neutre – Un transformateur K-rated avec 200 % neutre signifie que le conducteur et le barres de distribution doivent être dimensionnés en conséquence pour la partie en aval de l'installation. Cela signifie que choisir le transformateur et sous-dimensionner la barre neutre est une mauvaise pratique.
• Surveillance – installez des capteurs RTD ou PT100 sur tous les enroulements et connectez-les au système de gestion de bâtiment ou DCIM. C'est la maintenance prédictive la moins chère que vous puissiez obtenir dans les transformateurs de type sec.
• Terminaison des câbles – confirmez s'il s'agit d'une boîte de câbles, d'un conduit de bus ou d'un agencement de barres de bus ouvertes au point de connexion et vérifiez la distance de phase à ce point plutôt qu'au site de livraison.

Tests d'acceptation : Que demander

La documentation du test d'acceptation en usine doit inclure au moins les éléments suivants : tests ordinaires requis par IEC 60076-11/IEEE C57.12.01, informations sur le rapport de transformation et la polarité pour chaque prise, valeur de résistance d'enroulement, valeur de résistance d'isolation et valeur de l'indice de polarisation, valeurs des pertes à vide et à charge à partir des chiffres garantis, résultats du test de tenue à la tension appliquée et du test de tenue à la tension induite, résultat du test de décharge partielle avec 1,1 fois Um indiqué dans le document comme chiffre réel.

Si le transformateur est K-rated, il est important d'indiquer certaines informations sur la charge harmonique selon la valeur K-factor choisie. De plus, dans les transformateurs en résine coulé qui fonctionnent dans des centres de données, certaines vérifications doivent être effectuées pour s'assurer qu'il n'y a pas de vides, de fissures ou de remplissage de résine incomplet dans l'encapsulation des enroulements.

Sur le site d'installation, avant d'alimenter le transformateur et de commencer l'opération : confirmer le groupe vectoriel, la position du point de prélèvement, la mise à la terre et la connexion à la terre, la résistance d'isolement ainsi que la lecture de la température dans les trois phases. De plus, il est recommandé de réaliser un test thermographique à pleine charge et de le répéter un mois plus tard pour vérifier la lecture de température en cours des deux phases.

Une séquence de mise en service structurée vaut mieux que d'improviser, et les tests de routine qu'une unité de type sec doit subir à son arrivée sont énoncés dans ce seven-step routine test programme for dry-type transformers. Skipping the tests that are awkward to repeat after energisation is how a defective unit reaches full load before anyone knows.

Brands and How the Range Maps

The market for dry-type data center facilities can be divided into two groups: first is the construction of the entire power train and integration of the transformer into the overall design by global electrical companies, and second is the manufacturing of the transformer on specialized manufacturers’ facilities according to their specifications.

In the case of the specialized option, the key aspect would be whether the supplier has its whole production area for this purpose. Suppliers who can do cast resin dry-type projects from 6-10 kV to 35 kV with pre-tested DC solution would be working with the entire project from the same manufacturing premises instead of sourcing from different producers every time. This holds more value with phased projects than with one-time orders since the next batches of transformers produced have to work together. Subian fits this model as it is a Chinese company with dry-type and oil-immersed transformers fulfilling electrical, high-voltage and amorphous alloy transformers for international projects.

Speaking about the competitive analysis, SCB13 and its equivalents in cast resin technology is the platform on which all data center buyers compare the offers of local markets since the parameters used for each type are very similar even though the certification, methods of production may be different. That comparison is worked through in this note on how SCB13 dry-type transformers compare with international cast-resin designs, including where the differences are real and where they are documentation.

Normal price positioning works in a usual way: global brands at the top, specialist producers significantly below and the gap is becoming wider with the increase of kVA rating and the amount of customisation involved. What a buyer should not do is to compare a fully specified K-13 Class H unit with a K-1 Class F catalogue cost and thus surmise that that the cheaper product is indeed a bargain.

FAQ

Why do data centres use dry-type instead of oil-filled transformers?

Fire safety and site. Cast-resin winding does not burn and has no combustible liquids, so this equipment can be installed indoors and near the load without an oil containment facility. Maintenance is easier since there is no oil testing or gas relay or breather. This implies lower temperature tolerance that makes insulation type, temperature rise and K-factor more important for dry-type data centres than for oil-filled distribution devices.

What K-factor do I need for a data centre transformer?

K-13 is the conservative option for a facility with no harmonic study and is appropriate for legacy servers using 6-pulse UPS rectifiers with THD of 30–40%. K-20 is the correct option for loads dominated by rectifiers or loads that may grow in the future. K-7 is appropriate for new installations using 12-pulse or IGBT rectifiers with THD of 15–25%, while K-4s are used only where active harmonic filters have brought down the THD to 10% or below. Always round up to the next standard rating.

How do I size a transformer for a data centre?

Consider the actual load of the IT equipment, as well as that of the UPS design. Apply redundancy through either an N+1 or a 2N system. Air caching solutions are required only for those areas where it is redundant. An excessively loaded device will have high no-load losses, thus smaller transformers with high efficiency in partial load operation can be better than one larger device in terms of capital expenditure and efficiency measures (PUE).

What partial discharge level is acceptable?

According to the stipulations of IEC 60076-11, at Environmental Category E2, the allowed PD level is not above 10 pC at 1.1 of the rated voltage. Any factory certificate indicating a higher value must be invalidated. Under operating conditions, values above approximately 100 pC at the nominal operating voltage means the insulation condition must be considered unsatisfactory and that the insulation will have to undergo further evaluation and likely replacement.

Références

1. UL Solutions — UL 1561 for dry-type general purpose and power transformers, including recognised K-factor ratings
2. Eaton — dry-type transformer application guidance, K-factor selection and harmonic loss explanation
3. Schneider Electric — dry-type transformer specification data, temperature rise classes and efficiency compliance
4. US Energy Information Administration — data centre electricity consumption and load growth analysis
5. US Department of Energy — transformer efficiency standards and distribution transformer energy conservation rulemaking
6. Uptime Institute — data centre tier classification, redundancy topologies and availability research
7. ASHRAE — thermal guidelines and technical resources for data processing environments
8. International Electrotechnical Commission — IEC 60076-11 for dry-type power transformers and IEC 60076-1 general requirements

Conclusion

A dry-type transformer chosen for a data center has three key elements: the insulation category that exceeds significantly the temperature range of the transformer; the K factor that classifies the level of harmonic distortion for the operating load; and partial discharge testing. Properly adjusted insulation with a combination of thermal monitoring, energy efficiency, and extensive factory testing should ensure that the dry transformer will work for twenty years without failures. Any problems that might arise will become apparent only after eight years as a winding fault and by this time all savings provided by the contract will have been spent already.