По мере того как центры обработки данных продолжают расширяться по масштабам и плотности вычислений, их электрические системы сталкиваются с все более требовательными требованиями. Высокая плотность ИТ-нагрузок, непрерывная работа, строгие цели доступности, требования к энергоэффективности и быстрый рост нагрузки меняют способ выбора трансформаторов. Трансформатор – это не просто устройство, которое преобразует напряжение. Его мощность, гармоничная производительность, потери, импеданс, метод охлаждения и условия установки могут напрямую повлиять на надежность, эксплуатационные затраты и тепловую производительность всей системы распределения энергии центра обработки данных.

В отличие от многих обычных коммерческих или промышленных объектов, центры обработки данных содержат большую долю электронных и электроэлектронных нагрузок, включая серверы, системы UPS, приводы переменной частоты, охлаждающее оборудование и переключенные источники питания. Эти нагрузки могут приводить к гармоническим токам и дополнительным потерям трансформатора. В то же время центры обработки данных обычно работают круглосуточно, что означает, что даже относительно небольшие различия в потерях трансформатора могут накопиться в значительное потребление энергии в течение 10-, 15- или 20-летнего периода эксплуатации. Поэтому процесс выбора трансформатора должен учитывать не только первоначальную цену покупки, но и характеристики нагрузки, избыточность, эффективность, тепловые характеристики, требования к короткому замыканию и будущее расширение.

1. Выберите тип трансформатора в соответствии с средой установки

Трансформаторы сухого типа обычно используются для распределения внутренних центров обработки данных, поскольку они не содержат изолирующего масла и, следовательно, избегают рисков утечки и пожара масла, связанных с оборудованием, наполненным маслом. Они особенно подходят, когда трансформатор должен быть установлен внутри или вблизи здания центра обработки данных.

Однако было бы вводящим в заблуждение заключение о том, что каждый центр обработки данных должен использовать трансформатор сухого типа. Трансформаторы, погруженные в масло, остаются технически и экономически подходящими для многих открытых подстанций и крупных систем распределения среднего напряжения. Окончательный выбор должен учитывать место установки, требования к пожарной защите, доступное пространство, мощность трансформатора, эффективность, условия охлаждения, требования к техническому обслуживанию и местные правила.

Для внутренних установок следует, как правило, выбирать сухие трансформаторы с соответствующими пределами повышения температуры, защитой корпуса, вентиляцией и охлаждением. Трансформатор не следует описывать как полностью без обслуживания. Регулярный осмотр и чистка остаются необходимыми, в то время как системы воздушного охлаждения требуют дополнительного внимания вентиляторам, устройствам управления и сигнализации.

2. Расчет мощности трансформатора от полной нагрузки объекта

Емкость трансформатора не должна выбираться просто путем сравнения нагрузки ИТ с номинальной мощностью трансформатора кВА. Электрический спрос центра обработки данных также включает в себя системы охлаждения, потери UPS, насосы, вентиляторы, освещение, системы пожарной защиты, системы безопасности и другие вспомогательные нагрузки.

Полезной отправной точкой является взаимосвязь между нагрузкой ИТ и эффективностью использования энергии (PUE):

Общая мощность объекта ≈ ИТ-нагрузка × PUE

Потом требуемая видимая мощность трансформатора может быть оценена на основе общей мощности объекта и коэффициента рабочей мощности:

Требуется кВА ≈ Общая мощность объекта / коэффициент мощности

Например, предположим, что краевый центр обработки данных имеет ИТ-нагрузку 300 кВт и конструкционную PUE 1,30. Оценочная общая мощность объекта составит примерно:

300 кВт × 1,30 = 390 кВт

Если конструктивный коэффициент мощности составляет 0,95, соответствующая видимая мощность будет примерно:

390 / 0,95 ≈ 411 kVA

Таким образом, трансформатор 500 kVA обеспечит разумную эксплуатационную маржу при этих предположениях, при этом фактический выбор все еще зависит от конфигурации избыточности проекта, гармоничных характеристик, условий окружающей среды и будущих требований к расширению.

Этот подход более надежен, чем применение фиксированного правила 20% или 25% свободной мощности к каждому проекту. Будущие мощности должны определяться на основе ожидаемых темпов роста ИТ, запланированных этапов расширения, стратегии замены оборудования и требований к избыточности.

3. Оценка гармонических токов вместо выбора K-фактора по правилу

Гармоника является одним из наиболее важных вопросов в выборе трансформатора центра обработки данных. Системы UPS, серверные источники питания, приводы переменной частоты и другие электронные нагрузки могут производить несинусоидные токи. Эти гармонические токи увеличивают дополнительные потери в обмотках трансформатора и конструктивных компонентах и могут привести к повышению температуры.

К-факторные трансформаторы могут использоваться там, где гармоническая нагрузка гарантирует дополнительную тепловую способность. Однако K13 или K20 не должны рассматриваться как универсальные спецификации для современных центров обработки данных.

Соответствующая гармоническая конструкция K-фактора или трансформатора должна определяться на основе фактического профиля нагрузки и гармонического спектра. В частности, инженер должен проводить различие между традиционными шестиимпульсными системами UPS с исправлением и современными системами UPS с использованием улучшенной технологии исправления входа или активной фронт-энда. Их формы волн входного тока могут существенно отличаться.

По этой причине выбор трансформатора в идеале должен учитывать измеренный или указанный ток THD (THDi), индивидуальные гармонические порядки, ожидаемый процент нагрузки и применимые гармонические пределы. Затем производитель трансформатора может оценить полученные дополнительные потери и повышение температуры и определить, подходит ли стандартная конструкция, конструкция с номинальным K-фактором или другая тепловая оптимизация.

Также должно быть четко определено указанное гармоническое значение. Например, "70% THD" является неполным, если только в нем не указано, относится ли значение к напряжению THD или току THD, где оно было измерено и при каких условиях работы. Если проект действительно имеет очень высокий THDi, то гармонический спектр должен быть пересмотрен до завершения оценки трансформатора.

4. Соответствует емкости трансформатора с архитектурой резидентности

Емкость трансформатора не может быть отделена от архитектуры доступности центра обработки данных. Конфигурации N+1, 2N и распределенной избыточности имеют разные требования к мощности.

В системе N+1 доступные трансформаторы обычно включают один дополнительный блок, превышающий количество, необходимое для нормальной рабочей нагрузки. Затем конструкция должна проверить, что оставшееся оборудование может продолжать обеспечивать необходимую критическую нагрузку после сбоя трансформатора или во время планируемого обслуживания.

Система 2N отличается. Обычно он обеспечивает два независимых пути питания, и каждый путь может потребоваться для поддержки необходимой критической нагрузки в зависимости от философии доступности и критериев проектирования.

Поэтому размер трансформатора не должен основываться только на нормальной рабочей нагрузке. Инженеры также должны выполнять расчеты непредвиденных обстоятельств для сбоев оборудования, условий технического обслуживания, перебоев подачи и других определенных сценариев единичной неисправности.

Полезным вопросом дизайна является не просто:

Сколько нагрузки несет каждый трансформатор во время нормальной работы?

Это:

Какую нагрузку должен нести каждый оставшийся путь питания после определенного худшего случая сбоя?

Это различие особенно важно, когда трансформаторы подключаются к независимым системам питания A и B, обслуживающим двухкабельное ИТ-оборудование.

5. Рассмотрите без нагрузки, нагрузки и гармонические потери

Поскольку центры обработки данных работают непрерывно, эффективность трансформатора должна оцениваться по всему ожидаемому профилю нагрузки, а не только при номинальной нагрузке.

Потери трансформатора можно широко разделить на потери без нагрузки и потери, связанные с нагрузкой. Потери без нагрузки возникают каждый раз, когда трансформатор заряжается, даже когда нагрузка низкая. Потери нагрузки увеличиваются с током и, следовательно, сильно влияют на фактический профиль нагрузки.

Для центров обработки данных гармонические токи также могут привести к дополнительным потерям. Следовательно, при сравнении двух трансформаторов следует учитывать не только их эффективность, но и:

• потеря без нагрузки;

• потеря нагрузки;

• дополнительные потери, связанные с гармонией;

• Ожидаемые ежегодные рабочие часы;

• типичные и пиковые условия загрузки.

Трансформатор с чуть более высокой первоначальной покупной ценой может иметь более низкую общую стоимость владения, если его потери постоянно ниже в течение многих лет.

Потери трансформатора также должны рассматриваться как часть нагрузки на охлаждение центра обработки данных. Почти все электрические потери в конечном итоге становятся теплом, которое должно быть удалено системой охлаждения здания. Таким образом, снижение потерь трансформатора может обеспечить вторичную энергосберегающую преимущество, помимо электроэнергии, непосредственно потребляемой трансформатором.

6. Выберите импеданс короткого замыкания в качестве параметра системы

Импеданс короткого замыкания является еще одним параметром, который должен быть определен в рамках общей конструкции электрической системы.

Более высокий импеданс трансформатора, как правило, снижает доступный ток короткого замыкания на вторичной стороне. Это может помочь снизить требуемую выдержку короткого замыкания и перерывные номиналы нижнего оборудования. Однако чрезмерное импеданс может увеличить падение напряжения и может повлиять на чувствительные нагрузки или большие условия запуска двигателя и системы охлаждения.

Более низкий импеданс обеспечивает лучшее регулирование напряжения, но может привести к более высокому току неисправности. Поэтому окончательное импеданс должно быть скоординировано с уровнем неисправности коммунальной службы, мощностью трансформатора, номинальными переключателями, способностью выдерживать шину, настройками защиты и допустимым падением напряжения.

Для приложений в центрах обработки данных правильный вопрос не в том, должен ли трансформатор иметь «высокий» или «низкий» импеданс. Правильный вопрос заключается в том, подходит ли его импеданс для всей системы распределения.

7. Обратите внимание на охлаждение, повышение температуры и вентиляцию

Сама трансформаторная комната является частью тепловой конструкции.

Трансформаторы сухого типа могут использовать естественное воздушное охлаждение или принудительное воздушное охлаждение. Когда вентиляторы используются для получения дополнительной мощности, конструкция должна четко различать между номинальным естественным охлаждением и номинальным воздухом. Необходимо также учитывать сигналы предупреждения сбоя вентилятора и надлежащий мониторинг, когда более высокая номинальная способность имеет важное значение для мощности системы.

Вентиляция не менее важна. Потери трансформатора преобразуются в тепло, а недостаточная вентиляция может увеличить фактическую температуру окружающей среды вокруг трансформатора и уменьшить его тепловую маржу.

Поэтому в конструкции следует учитывать максимальную температуру окружающей среды, высоту установки, емкость вентиляции, расположение корпуса, требование к повышению температуры и доступное пространство для установки.

Для центров обработки данных высокой плотности эти факторы могут быть столь же важны, как и номинальный номинальный кВА.

8. Рассмотрите требования к шуму и защите

Шум трансформатора обычно не является первой проблемой, рассматриваемой при проектировании электрических центров обработки данных, но он может стать важным, когда трансформаторы устанавливаются вблизи занятых районов или чувствительных пространств оборудования.

Поэтому в спецификации проекта должны быть определены приемлемые уровни звука, когда это необходимо.

Другие требования к установке могут включать защиту корпуса, противопожарные характеристики, условия окружающей среды, сейсмические требования, влажность, высоту и мониторинг. Трансформатор должен быть спроектирован для фактической среды установки, а не выбран только из стандартного каталога.

9. Тематическое исследование 1: 300 кВт Edge Data Center

Рассмотрим небольшой или средний центр обработки данных с ИТ-нагрузкой 300 кВт. Объект использует оборудование для охлаждения с переменной частотой и архитектуру N+1.

Предположим, что PUE конструкции составляет 1,30, а ожидаемый коэффициент мощности составляет 0,95.

Оценочная общая мощность объекта составляет:

300 × 1,30 = 390 кВт

Соответствующая видимая мощность примерно:

390 / 0,95 = 411 kVA

Согласно этим предположениям, сухой трансформатор 500 kVA обеспечивает разумную рабочую маржу. Однако его пригодность по-прежнему должна быть подтверждена в свете непредвиденного требования N+1, гармонического спектра, температуры окружающей среды, будущего плана расширения и уровня короткого замыкания.

Если проект имеет значительную нелинейную нагрузку, то трансформатор не следует выбирать только на основе знака 500 kVA. Инженерная группа должна рассмотреть THDi и гармонический спектр и определить, необходима ли дополнительная гармоническая тепловая способность или конструкция с номинальным K-фактором.

Такой подход обеспечивает лучшее равновесие между первоначальными инвестициями, эксплуатационной эффективностью, тепловыми характеристиками и будущей мощностью, чем просто применение фиксированного процента свободной мощности.

10. Тематическое исследование 2: 160 MVA Вычислительный центр высокой плотности

Большомасштабный вычислительный центр с установленной мощностью примерно 160 MVA представляет собой совершенно другую задачу проектирования.

В этом масштабе выбор трансформатора тесно связан с архитектурой распределения среднего напряжения, уровнями неисправности, философией избыточности, целями эффективности и физическим зонированием объекта. Вместо того, чтобы рассматривать всю установку как одну нагрузку трансформатора, система питания может быть разделена на несколько групп трансформаторов, обслуживающих различные электрические зоны.

Спецификация трансформатора должна быть оптимизирована вокруг нескольких параметров, включая низкие потери без нагрузки и нагрузки, соответствующую импедансию короткого замыкания, гармоничные тепловые характеристики, метод охлаждения и требования к избыточности.

Для 24/7 объекта с долгим ожидаемым сроком эксплуатации стоимость жизненного цикла может быть более важной, чем первоначальная цена покупки трансформатора. Сравнение жизненного цикла должно включать стоимость покупки трансформатора, ежегодные потери энергии, тарифы на электроэнергию, ожидаемый профиль нагрузки, расходы на обслуживание, воздействие охлаждения и ожидаемый срок службы.

Если проект претендует на определенную экономию жизненного цикла, такую как снижение на 14% общей стоимости владения за 20 лет, этот показатель должен быть подкреплен фактическим профилем нагрузки проекта, ценой на электроэнергию, данными о потерях трансформатора, рабочими часами и базовой конфигурацией. Без этих ресурсов фиксированная процентная экономия не должна представляться в качестве общего отраслевого вывода.

11. Практический процесс отбора

Для нового проекта центра обработки данных выбор трансформатора может осуществляться в логической последовательности.

Во-первых, определите нынешнюю и будущую нагрузку ИТ и установите ожидаемую PUE. Затем рассчитайте общую нагрузку объекта и преобразуйте ее в видимую мощность с помощью конструктивного коэффициента мощности.

Затем определите архитектуру избыточности и проверите мощность трансформатора при необходимых сценариях сбоя и обслуживания. После этого анализируйте нелинейную нагрузку и гармоничный спектр, чтобы определить, необходима ли стандартная термическая конструкция, способность K-фактора или дополнительная гармоническая деградация.

Затем инженер должен оценить потери без нагрузки, потери нагрузки, требования к охлаждению, повышение температуры, импеданс короткого замыкания и условия установки. Наконец, выбранный трансформатор должен быть проверен в соответствии с применимыми электрическими стандартами, пожарными и строительными требованиями, координацией защиты и целями затрат на жизненный цикл проекта.

Этот процесс позволяет избежать одной из наиболее распространенных ошибок при выборе трансформатора в центре обработки данных: выбор трансформатора на основе только кВА.

Вывод

Выбор трансформатора для центра обработки данных требует больше, чем соответствие номинальной нагрузки трансформатора текущей нагрузке. Конструкция должна учитывать полную нагрузку объекта, характеристики UPS и нелинейной нагрузки, гармонические токи, архитектуру избыточности, требования к короткому замыканию, условия охлаждения, потери энергии и будущее расширение.

Трансформаторы сухого типа часто являются практическим решением для распределения внутренних центров обработки данных из-за их конструкции без масла и преимуществ пожарной безопасности, но окончательный тип трансформатора всегда должен определяться условиями установки и системными требованиями.

Для небольших центров обработки данных приоритетом может быть достижение надлежащего баланса между мощностью, гармоничной производительностью, стоимостью и будущим расширением. Для крупномасштабных вычислительных установок потребление энергии в жизненном цикле, архитектура среднего напряжения, избыточность, управление неисправным током и производительность потерь трансформатора становятся все более важными.

Поэтому самый надежный подход заключается в том, чтобы рассматривать трансформатор как часть полной электрической системы центра обработки данных, а не как изолированную часть оборудования. Правильно выбранный трансформатор может повысить надежность энергосистемы, снизить долгосрочное потребление энергии, упростить управление теплом и обеспечить достаточную мощность для будущего роста центра обработки данных.

Компания Youth Transformer Co.,Ltd.