À Dallas, un responsable des opérations était en cours d'un projet d'une valeur de 2 mégawatts lorsque l'entrepreneur électrique a signalé une préoccupation : le transformateur prévu, qui était de type liquide avec une capacité de 2 500 kVA, était situé à 14 pieds de la salle des serveurs et la disposition avait déjà été rejetée pour le code par le maréchal des incendies local. L'équipe a travaillé rapidement pour obtenir un transformateur de type sec, mais a découvert que le type alternatif de transformateur fonctionnait à une température 38 % plus élevée que le type liquide sous le même niveau d'harmoniques, mettant ainsi en péril la garantie de l'ensemble du fournisseur d'UPS. Si vous avez observé un retard dans le processus du centre de données en raison d'une mauvaise décision concernant le transformateur prise tard dans le processus, vous savez exactement ce que cela fait.
Ce guide discute de la manière de sélectionner un transformateur de type sec pour les centres de données, en mettant l'accent sur cinq mesures clés : pertes, classe d'élévation de température, capacité K-factor pour les harmoniques, résistance au court-circuit et arrangements d'enveloppe/refroidissement.
Réponse courte : Un transformateur de type sec pour les centres de données est un transformateur refroidi par air qui est sûr contre les incendies et classé généralement entre 500 et 3 000 kVA à une tension primaire entre 10 et 35 kV et qui utilise soit une isolation en résine coulé, soit une isolation VPI au lieu d'huile inflammable. Cinq critères qui influencent de manière décisive l'achat incluent : (1) les pertes à vide et sous charge affectent le PUE ; (2) une classe d'élévation de température qui est généralement de classe F ou classe H ; (3) un K-factor concernant les charges UPS chargées d'harmoniques ; (4) le courant de résistance au court-circuit (2 sec) ; (5) la classification de l'enveloppe plus la méthode de refroidissement.
Qu'est-ce qu'un transformateur sec ?
Le transformateur de type sec est un type de dispositif électrique qui tire parti de l'induction électromagnétique pour transmettre de l'énergie d'un circuit à un autre sans utiliser de matériau liquide pour le refroidissement/la protection. Le transformateur de type sec utilise un matériau isolant qui peut être soit de la résine époxy, soit un vernis de classe F/H, soit du papier aramide. De plus, il utilise soit la convection naturelle, soit l'air forcé pour transférer la chaleur. Selon la norme IEC 60076-11, les transformateurs de type sec sont classés par leur classe d'isolation en fonction de leur tension nominale, qui est souvent limitée à 36 kV ; cependant, leurs capacités opérationnelles peuvent atteindre 12 500 kVA.
Pour les opérateurs de centres de données, l'attrait principal vient du fait qu'absence d'huile signifie pas besoin de la salle de confinement résistante au feu, ce qui permet une énorme économie sur l'assurance. Le transformateur est placé dans la salle électrique, près de l'appareillage de commutation et généralement connecté à un tableau de distribution de 208/120 V ou de 480/277 V.
Comment fonctionne un transformateur de type sec
Semblable à d'autres transformateurs, le type sec est également basé sur les principes de la loi de Faraday de l'induction électromagnétique. Le courant alternatif du enroulement primaire génère un flux magnétique variable à travers le noyau laminé. Ce flux magnétique provoque une induction de tension dans l'enroulement secondaire, de sorte que les tensions sont liées entre elles proportionnellement au rapport des tours de l'enroulement. Les pertes dans le noyau (en raison des courants de Foucault et de l'hystérésis) se produisent en continu pendant le fonctionnement sous courant électrique, tandis que les pertes en cuivre dépendent du carré du courant des charges appliquées à ce transformateur. La perte à vide des transformateurs de 2000 kVA est d'environ 1,8-3,2 kW, tandis que la perte en charge varie de 14 à 22 kW dans des conditions de charge maximale (garanties par la norme IEC 60076).
Les différences entre les transformateurs en résine coulée et les transformateurs immergés dans l'huile sont principalement thermiques. Les systèmes en résine coulée incluent des matériaux en résine dans l'opération d'isolation des bobines, tandis que la production sous vide rend les bobines imprégnées de vernis.
Types de transformateurs à sec
| Taper | Isolation | Évaluation typique | Mieux adaptés pour | Coût relatif |
|---|---|---|---|---|
| Résine coulée (CRT) | Époxy, coulée sous vide | 100–12 500 kVA | Salles de données intérieures, air humide ou pollué | Élevé |
| VPI (bobine ouverte) | Vernis de classe H | 25–3 000 kVA | Salles intérieures propres, projets sensibles au coût | Moyen |
| OVDT (type sec ventilé ouvert) | Classe H / aramide | 500–3 000 kVA | Distribution intérieure de qualité utilitaire | Moyenne-haute |
| Type sec à noyau amorphe | Époxy ou VPI | 100–2 500 kVA | Priorité à faible perte à vide, projets certifiés écologiques | Élevé |
La résine coulée est le matériau standard utilisé pour la majorité des centres de données de niveau III et IV, car elle possède des propriétés qui la rendent inerte à l'humidité, auto-extinguible et silencieuse. Les niveaux acoustiques typiques pour une unité de 2000 kVA mesurent 55-65 dB(A) à une distance d'un mètre par rapport à 65-75 dB(A) pour les conceptions à bobine ouverte.
Type sec vs. immergé dans l'huile dans un centre de données
| Critère | De type sec | Immergé dans l'huile |
|---|---|---|
| Risque d'incendie | Auto-extinguible, pas de liquide | Huile inflammable ; murs coupe-feu ou séparation requise |
| Emplacement | Intérieur, à côté de l'équipement de commutation | Extérieur ou coffre dédié avec confinement |
| Efficacité à 50% de charge | 96–98.5% | 97.5–99% |
| Marge de surcharge | Limitée (105–115% à court terme) | Plus élevée (130–150% à court terme) |
| Gestion harmonique | Options classées K-factor | Dérating généralement requis |
| Entretien | Faible—poussière et thermographie uniquement | Échantillonnage d'huile, DGA, entretien du respirateur |
| CapEx par 2 000 kVA | $25 000–$48 000 | $16,000 à $28,000 |
| Impact sur le coût de construction | Aucun coût supplémentaire | Coffre, confinement, suppression d'incendie |
Le fait que vous devez prendre en compte le coût de construction d'une salle de coffre, d'ajouter un confinement d'huile et d'installer un équipement de suppression d'incendie annule généralement les avantages associés aux solutions de refroidissement liquide. Ainsi, il n'est pas surprenant que la plupart des opérateurs hyperscale choisissent des types de refroidissement à sec pour les installations intérieures.
Les 5 indicateurs clés qui comptent le plus
Ces cinq paramètres décident si l'unité répond aux exigences de disponibilité, d'efficacité et de conformité.
| Mètre | Pourquoi c'est important | Valeur typique d'un centre de données |
|---|---|---|
| Pertes (à vide + en charge) | Fonctionne 24/7 ; impact direct sur le PUE et le coût énergétique à vie | 0,7–1,1% de la capacité ; demandez des chiffres de charge à 50% et 75% |
| Classe de montée en température | Définit la durée de vie de l'isolation à une charge donnée | Classe F 100 K ou Classe H 125 K |
| Facteur K (évaluation harmonique) | Les charges UPS et serveurs génèrent des harmoniques ; la classification K prévient la surchauffe | K-13 à K-20 pour les salles de serveurs |
| Résistance au court-circuit | Doit survivre aux défauts de l'alimentation sans déplacement des enroulements | 1,5–3,0 s au courant de court-circuit nominal selon IEC 60076-5 |
| Enceinte et refroidissement | Détermine l'entrée de poussière dans la salle, la ventilation et la réduction de puissance | IP23 avec AN/AF, réduire 5–10% si AF non utilisé |
Spécifications typiques et tableaux de pertes
| Puissance (kVA) | Tension primaire | Perte à vide (W) | Perte à charge @120°C (W) | Impédance | Efficacité à 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% |
Les pertes indiquées ci-dessus donnent des indications sur les niveaux de Type C (écoconception) et de Type B (économie d'énergie) selon IEC 60076-11. N'oubliez jamais de demander le certificat de test au fabricant.
Où les types secs sont utilisés dans les centres de données
- La distribution à moyenne tension concerne la réduction de la tension de 10-35 kV à 480 V ou 400/415 V pour l'alimentation électrique du tableau électrique.
- L'alimentation de charge critique nécessite des transformateurs dédiés par UPS ou par étage pour prévenir tout défaut et arrêter l'occurrence de pannes à point unique.
- Les charges mécaniques incluent l'alimentation des pompes à eau glacée et des unités CRAC/CRAH à une tension électrique fournie de 208/120 V.
- La tension du générateur électrique de secours est soit augmentée, soit réduite pour correspondre à celle de l'appareillage, lorsqu'un tel générateur est acheté pour un système ayant une tension différente.
- Les centres de données Edge et modulaires sont des machines électriques compactes fabriquées en résine coulée et peuvent facilement être expédiées à l'intérieur de patins électriques prêts à l'emploi.
Marques Principales et Gammes de Prix
| Marque | Pays | Ligne typique | Plage de prix de 2 000 kVA | Remarques |
|---|---|---|---|---|
| ABB | Suisse | Resibloc / HiDry | $32,000–$52,000 | Référence mondiale, forte surveillance IoT |
| Siemens | Allemagne | Résine GEAFOL | $30,000–$50,000 | Largement spécifié en EMEA |
| Schneider Electric | France | Résine Trihal | $31,000–$53,000 | Bonne intégration EcoStruxure |
| Hitachi Energy | Suisse/Japon | Famille RESIBLOC | $33,000–$55,000 | Expertise en bobines à courant élevé |
| Eaton | Irlande/États-Unis | Type sec VPI | $20,000–$36,000 | Forte présence UL/NEMA |
| CG Power | Inde | Résine coulée | $22,000–$40,000 | Tarification compétitive EMEA/Afrique |
| Jiangsu Subian Electric Power | Chine | Résine coulée et VPI, IEC 60076 | $18,000–$34,000 | Tarification directe d'usine, OEM/ODM, exportation mondiale |
Des entreprises mondiales comme ABB, Siemens, Schneider Electric et Hitachi Energy servent de modèle pour la qualité, la documentation et les systèmes de service après-vente, ce qui explique leur tarification. Si l'acheteur a besoin du même niveau de conformité aux spécifications IEC 60076-11, certificats de test et antécédents de succès prouvés à un coût beaucoup plus bas, Jiangsu Subian Electric Power (un fabricant chinois de transformateurs produisant à la fois des types en résine coulée et sous vide) est fortement recommandé. Il est évident que Jiangsu Subian Electric Power a des délais de livraison de 30 à 60 jours contre 16 à 40 semaines dans de nombreuses usines européennes, ainsi que la possibilité d'utiliser une marque privée. Dans tous les cas, 5–8% du prix du produit doivent être ajoutés au coût initial pour l'expédition, l'installation et la mise en service.
Comment choisir : Une liste de contrôle étape par étape
- Vérifiez la tension du système au point de connexion et déterminez la capacité de court-circuit selon les normes IEC 60909 ou IEEE C37.010.
- Découvrez le profil de charge réel et la partie harmonique de la sortie UPS afin d'acquérir la taille à 65-80% de la valeur nominale.
- Spécifiez le facteur K nécessaire pour la charge, K-13 normalement requis pour les salles de serveurs utilisant des UPS à double conversion.
- Choisissez une qualité qui est en résine coulée lorsque l'humidité ou la pollution se produisent à l'intérieur ; cependant, le VPI est également adapté dans des zones pures et protégées.
- Spécifiez le grade de montée en température maximale, 100 K (F) ou 125 K (H), et assurez-vous que cela est conforme à la norme IEC 60076-11.
- Vérifiez le temps de résistance au court-circuit (généralement égal à 2 s) et l'impédance autorisée (± 7.5% selon IEC 60076-1).
- Vérifiez la méthode de refroidissement : le refroidissement AF permet de gagner 15-20% de capacité supplémentaire mais consomme en même temps de l'énergie et est bruyant.
- Évaluez les coûts totaux, les pertes de $3,000-$6,000 chaque année pendant 15 ans doivent être prises en compte.
- Demandez la disponibilité des documents de test de routine, des résultats de décharge partielle, et la certitude que les tests complets en usine sont disponibles.
Pièges à éviter
- Faible facteur K : l'achat d'une unité standard K-1 pour une charge de serveur entraîne des températures de points chauds de 15-25°C au-dessus de la cote et un vieillissement prématuré de l'isolation.
- Négliger les pertes à vide : une unité fonctionnant 8,760 h/an avec 1 kW de perte de noyau excédentaire coûterait presque $750-$1,100/an au tarif de $0.09-$0.13/kWh et $11,000-$16,000 en 15 ans.
- Croire que le type sec signifie qu'il n'est pas nécessaire de vérifier les codes de sécurité incendie : la distance de dégagement NFPA 70 s'applique et l'espace de circulation ou les classifications de feu des câbles prennent de l'importance.
- Négliger les tests de décharge partielle : les problèmes survenant dans l'isolation en résine coulée commencent par PD et ne peuvent pas être détectés par des rapports de transformation de routine.
- Localisation dans une zone fermée : l'enceinte sèche perd 5% à 10%.
Notes d'installation et d'entretien
- Placer l'unité sur une fondation rembourrée non inflammable, en s'assurant qu'il y a maintenant au moins 300 mm de dégagement à l'arrière et 600 mm à l'avant pour des raisons d'inspection.
- Choix de la température de fonctionnement entre −25° C et +40° C selon la norme IEC 60076-11 ; le niveau d'humidité ne doit pas dépasser 95% pour les types en résine coulée.
- Effectuer les tests IR avant de démarrer l'unité ; si la valeur de résistance est inférieure à 100 MΩ à 500V DC pour le bobinage de 10 kV, une enquête plus approfondie est nécessaire.
- Il est également nécessaire de fournir une thermographie infrarouge trimestrielle pour toutes les connexions, en particulier au cours des 30 premiers jours d'exploitation où un relâchement de couple est attendu.
- Le nettoyage des conduits d'air et des ailettes doit être effectué deux fois par an car les toiles d'araignée peuvent aider les enroulements à chauffer de 10 à 15° C.
Questions Fréquemment Posées
Pourquoi les centres de données utilisent-ils des transformateurs à sec au lieu de ceux remplis d'huile ?
Mesures de sécurité contre les incendies et options pour l'installation de l'unité. Les unités isolées par huile doivent être installées dans des coffres classés au feu ou à l'extérieur sous des conditions contrôlées. Cela peut coûter entre $15000 et $40000 et nécessiter un certain espace. Les types secs, tels que les unités en résine coulée, n'ont pas besoin de cette installation coûteuse car elles ne prennent pas feu, ce qui permet de les placer à côté des équipements de commutation à l'intérieur, réduisant ainsi la distance de câblage et simplifiant la conception de redondance.
Quelle taille de transformateur à sec un centre de données a-t-il généralement besoin ?
En général, un centre de données avec une charge informatique de 1 MW à 2 MW utilise de deux à quatre unités de 1 500 à 2 500 kVA dans une configuration N+1. Par exemple, une centrale de 2 000 kVA fonctionnant à une tension de 480/277 V fournira normalement 1 300 à 1 600 kW de puissance importante après prise en compte de l'efficacité de l'UPS, des pertes de refroidissement et des impacts harmoniques.
Que signifie le facteur K sur un transformateur de centre de données ?
Le facteur K est une mesure de la capacité du transformateur à fonctionner sous des charges harmoniques et non linéaires sans dépasser les limites de température d'isolation. Un modèle K-13 peut gérer 130% de chaleur supplémentaire produite par les harmoniques par rapport à un transformateur ordinaire. Pour les UPS à double conversion et les charges de serveur, K-13 à K-20 devraient être dans les spécifications tandis que K-1 doit être déclassé de manière significative.
Combien coûte un transformateur à sec pour un centre de données ?
Le prix d'une unité en résine coulée d'une capacité de 1 000 kVA varie généralement de $14 000 à $26 000 ; 1 500 kVA est tarifé de $19 000 à $36 000 ; et pour 2 000 kVA – 2 500 kVA, la fourchette est de $25 000 à $55 000. Les frais de transport et d'installation ajoutent 10 – 15% au montant total. Les prix varient selon la spécification, la marque et la zone de contact.
Combien de temps un transformateur à sec dure-t-il en service continu dans un centre de données ?
Les transformateurs en résine coulée sont généralement utilisés pendant 25 à 30 ans dans des salles qui sont soit propres et exemptes de poussière, soit sous des conditions de température égales ou inférieures à celles recommandées. Cependant, si les transformateurs sont continuellement chargés à 100% de capacité dans des zones trop chaudes (par exemple, au-delà de 105 °C), leur durée de vie d'isolation est réduite de moitié pour chaque augmentation de température de 8 à 10 °C.
Références
- IEC 60076-11 : Transformateurs de puissance – Transformateurs de type sec — la norme régissant les classifications, les pertes, l'élévation de température et les tests des unités à sec.
- IEEE C57.12.01-2020 : Transformateurs de distribution et de puissance à sec — exigences nord-américaines pour les transformateurs à sec.
- U.S. DOE : Normes d'efficacité des transformateurs de distribution — explique les niveaux d'efficacité minimum et l'évaluation des pertes pour les transformateurs de distribution.
- NFPA 70 : Code national de l'électricité — exigences de dégagement, de protection et d'installation pour les salles de transformateurs.
- NEMA TP-1 : Efficacité des transformateurs de distribution — la référence de mesure de l'efficacité couramment utilisée dans les appels d'offres nord-américains.
- Norme de niveau de l'Uptime Institute — directives de conception pertinentes pour la redondance et l'architecture électrique dans les installations critiques.
- Jiangsu Subian Electric Power — fabricant de transformateurs à sec en résine coulée et VPI conformes à la norme IEC 60076 pour des projets de centres de données mondiaux.
Conclusion
Lors de la sélection d'un transformateur à sec pour les centres de données, les organisations doivent prendre en compte cinq aspects mesurables : les pertes, la classe d'élévation de température, le facteur K, la capacité à résister aux courts-circuits et l'enveloppe/refroidissement. En plus de ces aspects, les organisations devraient éviter les erreurs les plus courantes consistant à sous-estimer le rôle des harmoniques dans leurs conceptions, à sous-estimer l'importance des pertes à vide et à sauter les tests de décharge partielle. Une discipline dans le processus de sélection qui se concentre sur le coût total de possession pour toute la durée de vie du transformateur permettra d'économiser des dizaines de milliers de dollars avant même que la première panne ne se produise.
- Choisissez la taille à 65%-80% de la capacité nominale totale et une classe d'élévation de température F/H selon la norme IEC 60076-11.
- Sélectionnez les classes d'élévation de température K-13 à K-20 pour l'équipement fonctionnant avec un contenu harmonique élevé et faites une garantie pour la décharge partielle inférieure à 10 PC.
Que vous traitiez avec une entreprise européenne ou nord-américaine ou un partenaire fabricant direct comme Jiangsu Subian Electric Power, il est très important d'exiger la présence de certificats de tests de routine et d'une garantie de performance par écrit avant de signer un contrat avec l'un des fournisseurs. L'appareil sélectionné fonctionnera silencieusement pendant 30 ans ou deviendra un casse-tête pour les experts en maintenance pendant des décennies à venir.