Karena pusat data terus berkembang dalam skala dan kepadatan komputasi, sistem listrik mereka menghadapi persyaratan yang semakin menuntut. Beban TI kepadatan tinggi, operasi terus menerus, target ketersediaan yang ketat, persyaratan efisiensi energi, dan pertumbuhan beban yang cepat mengubah cara pemilihan transformator. Transformer bukan hanya perangkat yang mengubah tegangan. Kapasitas, kinerja harmonis, kerugian, impedansi, metode pendinginan, dan kondisi instalasinya dapat secara langsung mempengaruhi keandalan, biaya operasi, dan kinerja termal dari seluruh sistem distribusi daya pusat data.

Tidak seperti banyak fasilitas komersial atau industri konvensional, pusat data mengandung proporsi besar beban elektronik dan daya elektronik, termasuk server, sistem UPS, drive frekuensi variabel, peralatan pendinginan, dan catu daya mode beralih. Beban ini dapat memperkenalkan arus harmonis dan kerugian transformator tambahan. Pada saat yang sama, pusat data biasanya beroperasi 24/7, yang berarti bahwa bahkan perbedaan yang relatif kecil dalam kerugian transformator dapat terakumulasi menjadi konsumsi energi yang signifikan selama periode operasi 10, 15, atau 20 tahun. Proses seleksi transformator oleh karena itu perlu mempertimbangkan tidak hanya harga pembelian awal, tetapi juga karakteristik beban, redundansi, efisiensi, kinerja termal, persyaratan sirkuit pendek, dan ekspansi masa depan.

1. Pilih Jenis Transformer Menurut Lingkungan Instalasi

Transformator jenis kering umumnya digunakan untuk distribusi pusat data dalam ruangan karena tidak mengandung minyak isolasi dan oleh karena itu menghindari kebocoran dan risiko kebakaran minyak yang terkait dengan peralatan yang diisi minyak. Mereka sangat cocok ketika transformator perlu dipasang di dalam atau dekat bangunan pusat data.

Namun, akan menyesatkan untuk menyimpulkan bahwa setiap pusat data harus menggunakan transformator jenis kering. Transformator yang dicelupkan minyak tetap cocok secara teknis dan ekonomis untuk banyak substasi luar ruangan dan sistem distribusi tegangan menengah besar. Pilihan akhir harus mempertimbangkan lokasi instalasi, persyaratan perlindungan kebakaran, ruang yang tersedia, kapasitas transformator, efisiensi, kondisi pendinginan, persyaratan pemeliharaan, dan peraturan lokal.

Untuk instalasi dalam ruangan, transformator jenis kering umumnya harus dipilih dengan batas kenaikan suhu yang tepat, perlindungan kandang, ventilasi, dan pengaturan pendinginan. Transformator tidak boleh digambarkan sebagai benar-benar bebas pemeliharaan. Pemeriksaan dan pembersihan teratur tetap diperlukan, sementara sistem pendinginan udara paksa membutuhkan perhatian tambahan pada kipas, kontrol, dan alarm.

2. Hitung Kapasitas Transformer dari Beban Fasilitas Lengkap

Kapasitas transformator tidak boleh dipilih hanya dengan membandingkan beban TI dengan peringkat kVA transformator. Permintaan listrik pusat data juga mencakup sistem pendinginan, kerugian UPS, pompa, kipas angin, pencahayaan, sistem perlindungan kebakaran, sistem keamanan, dan beban bantu lainnya.

Titik awal yang berguna adalah hubungan antara beban TI dan Efektivitas Penggunaan Daya (PUE):

Total daya fasilitas ≈ beban TI × PUE

Daya tampak transformator yang diperlukan kemudian dapat diperkirakan dari total daya fasilitas dan faktor daya operasi:

KVA yang dibutuhkan ≈ Total daya fasilitas / Faktor daya

Misalnya, asumsikan pusat data tepi memiliki beban TI 300 kW dan PUE desain 1,30. Perkiraan total daya fasilitas akan sekitar:

300 kW × 1,30 = 390 kW

Jika faktor daya desain adalah 0,95, daya nyata yang sesuai akan sekitar:

390 / 0,95 ≈ 411 kVA

Transformator 500 kVA oleh karena itu akan memberikan margin operasi yang wajar di bawah asumsi ini, dengan seleksi aktual masih tunduk pada konfigurasi redundansi proyek, kinerja harmonis, kondisi lingkungan, dan persyaratan ekspansi masa depan.

Pendekatan ini lebih dapat diandalkan daripada menerapkan aturan kapasitas cadangan tetap 20% atau 25% untuk setiap proyek. Kapasitas masa depan harus ditentukan dari tingkat pertumbuhan TI yang diharapkan, fase ekspansi yang direncanakan, strategi penggantian peralatan, dan persyaratan redundansi.

3. Evaluasi Arus Harmonis Alih-alih Memilih K-Faktor dengan Aturan jempol

Harmonik adalah salah satu isu yang paling penting dalam pemilihan transformator pusat data. Sistem UPS, catu daya server, drive frekuensi variabel, dan beban elektronik lainnya dapat menghasilkan arus non-sinusoidal. Arus harmonik ini meningkatkan kerugian tambahan dalam gulungan transformator dan komponen struktural dan dapat mengakibatkan kenaikan suhu yang lebih tinggi.

Transformator dengan nilai faktor K dapat digunakan di mana beban harmonik menjamin kemampuan termal tambahan. Namun, K13 atau K20 tidak boleh diperlakukan sebagai spesifikasi universal untuk pusat data modern.

Desain harmonik K-faktor atau transformator yang tepat harus ditentukan dari profil beban aktual dan spektrum harmonik. Secara khusus, insinyur harus membedakan antara sistem UPS rectifier enam pulsa tradisional dan sistem UPS modern menggunakan koreksi input yang lebih baik atau teknologi front-end aktif. Bentuk gelombang arus input mereka dapat berbeda secara signifikan.

Untuk alasan ini, pilihan transformator idealnya harus mempertimbangkan THD arus yang diukur atau ditentukan (THDi), pesanan harmonik individu, persentase beban yang diharapkan, dan batas harmonik yang berlaku. Produsen transformator kemudian dapat mengevaluasi kerugian tambahan yang dihasilkan dan kenaikan suhu dan menentukan apakah desain standar, desain K-faktor, atau optimasi termal lainnya sesuai.

Nilai harmonik yang dinyatakan juga harus diidentifikasi dengan jelas. Misalnya, "70% THD" tidak lengkap kecuali menentukan apakah nilai mengacu pada tegangan THD atau arus THD, di mana itu diukur, dan dalam kondisi operasi apa. Jika proyek benar-benar memiliki THDi yang sangat tinggi, spektrum harmonik harus ditinjau sebelum peringkat transformator diselesaikan.

4. Cocok Kapasitas Transformer dengan Arsitektur Redundansi

Kapasitas transformator tidak dapat dipisahkan dari arsitektur ketersediaan pusat data. Konfigurasi N + 1, 2N, dan redundansi terdistribusi memiliki persyaratan kapasitas yang berbeda.

Dalam sistem N + 1, transformator yang tersedia biasanya mencakup satu unit tambahan di luar jumlah yang diperlukan untuk beban operasi normal. Desain harus kemudian memverifikasi bahwa peralatan yang tersisa dapat terus memasok beban kritis yang diperlukan setelah kegagalan transformator atau selama pemeliharaan yang direncanakan.

Sistem 2N berbeda. Biasanya menyediakan dua jalur daya independen, dan setiap jalur mungkin perlu mendukung beban kritis yang diperlukan tergantung pada filosofi ketersediaan dan kriteria desain.

Oleh karena itu, ukuran transformator seharusnya tidak hanya didasarkan pada beban operasi normal. Insinyur juga harus melakukan perhitungan contingency untuk kegagalan peralatan, kondisi pemeliharaan, pemadaman feeder, dan skenario kesalahan tunggal lainnya yang ditentukan.

Pertanyaan desain yang berguna tidak hanya:

Berapa banyak beban yang dibawa setiap transformator selama operasi normal?

Ini adalah:

Beban apa yang harus dibawa setiap jalur daya yang tersisa setelah kegagalan kasus terburuk yang ditentukan?

Perbedaan ini sangat penting ketika transformator terhubung ke sistem daya A dan B independen yang melayani peralatan TI berkabel ganda.

5. Pertimbangkan No-Load, Load, dan Harmonic Losses

Karena pusat data beroperasi secara terus menerus, efisiensi transformator harus dievaluasi di seluruh profil beban yang diharapkan daripada hanya pada beban nominal.

Kerugian transformator secara luas dapat dibagi menjadi kerugian tanpa beban dan kerugian terkait beban. Kerugian beban tidak terjadi setiap kali transformator ditenagakan, bahkan ketika beban rendah. Kerugian beban meningkat dengan arus dan oleh karena itu sangat dipengaruhi oleh profil beban yang sebenarnya.

Untuk pusat data, arus harmonik juga dapat menghasilkan kerugian tambahan. Akibatnya, perbandingan antara dua transformator harus mempertimbangkan tidak hanya efisiensi nameplate mereka tetapi juga:

• kehilangan beban;

• kehilangan beban;

• kerugian tambahan yang terkait dengan harmonik;

• jam operasi tahunan yang diharapkan;

• kondisi beban khas dan puncak.

Transformator dengan harga pembelian awal yang sedikit lebih tinggi mungkin memiliki total biaya kepemilikan yang lebih rendah jika kerugiannya secara konsisten lebih rendah selama bertahun-tahun.

Kerugian transformator juga harus dianggap sebagai bagian dari beban pendinginan pusat data. Hampir semua kerugian listrik akhirnya menjadi panas, yang harus dihapus oleh sistem pendingin bangunan. Mengurangi kerugian transformator dapat memberikan manfaat hemat energi sekunder di luar listrik yang langsung dikonsumsi oleh transformator.

6. Pilih Impedansi Sirkuit Pendek sebagai Parameter Sistem

Impedansi sirkuit pendek adalah parameter lain yang harus ditentukan sebagai bagian dari desain sistem listrik secara keseluruhan.

Impedansi transformator yang lebih tinggi umumnya mengurangi arus sirkuit pendek yang tersedia di sisi sekunder. Hal ini dapat membantu mengurangi ketahanan sirkuit pendek yang diperlukan dan mengganggu peringkat peralatan hilir. Namun, impedansi yang berlebihan dapat meningkatkan penurunan tegangan dan dapat mempengaruhi beban sensitif atau kondisi awal motor dan sistem pendingin yang besar.

Impedansi yang lebih rendah memberikan regulasi tegangan yang lebih baik tetapi dapat mengakibatkan arus kesalahan yang lebih tinggi. Impedansi akhir harus dikoordinasikan dengan tingkat kesalahan utilitas, kapasitas transformator, peringkat switchgear, kemampuan tahan busbar, pengaturan perlindungan, dan penurunan tegangan yang diizinkan.

Untuk aplikasi pusat data, pertanyaan yang benar bukan apakah transformator harus memiliki impedansi "tinggi" atau "rendah". Pertanyaan yang benar adalah apakah impedansinya cocok untuk sistem distribusi lengkap.

7. Perhatikan Pendinginan, Peningkatan Suhu, dan Ventilasi

Ruang transformator itu sendiri adalah bagian dari desain termal.

Transformator jenis kering dapat menggunakan pendinginan udara alami atau pendinginan udara paksa. Ketika kipas digunakan untuk mendapatkan kapasitas tambahan, desain harus jelas membedakan antara peringkat pendinginan alami dan peringkat udara paksa. Alarm kegagalan kipas dan pemantauan yang tepat juga harus dipertimbangkan di mana peringkat yang lebih tinggi penting untuk kapasitas sistem.

Ventilasi sama pentingnya. Kerugian transformator diubah menjadi panas, dan ventilasi yang tidak memadai dapat meningkatkan suhu sekitar yang sebenarnya di sekitar transformator dan mengurangi margin termalnya.

Oleh karena itu desain harus mempertimbangkan suhu sekitar maksimum, ketinggian instalasi, kapasitas ventilasi, susunan kandang, persyaratan kenaikan suhu, dan ruang instalasi yang tersedia.

Untuk pusat data kepadatan tinggi, faktor-faktor ini dapat sama pentingnya dengan rating kVA nominal.

8. Pertimbangkan kebisingan dan persyaratan perlindungan

Kebisingan transformator biasanya bukan masalah pertama yang dipertimbangkan dalam desain listrik pusat data, tetapi dapat menjadi penting ketika transformator dipasang dekat dengan area yang diduduki atau ruang peralatan sensitif.

Oleh karena itu, spesifikasi proyek harus menentukan tingkat suara yang dapat diterima jika diperlukan.

Persyaratan instalasi lainnya dapat mencakup perlindungan kandang, kinerja kebakaran, kondisi lingkungan, persyaratan seismik, kelembaban, ketinggian, dan pemantauan. Transformator harus dirancang untuk lingkungan instalasi yang sebenarnya daripada dipilih hanya dari peringkat katalog standar.

9. Studi Kasus 1: Pusat Data Tepi 300 kW

Pertimbangkan pusat data tepi ukuran kecil atau menengah dengan beban TI 300 kW. Fasilitas menggunakan peralatan pendinginan frekuensi variabel dan arsitektur daya N + 1.

Asumsikan desain PUE adalah 1,30 dan faktor daya yang diharapkan adalah 0,95.

Total daya fasilitas yang diperkirakan adalah:

300 × 1,30 = 390 kW

Kekuatan nyata yang sesuai adalah sekitar:

390 / 0.95 = 411 kVA

Di bawah asumsi ini, transformator jenis kering 500 kVA memberikan margin operasi yang wajar. Namun, kesesuaiannya masih harus dikonfirmasi terhadap persyaratan kontingensi N + 1, spektrum harmonis, suhu sekitar, rencana ekspansi masa depan, dan tingkat sirkuit pendek.

Jika proyek memiliki beban nonlinear yang signifikan, transformator tidak boleh dipilih hanya berdasarkan pelat nama 500 kVA. Tim rekayasa harus meninjau THDi dan spektrum harmonik dan menentukan apakah kemampuan termal harmonik tambahan atau desain nilai faktor K diperlukan.

Pendekatan ini memberikan keseimbangan yang lebih baik antara investasi awal, efisiensi operasi, kinerja termal, dan kapasitas masa depan daripada hanya menerapkan persentase kapasitas cadangan tetap.

10. Studi Kasus 2: 160 MVA Pusat Komputasi Densitas Tinggi

Sebuah pusat komputasi skala besar dengan kapasitas terpasang sekitar 160 MVA menyajikan tantangan desain yang sangat berbeda.

Pada skala ini, seleksi transformator terkait erat dengan arsitektur distribusi tegangan menengah, tingkat kesalahan, filosofi redundansi, target efisiensi, dan zonasi fisik fasilitas. Alih-alih memperlakukan seluruh instalasi sebagai satu beban transformator, sistem daya dapat dibagi menjadi beberapa kelompok transformator yang melayani zona listrik yang berbeda.

Spesifikasi transformator kemudian harus dioptimalkan sekitar beberapa parameter, termasuk kerugian beban dan beban yang rendah, impedansi sirkuit pendek yang tepat, kinerja termal harmonis, metode pendinginan, dan persyaratan redundansi.

Untuk fasilitas 24/7 dengan umur operasi yang lama diharapkan, biaya siklus hidup dapat lebih penting daripada harga pembelian transformator awal. Perbandingan siklus hidup harus mencakup biaya pembelian transformator, kerugian energi tahunan, tarif listrik, profil muatan yang diharapkan, biaya pemeliharaan, dampak pendinginan, dan umur layanan yang diharapkan.

Jika sebuah proyek mengklaim penghematan siklus hidup tertentu, seperti pengurangan 14% dalam total biaya kepemilikan selama 20 tahun, angka ini harus didukung oleh profil beban aktual proyek, harga listrik, data kehilangan transformator, jam operasi, dan konfigurasi garis dasar. Tanpa input ini, penghematan persentase tetap tidak boleh disajikan sebagai kesimpulan industri umum.

11. Proses Pemilihan Praktis

Untuk proyek pusat data baru, seleksi transformator dapat didekati dalam urutan logis.

Pertama, menentukan beban TI saat ini dan masa depan dan menetapkan PUE yang diharapkan. Selanjutnya, hitung beban total fasilitas dan ubahnya menjadi daya nyata menggunakan faktor daya desain.

Kemudian identifikasi arsitektur redundansi dan verifikasi kapasitas transformator di bawah skenario kegagalan dan pemeliharaan yang diperlukan. Setelah itu, menganalisis beban nonlinear dan spektrum harmonik untuk menentukan apakah desain termal standar, kemampuan K-faktor, atau derating harmonik tambahan diperlukan.

Insinyur kemudian harus mengevaluasi kehilangan beban, kehilangan beban, persyaratan pendinginan, kenaikan suhu, impedansi sirkuit pendek, dan kondisi instalasi. Akhirnya, transformator yang dipilih harus diperiksa terhadap standar listrik yang berlaku, persyaratan kebakaran dan bangunan, koordinasi perlindungan, dan tujuan biaya siklus hidup proyek.

Proses ini menghindari salah satu kesalahan yang paling umum dalam pemilihan transformator pusat data: memilih transformator berdasarkan kVA saja.

Kesimpulan

Memilih transformator untuk pusat data membutuhkan lebih dari mencocokkan peringkat transformator dengan beban saat ini. Desain harus memperhitungkan beban fasilitas lengkap, karakteristik beban UPS dan nonlinear, arus harmonis, arsitektur redundansi, persyaratan sirkuit pendek, kondisi pendinginan, kehilangan energi, dan ekspansi masa depan.

Transformator tipe kering sering menjadi solusi praktis untuk distribusi pusat data dalam ruangan karena konstruksi bebas minyak dan keuntungan keamanan kebakaran, tetapi tipe transformator akhir harus selalu ditentukan oleh kondisi instalasi dan persyaratan sistem.

Untuk pusat data tepi yang lebih kecil, prioritas mungkin mencapai keseimbangan yang tepat antara kapasitas, kinerja harmonis, biaya, dan ekspansi masa depan. Untuk fasilitas komputasi skala besar, konsumsi energi siklus hidup, arsitektur tegangan menengah, redundansi, manajemen arus kesalahan, dan kinerja kehilangan transformator menjadi semakin penting.

Oleh karena itu pendekatan yang paling andal adalah memperlakukan transformator sebagai bagian dari sistem listrik pusat data yang lengkap daripada sebagai sepotong peralatan yang terisolasi. Transformer yang dipilih dengan benar dapat meningkatkan keandalan sistem daya, mengurangi konsumsi energi jangka panjang, menyederhanakan manajemen termal, dan menyediakan kapasitas yang cukup untuk pertumbuhan pusat data di masa depan.

Pemuda Transformer Co., Ltd.