In contrasto con i trasformatori di distribuzione che sono utilizzati per progetti commerciali, i trasformatori per data center hanno un ruolo speciale: devono essere posizionati vicino al carico che supportano, operare continuamente con alta efficienza e affrontare carichi con una forma diversa rispetto ai carichi sinusoidali. Pertanto, è impossibile utilizzare trasformatori ad olio a causa del rischio di accensione e tre attributi dei trasformatori: prestazioni armoniche, margine termico e scarica parziale.
In sintesi: Per connettere elettricamente i data center, è opportuno selezionare un trasformatore asciutto in resina colata con isolamento termico di Classe H (180 °C), un fattore K non inferiore a K-13 (di solito K-20), impedenza 6%, un gruppo vettoriale Dyn11 per l'ingresso UPS, valore di prova di scarica parziale inferiore o uguale a 10 pC a 1,1× tensione nominale, e secondo DOE 2016 o EU Ecodesign Tier 2 in termini di prestazioni. Le potenze tipiche dei trasformatori per data center variano tra 500 kVA e 3.750 kVA a 10 kV e 35 kV, rispettivamente.
Perché i Data Center Usano il Tipo Asciutto in Primo Luogo
Il fattore principale è la sicurezza antincendio del sistema. Gli avvolgimenti in resina colata possono estinguersi autonomamente e non contengono liquidi combustibili, quindi il trasformatore può essere posizionato nell'edificio vicino al carico da servire. Pertanto, non è necessario un pozzetto per olio, una parete di sicurezza o un compartimento speciale con buone proprietà ignifughe. Il trasformatore è posizionato nelle vicinanze delle attrezzature IT nei data center co-locati o aziendali, dove ogni metro quadrato di spazio bianco è prezioso; quindi, la distanza del cavo a bassa tensione è ridotta.
Il prossimo fattore trainante sono i requisiti di manutenzione. Non è necessario monitorare il livello dell'olio, il relè del gas o asciugare il respiratore. Invece di questi, devono essere monitorati solo la scarica parziale e la temperatura, il che è semplice rispetto al processo di chimica dei fluidi.
D'altra parte, i trasformatori di tipo asciutto non tollerano bene il calore. L'olio si muove e aiuta a rimuovere il calore dagli avvolgimenti, mentre la resina non lo fa. Pertanto, la classe di isolamento, l'aumento di temperatura e le armoniche diventano molto più importanti nel caso dei trasformatori di tipo asciutto poiché la distanza tra il normale funzionamento e il danneggiamento dell'isolamento è significativamente più piccola.
Le Tre Specifiche Che Decidono Tutto
Classe di isolamento e aumento di temperatura
Secondo ANSI/IEEE C57.12.01, i trasformatori di tipo asciutto sono normalmente classificati con un aumento di temperatura di 80, 115 o 150 K a un ambiente di 40 Celsius per il sistema di isolamento a 220 Celsius. Pertanto, un aumento di temperatura più fresco sullo stesso equipaggiamento garantisce un margine maggiore rispetto alla restrittività termica, aumentando la vita dell'isolamento e creando capacità per sovraccarico.
Dal punto di vista della IEC, le classi di isolamento corrispondono alla Classe F (155 Celsius) e alla Classe H (180 Celsius) insieme a un aumento di temperatura di Classe B (80 Celsius) osservato durante il carico nominale. Per l'uso nei data center, è prassi standard richiedere un isolamento di Classe H con un aumento di temperatura di Classe B o Classe F, il che significa isolamento caratterizzato da una temperatura significativamente più alta rispetto a quella osservata durante il funzionamento del trasformatore, lasciando spazio per dissipare le perdite armoniche generate dall'attrezzatura in funzione.
Questa è la specifica più spesso modificata per l'offerta per ridurne il valore e il prodotto che fallisce otto anni dopo.
Fattore K
La valutazione del fattore K determina il livello di perdita che può essere dissipato da un trasformatore senza violare le sue limitazioni termiche. È calcolato in conformità alla pubblicazione IEEE C57.110. UL 1561 riconosce le valutazioni di riscaldamento del fattore K, K-1, K-4, K-9, K-13, K-20, K-30, K-40 e K-50.
La selezione dipende dalla caratteristica del carico effettivo:
| Profilo di carico | Fattore K raccomandato | Contenuto armonico tipico |
|---|---|---|
| Server legacy con raddrizzatore UPS a 6 impulsi | K-13 | 30–40% THD |
| Server moderni con raddrizzatore a 12 impulsi o IGBT | K-7 | 15–25% THD |
| Completamente ottimizzato con filtri armonici attivi | K-4 | Sotto 10% THD |
| Carichi misti, alta densità, crescita futura sconosciuta | K-20 | Margine massimo |
Nel caso di una nuova installazione che non ha subito un'analisi armonica, K-13 è considerato lo standard cauto, mentre K-20 è il valore obbligatorio dove il mix di carico rimane sconosciuto. Il K-20 è anche il valore più comunemente specificato per i carichi dei raddrizzatori.
Un trasformatore con fattore K comprende più di un nucleo più pesante. Utilizza una densità di flusso inferiore per il flusso armonico; ha un neutro più grande. Un trasformatore K-13 ha un bus neutro valutato per 200% della valutazione di fase poiché le armoniche triplen vengono sommate nel neutro anziché annullarsi a vicenda.
I risultati in assenza di un trasformatore con fattore K sono evidenti. Le correnti armoniche portano a un aumento delle perdite per correnti parassite e, di conseguenza, a temperature elevate e a un'accelerazione della degradazione dell'isolamento. Il flusso armonico porta anche a tensioni di picco più elevate, quindi quando tutti i valori armonici si sommano, il valore di picco che aumenta oltre 1.25-1.5 del valore di cresta nominale porta a una probabilità molto alta di occorrenza di scariche parziali.
Scarica parziale
La scarica parziale definisce la differenza tra un trasformatore in resina epossidica di alta qualità e uno prodotto economicamente. Secondo la IEC 60076-11, un tasso di PD dovrebbe essere massimo di 10 pC con una tensione operativa di 1.1 volte la tensione nominale per la Categoria Ambientale E2 che si applica ai trasformatori umidi o da esterno. Qualsiasi rapporto di fabbrica che mostri una lettura di PD superiore a 10 pC a una tensione di prova di 1.1×Um non sarà accettato.
Quando si tratta di operazione, le soglie cambiano. Se il valore PD supera circa 100 pC a tensione di esercizio, l'isolamento è già danneggiato a tal punto da sollevare la questione di una sostituzione. Poiché la progressività del PD e il fatto che il problema non sia visibile dall'esterno implicano che il test in fabbrica debba essere richiesto al momento dell'acquisto e monitorato successivamente.
Il linguaggio di specifica per un'unità di alimentazione in un data center dovrebbe essere il seguente:
- Isolamento, classe H (180 °C), aumento di temperatura, classe F (100 K) o inferiore.
- Fattore K, almeno K-13, o K-20 in caso di carico rettificatore o sconosciuto, confermato dall'accettazione in fabbrica a carico armonico.
- Gruppo vettoriale Dyn11 come standard di ingresso UPS.
- L'impedenza dovrebbe essere 6% per rafforzare l'alimentazione o 8% se l'obiettivo è ridurre la corrente di cortocircuito.
- Uno schermo elettrostatico deve essere posizionato tra le bobine HV e LV per evitare la circolazione delle armoniche a sequenza zero.
- Il PD deve essere testato in fabbrica secondo lo standard IEC 60076-11, con conferma.
- Il materiale delle bobine è rame, il materiale del nucleo è acciaio al silicio, il dispositivo di misurazione della temperatura può essere RTD o PT100 con sistema di raffreddamento.
Quel insieme di requisiti produce un'unità che non è l'offerta più economica e che sarà ancora in servizio quando l'impianto sarà dovuto per il suo prossimo rinnovo. Il ragionamento che un acquirente deve affrontare prima di scrivere la specifica è delineato in questa guida a le metriche chiave e le insidie nella scelta di un trasformatore di tipo secco per data center, ed è utile leggerlo prima che i documenti di gara vengano inviati piuttosto che dopo che le offerte tornano.
Tipi di unità di tipo secco che si adattano al dovere del data center
Ci sono tre tipi di costruzione che sono commercialmente rilevanti.
- Tipo secco in resina colata (epossidica). Bobine racchiuse in resina epossidica colata. È la scelta migliore per i data center poiché possiede la maggiore ricchezza di capacità contro umidità e contaminazione, capacità di autoestinguente e capacità di resistere al ciclo termico di 2427. Inoltre, è più semplice da specificare con l'uso di un alto fattore K.
- Impregnato a pressione sottovuoto (VPI). Bobine impregnate in vernice sotto vuoto. Questo è meno costoso rispetto alla resina colata e meccanicamente resistente ma anche più vulnerabile alla penetrazione dell'umidità in condizioni di umidità o prossimità al mare.
- Ventilato a bobina aperta. Il meno costoso. Raramente questa decisione è sufficientemente valida per gli interni di un data center.
It comes down usually to the choice of cast resin and the difference in quality of the resin, the winding design and the testing process.
The Unit Substation Arrangement
Data centres are increasingly opting to purchase the complete power chain as one integrated, engineered product instead of acquiring the system as a series of components, such as the medium-voltage incoming section, cast resin transformer and low-voltage distribution system.
The pros of this approach include simplification of the interface and saving space. The cons are the issue of price comparison on single-source products and the fact that specifications of all parts involved become more important when welded into one component.
| Parametro | Typical data centre range |
|---|---|
| Potenza nominale | 500–3,750 kVA, larger for hyperscale |
| Tensione primaria | Up to 35 kV class — commonly 10, 11, 13.8, 24 or 33 kV |
| Tensione secondaria | 400, 415, 480 or 600 V |
| Phases and frequency | Three-phase, 50 or 60 Hz |
| Insulation / temperature class | Class F (155 °C) or Class H (180 °C) |
| Raffreddamento | AN natural air, or AF forced air adding roughly 33–50% capacity |
| Harmonic rating | K-13 to K-20, K-30 on request |
| Impedenza | 6% typical, configurable |
| Efficienza | DOE 2016 / EU Ecodesign / NRCan minimums |
| Normative | IEC 60076-11, IEEE C57.12.01, UL 1561, CSA as applicable |
Before using forced-air cooling in design, it is essential to get a proper understanding of how this process works. Forced-air cooling stage helps increase kVA output, but it does this by drawing heat away from the device and not by enhancing the insulation. In a setup with N+1 cooling configuration, this is acceptable. However, in case of using a single fan setup, it is important to understand that an AF value will not be important as soon as one of the devices fails.
This means that the list with kVA output of 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, and 2500 should not be treated as just a menu that one can simply pick the required value from. The selection follows the load calculation, and a cast-resin platform covering the 6–10 kV distribution ratings — the SCB-series dry-type distribution transformer range is a typical example — will usually have the right frame available in the ladder, which is a consideration when the alternative is a custom build and a longer lead time.
Redundancy and Where the Transformers Sit
Selecting the data centre transformer is closely linked to the fault-tolerant topology that it is designed to support. The rating of the transformer is determined by the topology of the setup that is either Tier III or Tier IV based on N+1 or 2N arrangement of transformers.
- N+1- A spare transformer or an ability to lose 1 transformer from a group without tripping the load. This is the usual arrangement in Tier III facilities.
- 2N- Two fully rated but independent paths of supply. This means there can be 2 transformers feeding the same group of servers, which is common in Tier IV setups.
- Block redundancy/distributed redundancy- the power supply from transformers is shared by blocks, which leads to less kVA being installed.
When calculating the transformer size, it must consider the actual IT load instead of connected load. Remember that the physically selected size of the transformer affects the PUE, because even if the transformer is working below its capacity, it still results in significant losses that the facility will have to pay for. The possibility of using a number of small transformers instead of one large unit should be carefully evaluated. This is a design decision, not merely specification.
Where a facility is configured around a defined critical infrastructure topology, the arrangement of incoming supply, transformer and distribution is the part that decides whether a single failure is survivable, and the configuration options are set out in this look at power distribution solutions for data centre and critical infrastructure.
Efficiency Regulation Is Not Optional
The efficiency requirements are obligatory in major markets and forces equipment to be different in size as well.
- USA: Development of the 2016 Department of Energy (DOE) efficiency regulation, based on NEMA TP-1, refers to the distribution transformers. In this case, more core materials and conductors will be needed to manufacture equipment that satisfies current regulations.
- European Union: Regulation EC 548/2014 defines the minimum efficiency requirements for transformers with capacity higher than 1 kVA for 50 Hz circuits. Tier 1 requirements entered into force on July 1, 2015, while Tier 2 ones came into force on July 1, 2021. Tier 2 defines maximum no-load and load losses in watts for medium-sized dry transformers and establishes minimum efficiency for the rated capacity above 3,150 kVA.
- Canada: It sets the necessary minimum efficiency requirements for similar classes of transformers.
There can be two consequences of this requirement. Firstly, the compliance transformer should be larger in size and weight compared to the non-compliance transformer of the same rating. As a result, the construction space may be exposed to some changes. Secondly, efficiency requirement and K-factor pressure are directed in the same way in relation to manufacturing, which means that the compliance transformer is heavier in terms of conductive materials.
Installation Notes Specific to Data Centre Work
- Ventilation and clearances – be sure to check with the manufacturer for minimum clearances in all directions and above as well as against NFPA 70 installation requirements. Because a cast resin transformer dissipates the losses in the room, the air handling system must be sized to handle the losses.
- Floor loading – 2000 kVA of a cast resin transformer and enclosure means heavy equipment. It is important to confirm capacity of installation location, not just that of the entrance.
- Noise rating – quiet version per NEMA ST-20 is important if the transformer is located near occupied space. This is about core clamping and low flux density design.
- Grounding and neutral – A K-rated transformer with 200 % neutral means that the conductor and bus bar need to be sized accordingly for the downstream portion of the installation. This means that choosing the transformer and undersizing the neutral bar is bad practice.
- Monitoring – install RTD or PT100 sensors to all windings and connect them to the building management system or DCIM. This is the cheapest predictive maintenance you can get in dry-type transformers.
- Termination of cables – confirm whether this is cable box, bus duct or open busbar arrangement at the place of connection and check the phase distance at that point instead of a delivery site.
Acceptance Testing: What to Ask For
The factory acceptance test documentation must include at least the following elements: ordinary tests as required by IEC 60076-11/IEEE C57.12.01, turns ratio and polarity information for each tap, winding resistance value, insulation resistance value and polarization index value, values of no load and load losses from guaranteed numbers, results of the applied voltage withstand test and the induced voltage withstand test, result for the partial discharge test with 1.1 times Um indicated in the document as actual number.
If the transformer is K-rated, it is important to indicate some information on harmonics loading as per chosen K-factor value. Moreover, in cast resin transformers that operate in data centers, some checks must be conducted to ensure that there are no voids, cracks, or incomplete resin fill in the winding encapsulation.
At the installation site, before energizing the transformer and starting operation: confirm the vector group, tap position, neutral, and ground connection, insulation resistance as well as reading temperature in all the three phases. In addition, it is recommended to conduct a thermographic test at full load and to repeat it in a month afterward to check the ongoing temperature reading of both phases.
A structured commissioning sequence is worth following rather than improvising, and the routine tests that a dry-type unit should go through on arrival are set out in this 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.
Riferimenti
- UL Solutions — UL 1561 for dry-type general purpose and power transformers, including recognised K-factor ratings
- Eaton — dry-type transformer application guidance, K-factor selection and harmonic loss explanation
- Schneider Electric — dry-type transformer specification data, temperature rise classes and efficiency compliance
- US Energy Information Administration — data centre electricity consumption and load growth analysis
- US Department of Energy — transformer efficiency standards and distribution transformer energy conservation rulemaking
- Uptime Institute — data centre tier classification, redundancy topologies and availability research
- ASHRAE — thermal guidelines and technical resources for data processing environments
- International Electrotechnical Commission — IEC 60076-11 for dry-type power transformers and IEC 60076-1 general requirements
Conclusione
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.