Transformadores Secos de Alta Confiabilidade para Data Centers

Em contraste com os transformadores de distribuição que são utilizados para projetos comerciais, os transformadores de data center têm um papel especial: eles precisam ser colocados próximos à carga que suportam, operar continuamente com alta eficiência e lidar com cargas com uma forma diferente das cargas senoidais. Portanto, é impossível usar transformadores a óleo devido ao risco de ignição e três atributos dos transformadores: desempenho harmônico, margem térmica e descarga parcial.

Em resumo: Para conectar energia a data centers, é adequado selecionar um transformador seco de resina fundida com isolamento térmico Classe H (180 °C), classificação de fator K não inferior a K-13 (geralmente K-20), impedância de 6%, um grupo vetorial Dyn11 para entrada de UPS, valor de teste de descarga parcial menor ou igual a 10 pC em 1,1× tensão nominal, e de acordo com DOE 2016 ou EU Ecodesign Tier 2 em termos de desempenho. As classificações típicas de potência dos transformadores de data center variam entre 500 kVA e 3.750 kVA em 10 kV e 35 kV, respectivamente.

Por que os Data Centers Usam Tipo Seco em Primeiro Lugar

O principal fator é a segurança contra incêndios do sistema. As bobinas de resina fundida podem se autoextinguir e não contêm líquidos combustíveis, portanto, o transformador pode ser posicionado no edifício próximo à carga a ser atendida. Assim, não há necessidade de um poço de óleo, uma parede de segurança ou um compartimento especial com boas propriedades de resistência ao fogo. O transformador é colocado nas proximidades do equipamento de TI em data centers de co-localização ou empresariais, onde cada metro quadrado de espaço em branco é valioso; portanto, a distância do cabo de baixa tensão é reduzida.

O próximo fator impulsionador são os requisitos de manutenção. Não há necessidade de monitorar o nível de óleo, relé de gás ou secar o respirador. Em vez disso, apenas a descarga parcial e a temperatura devem ser monitoradas, o que é simples em comparação com o processo de química de fluidos.

Por outro lado, os transformadores tipo seco não toleram bem o calor. O óleo se move e ajuda a remover o calor das bobinas, enquanto a resina não faz isso. Assim, a classe de isolamento, o aumento de temperatura e os harmônicos tornam-se muito mais importantes no caso de transformadores tipo seco, pois a distância entre a operação normal e o dano ao isolamento é significativamente menor.

As Três Especificações Que Decidem Tudo

Classe de isolamento e aumento de temperatura

De acordo com ANSI/IEEE C57.12.01, os transformadores tipo seco são normalmente classificados com aumento de temperatura de 80, 115 ou 150 K em um ambiente de 40 Celsius para o sistema de isolamento de 220 Celsius. Assim, um aumento de temperatura mais frio no mesmo equipamento garante uma maior margem de restritividade térmica, aumentando a vida útil do isolamento e criando capacidade para sobrecarga.

Do ponto de vista da IEC, as classes de isolamento correspondem à Classe F (155 Celsius) e Classe H (180 Celsius), juntamente com um aumento de temperatura da Classe B (80 Celsius) observado durante a carga nominal. Para uso em data centers, é prática padrão exigir um isolamento Classe H com aumento de temperatura Classe B ou Classe F, o que significa isolamento caracterizado por uma temperatura significativamente mais alta do que a observada durante a operação do transformador, deixando um espaço para dissipar as perdas harmônicas geradas pelo equipamento em operação.

Esta é a especificação mais frequentemente modificada para a licitação a fim de reduzir seu valor e o produto que falha oito anos depois.

Fator K

A classificação do fator K determina o nível de perda que pode ser dissipado por um transformador sem violar suas limitações térmicas. É calculado de acordo com a publicação IEEE C57.110. A UL 1561 reconhece as classificações de aquecimento do fator K, K-1, K-4, K-9, K-13, K-20, K-30, K-40 e K-50.

A seleção depende da característica de carga real:

Perfil de carga	Fator K recomendado	Conteúdo harmônico típico
Servidores legados com retificador UPS de 6 pulsos	K-13	30–40% THD
Servidores modernos com retificador de 12 pulsos ou IGBT	K-7	15–25% THD
Totalmente otimizado com filtros harmônicos ativos	K-4	Abaixo de 10% THD
Cargas mistas, alta densidade, crescimento futuro desconhecido	K-20	Margem máxima

No caso de uma nova instalação que não passou por uma análise harmônica, K-13 é considerado o padrão cauteloso, enquanto K-20 é o valor obrigatório onde a mistura de carga permanece desconhecida. O K-20 também é o valor mais comumente especificado para cargas de retificador apenas.

Um transformador classificado K compreende mais do que apenas um núcleo mais pesado. Ele utiliza uma densidade de fluxo mais baixa para fluxo harmônico; possui um neutro maior. Um transformador K-13 tem um barramento neutro classificado para 200% da classificação de fase, uma vez que os harmônicos triplos são somados no neutro em vez de se cancelarem.

Os resultados na ausência de um transformador classificado K são evidentes. Correntes harmônicas levam a perdas de correntes parasitas aumentadas e, consequentemente, temperaturas elevadas e degradação acelerada do isolamento. O fluxo harmônico também leva a tensões de pico mais altas, então, quando todos os valores harmônicos se somam, o valor de pico aumentando acima de 1,25-1,5 da crista nominal leva a uma probabilidade muito alta de ocorrência de descargas parciais.

Descarga parcial

A descarga parcial define a diferenciação entre um transformador de resina fundida de alto padrão e um fabricado economicamente. De acordo com a IEC 60076-11, uma taxa de DP deve ser no máximo 10 pC com uma tensão de operação de 1,1 vezes a tensão nominal para a Categoria Ambiental E2 que se aplica a transformadores úmidos ou ao ar livre. Qualquer relatório de fábrica que mostre uma leitura de DP superior a 10 pC em uma tensão de teste de 1,1×Um não será aceito.

Quando se trata de operação, os limiares mudam. Se o valor de PD exceder cerca de 100 pC na tensão de operação, a isolação já está danificada o suficiente para levantar a questão de uma substituição. Porque a progressividade do PD e o fato de que o problema não é visível do lado de fora implicam que um teste de fábrica deve ser solicitado no momento da compra e monitorado posteriormente.

A linguagem de especificação para uma unidade de fonte de alimentação em um data center deve ser a seguinte:

• Isolação, classe H (180 °C), aumento de temperatura, classe F (100 K) ou inferior.
• Fator K, pelo menos K-13, ou K-20 em caso de retificador ou carga desconhecida, confirmado pela aceitação da fábrica em carga harmônica.
• Grupo vetorial Dyn11 como padrão de entrada de UPS.
• A impedância deve ser 6% para reforçar a fonte de alimentação ou 8% se o objetivo for reduzir a corrente de curto-circuito.
• O escudo eletrostático deve ser colocado entre as bobinas de HV e LV para evitar a circulação de harmônicos de sequência zero.
• O PD deve ser testado na fábrica de acordo com a norma IEC 60076-11, com confirmação.
• O material do enrolamento é cobre, o material do núcleo é aço silício, o dispositivo de medição de temperatura pode ser RTD ou PT100 com sistema de resfriamento.

Esse conjunto de requisitos produz uma unidade que não é a proposta mais barata e é a que ainda estará em serviço quando a instalação estiver pronta para sua próxima atualização. O raciocínio que um comprador precisa considerar antes de escrever a especificação está exposto neste guia para as métricas-chave e armadilhas ao escolher um transformador do tipo seco para data centers, e vale a pena ler antes que os documentos de licitação sejam enviados, em vez de depois que as propostas retornem.

Tipos de Unidade do Tipo Seco que se Ajustam ao Dever do Data Center

Existem três tipos de construção que são relevantes comercialmente.

• Tipo seco de resina fundida (epóxi). Enrolamentos que estão encerrados em resina epóxi fundida. É a melhor escolha para os data centers, uma vez que possui a maior riqueza de capacidade contra umidade e contaminação, capacidade de autoextinção e capacidade de suportar o ciclo térmico de 2427. Além disso, é mais simples de especificar com o uso de um alto fator K.
• Impregnado a pressão de vácuo (VPI). Enrolamentos que são impregnados em verniz sob vácuo. Isso é menos caro do que a resina fundida e mecanicamente resistente, mas também mais vulnerável à penetração de umidade em condições de umidade ou proximidade do mar.
• Ventilado com feridas abertas. O menos caro. Raramente essa decisão é boa o suficiente para ambientes internos de um data center.

Geralmente, isso se resume à escolha da resina fundida e à diferença na qualidade da resina, no design do enrolamento e no processo de teste.

O Arranjo da Subestação Unidade

Os data centers estão cada vez mais optando por adquirir toda a cadeia de energia como um único produto integrado e projetado, em vez de adquirir o sistema como uma série de componentes, como a seção de entrada de média tensão, transformador de resina fundida e sistema de distribuição de baixa tensão.

As vantagens dessa abordagem incluem a simplificação da interface e a economia de espaço. As desvantagens são a questão da comparação de preços em produtos de fonte única e o fato de que as especificações de todas as partes envolvidas se tornam mais importantes quando soldadas em um único componente.

Parâmetro	Faixa típica de data center
Potência nominal	500–3.750 kVA, maior para hyperscale
Tensão primária	Até 35 kV classe — comumente 10, 11, 13,8, 24 ou 33 kV
Tensão secundária	400, 415, 480 ou 600 V
Fases e frequência	Trifásico, 50 ou 60 Hz
Classe de isolamento / temperatura	Classe F (155 °C) ou Classe H (180 °C)
Resfriamento	AN ar natural, ou AF ar forçado adicionando aproximadamente 33–50% de capacidade
Classificação harmônica	K-13 a K-20, K-30 sob solicitação
Impedância	6% típico, configurável
Eficiência	Mínimos DOE 2016 / EU Ecodesign / NRCan
Normas	IEC 60076-11, IEEE C57.12.01, UL 1561, CSA conforme aplicável

Antes de usar resfriamento a ar forçado no projeto, é essencial entender como esse processo funciona. A etapa de resfriamento a ar forçado ajuda a aumentar a saída em kVA, mas faz isso removendo calor do dispositivo e não melhorando o isolamento. Em uma configuração de resfriamento N+1, isso é aceitável. No entanto, no caso de usar uma configuração de ventilador único, é importante entender que um valor de AF não será importante assim que um dos dispositivos falhar.

Isso significa que a lista com saída em kVA de 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000 e 2500 não deve ser tratada apenas como um menu do qual se pode simplesmente escolher o valor necessário. A seleção segue o cálculo da carga, e uma plataforma de resina fundida cobrindo as classificações de distribuição de 6–10 kV — o Faixa de transformadores de distribuição secos da série SCB é um exemplo típico — geralmente terá a estrutura certa disponível na escada, o que é uma consideração quando a alternativa é uma construção personalizada e um prazo de entrega mais longo.

Redundância e Onde os Transformadores Estão Localizados

A seleção do transformador do data center está intimamente ligada à topologia tolerante a falhas que ele foi projetado para suportar. A classificação do transformador é determinada pela topologia da configuração que é Tier III ou Tier IV com base na disposição N+1 ou 2N dos transformadores.

• N+1- Um transformador reserva ou a capacidade de perder 1 transformador de um grupo sem desligar a carga. Esta é a disposição usual em instalações Tier III.
• 2N- Dois caminhos de fornecimento totalmente classificados, mas independentes. Isso significa que pode haver 2 transformadores alimentando o mesmo grupo de servidores, o que é comum em configurações Tier IV.
• Redundância em bloco/redundância distribuída- o fornecimento de energia dos transformadores é compartilhado por blocos, o que leva a uma menor instalação de kVA.

Ao calcular o tamanho do transformador, deve-se considerar a carga de TI real em vez da carga conectada. Lembre-se de que o tamanho fisicamente selecionado do transformador afeta o PUE, porque mesmo que o transformador esteja operando abaixo de sua capacidade, ainda resulta em perdas significativas que a instalação terá que pagar. A possibilidade de usar vários transformadores pequenos em vez de uma unidade grande deve ser cuidadosamente avaliada. Esta é uma decisão de design, não meramente uma especificação.

Onde uma instalação é configurada em torno de uma topologia de infraestrutura crítica definida, a disposição do fornecimento de entrada, transformador e distribuição é a parte que decide se uma falha única é sobrevivível, e as opções de configuração são apresentadas nesta análise de soluções de distribuição de energia para data centers e infraestrutura crítica.

A Regulação de Eficiência Não é Opcional

Os requisitos de eficiência são obrigatórios em grandes mercados e forçam os equipamentos a serem diferentes em tamanho também.

• EUA: Desenvolvimento da regulação de eficiência do Departamento de Energia (DOE) de 2016, com base na NEMA TP-1, refere-se aos transformadores de distribuição. Nesse caso, mais materiais de núcleo e condutores serão necessários para fabricar equipamentos que satisfaçam as regulamentações atuais.
• União Europeia: O Regulamento EC 548/2014 define os requisitos mínimos de eficiência para transformadores com capacidade superior a 1 kVA para circuitos de 50 Hz. Os requisitos do Tier 1 entraram em vigor em 1º de julho de 2015, enquanto os do Tier 2 entraram em vigor em 1º de julho de 2021. O Tier 2 define perdas máximas em vazio e em carga em watts para transformadores secos de médio porte e estabelece eficiência mínima para a capacidade nominal acima de 3.150 kVA.
• Canadá: Estabelece os requisitos mínimos de eficiência necessários para classes semelhantes de transformadores.

Podem haver duas consequências dessa exigência. Em primeiro lugar, o transformador de conformidade deve ser maior em tamanho e peso em comparação com o transformador não conforme da mesma classificação. Como resultado, o espaço de construção pode estar sujeito a algumas mudanças. Em segundo lugar, a exigência de eficiência e a pressão do fator K são direcionadas da mesma forma em relação à fabricação, o que significa que o transformador de conformidade é mais pesado em termos de materiais condutores.

Notas de Instalação Específicas para Trabalho em Data Center

• Ventilação e folgas – certifique-se de verificar com o fabricante as folgas mínimas em todas as direções e acima, bem como em relação aos requisitos de instalação da NFPA 70. Como um transformador de resina fundida dissipa as perdas na sala, o sistema de manuseio de ar deve ser dimensionado para lidar com as perdas.
• Carga do piso – 2000 kVA de um transformador de resina fundida e invólucro significa equipamento pesado. É importante confirmar a capacidade do local de instalação, não apenas a da entrada.
• Classificação de ruído – a versão silenciosa conforme NEMA ST-20 é importante se o transformador estiver localizado perto de um espaço ocupado. Isso diz respeito ao aperto do núcleo e ao design de baixa densidade de fluxo.
• Aterramento e neutro – Um transformador classificado K com 200 % neutro significa que o condutor e a barra coletora precisam ser dimensionados adequadamente para a parte a jusante da instalação. Isso significa que escolher o transformador e subdimensionar a barra neutra é uma má prática.
• Monitoramento – instale sensores RTD ou PT100 em todas as bobinas e conecte-os ao sistema de gerenciamento do edifício ou DCIM. Esta é a manutenção preditiva mais barata que você pode obter em transformadores do tipo seco.
• Terminação de cabos – confirme se isso é uma caixa de cabos, duto de barra ou arranjo de barra aberta no local de conexão e verifique a distância de fase naquele ponto em vez de um local de entrega.

Teste de Aceitação: O Que Pedir

A documentação do teste de aceitação na fábrica deve incluir pelo menos os seguintes elementos: testes ordinários conforme exigido pela IEC 60076-11/IEEE C57.12.01, informações de relação de espiras e polaridade para cada derivação, valor da resistência de enrolamento, valor da resistência de isolamento e valor do índice de polarização, valores de perdas em vazio e em carga a partir de números garantidos, resultados do teste de resistência à tensão aplicada e do teste de resistência à tensão induzida, resultado do teste de descarga parcial com 1,1 vezes Um indicado no documento como número real.

Se o transformador for classificado K, é importante indicar algumas informações sobre a carga de harmônicos conforme o valor do fator K escolhido. Além disso, em transformadores de resina fundida que operam em data centers, algumas verificações devem ser realizadas para garantir que não haja vazios, rachaduras ou preenchimento incompleto de resina na encapsulação do enrolamento.

No local de instalação, antes de energizar o transformador e iniciar a operação: confirme o grupo vetorial, a posição do tap, o neutro e a conexão de aterramento, a resistência de isolamento, bem como a leitura da temperatura em todas as três fases. Além disso, recomenda-se realizar um teste termográfico em plena carga e repeti-lo um mês depois para verificar a leitura de temperatura contínua de ambas as fases.

Uma sequência de comissionamento estruturada vale a pena seguir em vez de improvisar, e os testes de rotina que uma unidade do tipo seco deve passar na chegada estão estabelecidos neste 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.

Perguntas Frequentes

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.

Referências

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

Conclusão

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.