Введение в технологию трансформаторов для центров обработки данных

По мере того, как искусственный интеллект (ИИ) меняет цифровой ландшафт, физическая инфраструктура, поддерживающая эти вычисления, испытывает беспрецедентное давление. Краеугольным камнем любого высокопроизводительного центра обработки данных является его система распределения электроэнергии. Компания Visio Electric специализируется на производстве критически важного оборудования для преобразования напряжения, в частности, масляных и сухих трансформаторов, обеспечивающих стабильную и эффективную подачу электроэнергии к чувствительным серверным стойкам. Выбор этих технологий — это не только вопрос преобразования напряжения, но и вопрос баланса между тепловым регулированием, соответствием требованиям безопасности и операционной эффективностью.

Что такое трансформатор с масляным охлаждением?

Трансформаторы с масляным охлаждением (например, серии S11 и S13) используют изоляционное масло для охлаждения и обеспечения диэлектрической прочности. Сердечник и обмотки полностью погружены в ванну с минеральным маслом в герметичном резервуаре. Такая конструкция обеспечивает превосходное рассеивание тепла, позволяя оборудованию эффективно выдерживать высокие перегрузки.

• Механизм охлаждения: Жидкое масло циркулирует и отводит тепло от внутренних частей оборудования.

• Конструктивные особенности: Используется полностью герметичный гофрированный масляный бак или расширительный масляный бак для предотвращения старения масла и изоляции изоляции от воздействия атмосферной влаги.

• Основные области применения: Из-за воспламеняемости масла его обычно устанавливают на наружных подстанциях или в специально оборудованных огнестойких помещениях.

Что такое трансформатор сухого типа?

Сухие трансформаторы, представленные сериями SCB10, SCB11 и SCB13, полностью исключают использование жидкого охлаждения. Их обмотки герметизируются эпоксидной смолой (литьевой смолой) в вакуумных условиях, образуя надежную влагонепроницаемую изоляционную систему, которая также обладает самозатухающими и огнестойкими свойствами.

• Изоляционные характеристики: Технология литья из эпоксидной смолы класса F обеспечивает высокую диэлектрическую прочность и устойчивость к короткому замыканию.

• Функции безопасности: Экологически чистый и пожаробезопасный, что делает его стандартной конфигурацией для установки внутри помещений, в серверных комнатах центров обработки данных.

• Требования к техническому обслуживанию: Нет необходимости контролировать или менять жидкости, чрезвычайно низкий уровень технического обслуживания, что делает его особенно подходящим для высотных зданий или городских сооружений.

Постоянно растущая потребность в электроэнергии центров обработки данных, использующих искусственный интеллект

Для задач искусственного интеллекта (особенно для задач, связанных с большими языковыми моделями) требуется мощность, значительно превышающая мощность традиционных облачных вычислений. Стандартные серверные стойки потребляют примерно 5-10 кВт, в то время как специализированные стойки для ИИ могут потреблять от 50 до 100 кВт.

Такой резкий рост спроса требует от оборудования для распределения электроэнергии минимизировать энергопотребление и обеспечить стабильность системы.

• Технология с низкими потерями: компания Weixiu использует магнитные сердечники из высокопроницаемой кремниевой стали и аморфного сплава для эффективного снижения потерь холостого хода, что имеет решающее значение для вычислений в условиях любой погоды с применением искусственного интеллекта.

• Термостойкость: Оборудование должно выдерживать непрерывную работу при высоких нагрузках без перегрева.

• Надежность: простои недопустимы; наши трансформаторы проходят тщательное тестирование для обеспечения стабильного качества электропитания для чувствительных графических процессоров и TPU.

Основные различия между трансформаторами с масляным охлаждением и трансформаторами сухого типа заключаются в механизме охлаждения и эффективности теплоотвода

В отличие от них, наши сухие трансформаторы серии SCB используют естественную конвекцию воздуха или системы принудительного воздушного охлаждения. Обмотки заключены в эпоксидную смолу, что позволяет теплу излучаться непосредственно в окружающий воздух. Хотя масло обычно обеспечивает более высокую эффективность охлаждения на единицу объема, наша конструкция сухого типа оптимизирована для использования внутри помещений из-за рисков для безопасности, связанных с жидкостным охлаждением.

Изоляционные материалы и допустимая нагрузка

Для наших сухих трансформаторов мы используем твердую изоляцию класса F из эпоксидной смолы. Этот процесс литья делает обмотки влагостойкими, огнестойкими и высокоустойчивыми к коротким замыканиям. Поскольку в них не используются легковоспламеняющиеся жидкости, сухие трансформаторы являются предпочтительным выбором для внутренних установок рядом с серверами и чувствительным электронным оборудованием.

Физические размеры и требования к пространству

Оптимизация пространства имеет решающее значение для архитектуры центров обработки данных. Сухие трансформаторы, как правило, занимают меньше места, поскольку не требуют масляных баков, противопожарных перегородок или сложных систем пожаротушения. Это позволяет устанавливать их непосредственно внутри здания, часто в тесной интеграции с внутренними металлическими распределительными устройствами среднего напряжения KYN28-12, образуя компактный центр распределения электроэнергии.

Производительность и надежность в средах с интенсивным использованием ИИ

Энергоэффективность и эксплуатационные потери

В высокорискованной области вычислений с использованием искусственного интеллекта серверы работают круглосуточно, а это значит, что каждый потерянный ватт энергии увеличивает эксплуатационные расходы. Мы уделяем большое внимание энергоэффективности, используя в нашем производственном процессе листы из высокопроницаемой кремниевой стали и сердечники из аморфных сплавов.

• Устройства с масляным охлаждением (серии S11/S13): Эти устройства, как правило, обладают превосходными характеристиками теплоотвода, что снижает потери холостого хода при наружной установке.

• Сухой тип (серия SCB): Хотя традиционно рабочая температура несколько выше, наша современная конструкция для литья в эпоксидную смолу оптимизирована для минимизации утечки флюса и потерь сопротивления.

Для центров обработки данных выбор трансформаторов с низкими потерями имеет решающее значение для снижения коэффициента эффективности использования энергии (PUE).

Перегрузочная способность и управление нагрузкой

Нагрузки, связанные с искусственным интеллектом, могут быть непредсказуемыми, что приводит к внезапным скачкам спроса на электроэнергию. Способность трансформатора выдерживать такие скачки без поломок определяется его нагрузочной способностью и тепловой инерцией.

• Тепловой буфер: Наши трансформаторы с масляным охлаждением, как правило, обладают большей перегрузочной способностью, поскольку изоляционное масло выступает в качестве важного теплового буфера, поглощая избыточное тепло в кратковременные пиковые периоды.

• Устойчивость к короткому замыканию: В наших сухих трансформаторах для внутреннего применения используется передовая технология намотки, обеспечивающая высокую механическую прочность и устойчивость к короткому замыканию.

Понимание того, какие типы низковольтных трансформаторов подходят для вашей конкретной архитектуры распределения электроэнергии, имеет решающее значение для балансировки нагрузок с требованиями безопасности.

Срок службы и долговечность при постоянной нагрузке

Центрам обработки данных необходима инфраструктура, которая может использоваться десятилетиями, а не всего несколько лет. Стоимость жизненного цикла трансформатора во многом зависит от его способности выдерживать воздействие окружающей среды и старение.

• Маслозащита: В нашем оборудовании с масляным охлаждением используется полностью закрытый гофрированный масляный бак. Такая конструкция изолирует масло от атмосферы, предотвращая проникновение влаги и старение масла, что значительно продлевает срок его службы.

• Долговечность смолы: В нашем оборудовании сухого типа используется изоляция класса F и литье из эпоксидной смолы. Это делает его влагостойким и обладает высокой устойчивостью к растрескиванию, обеспечивая надежную работу даже во влажных или пыльных условиях.

Обе технологии проходят тщательную антикоррозионную обработку поверхности для обеспечения сохранения структурной целостности при непрерывных электрических нагрузках высокой плотности.

Безопасность и соответствие экологическим нормам объектов центров обработки данных

Правила пожарной безопасности и установки внутри помещений

Для центров обработки данных, использующих искусственный интеллект и расположенных в высотных зданиях или густонаселенных городских центрах, пожарная безопасность является первостепенной задачей. Наши сухие трансформаторы серии SCB являются стандартным выбором для таких условий, поскольку они имеют литую смоляную изоляцию. Эта конструкция из эпоксидной смолы огнестойка, самозатухает и взрывозащищена, что позволяет безопасно устанавливать их непосредственно рядом с центром нагрузки без необходимости создания сложного противопожарного помещения.В отличие от них, в трансформаторах с масляным охлаждением в качестве охлаждающей жидкости используется минеральное масло, которое является легковоспламеняющимся. Хотя это обеспечивает отличное охлаждение, это создает риск возгорания, что обычно ограничивает использование такого оборудования наружными подстанциями или требует размещения в отдельном огнеупорном помещении. Для предприятий, уделяющих первостепенное внимание максимальной безопасности и упрощению соблюдения строительных норм, сухие конфигурации гораздо проще получить разрешения и установить.

Воздействие на окружающую среду и риск утечки жидкости

Экологическая ответственность является ключевым фактором в современных центрах обработки данных. Одной из главных проблем оборудования, заполненного жидкостью, является риск разливов масла. В случае разрыва резервуара минеральное масло может загрязнить почву и грунтовые воды, что приведет к дорогостоящей очистке и штрафам со стороны регулирующих органов. Мы решаем эту проблему с помощью наших серий S11 и S13, используя полностью закрытые гофрированные резервуары, которые предотвращают утечки и изолируют масло от воздуха, предотвращая его старение, но присущие работе с жидкостями риски сохраняются.Сухие трансформаторы исключают риск утечки жидкости. Благодаря воздушному охлаждению и твердой изоляции, в них нет токсичных жидкостей, которые необходимо контролировать, отслеживать или обрабатывать. Это делает их «зеленым» решением, идеально соответствующим целям устойчивого развития экологически чистых центров обработки данных, устраняя необходимость в резервуарах для сбора масла или специализированной инфраструктуре для контроля разливов.

Стандарты переработки и устойчивого развития

Мы сосредоточены на производстве оборудования, которое обеспечивает долгосрочную устойчивость за счет использования долговечных материалов и энергоэффективных конструкций. Оба типа трансформаторов используют сердечники из высокопроницаемой кремниевой стали или аморфных сплавов для снижения потерь энергии, но их утилизация после окончания срока службы различается. Оборудование сухого типа, как правило, проще в переработке, поскольку не требует процессов обработки опасных отходов, связанных с вентиляцией и обращением с трансформаторным маслом.Для обеспечения высочайшего уровня безопасности и бесперебойной работы экологически чистых объектов крайне важно использовать трансформаторы в паре с надежными защитными устройствами. Интеграция высококачественных внутренних вакуумных выключателей в распределительные устройства обеспечивает необходимую защиту от неисправностей, сохраняя при этом огнестойкость и безмасляность внутренней системы распределения электроэнергии.

Требования к техническому обслуживанию и эксплуатации

Для центров обработки данных, использующих искусственный интеллект, простои недопустимы. Выбор между масляными и сухими трансформаторами существенно влияет на требования к техническому обслуживанию и непрерывность работы вашего объекта. В компании Weisho мы проектируем наше оборудование для распределения электроэнергии таким образом, чтобы минимизировать перебои в подаче электроэнергии, но физические свойства изоляции определяют график технического обслуживания.

Стандартные процедуры проверки и испытаний

Объем работ по техническому обслуживанию существенно различается для двух технологий. Трансформаторы с масляным охлаждением (такие как наши серии S11 и S13) требуют регулярного контроля уровня жидкой изоляции. Операторы должны проверять уровень масла, осматривать устройство на наличие утечек и периодически измерять диэлектрическую прочность масла, чтобы убедиться, что оно не ухудшилось из-за влаги или старения. Хотя наша полностью закрытая конструкция гофрированного бака значительно снижает контакт масла с воздухом, визуальный осмотр по-прежнему необходим для предотвращения опасностей для окружающей среды.В отличие от них, сухие трансформаторы (серия SCB) часто позиционируются как «не требующие обслуживания». Поскольку в них используется смоляная изоляция вместо масла, нет необходимости контролировать или заменять жидкость. Основная задача обслуживания — поддержание оборудования в чистоте. В центрах обработки данных с высокой интенсивностью трафика скопление пыли на обмотках может препятствовать рассеиванию тепла, поэтому для поддержания оптимальной эффективности охлаждения требуется регулярная вакуумная очистка или очистка сжатым воздухом.

Удобство технического обслуживания и замены компонентов

При возникновении неисправности сухие трансформаторы обычно обеспечивают более быстрое устранение мелких проблем. Поскольку обмотки затвердевают под воздействием эпоксидной смолы, они прочны и легкодоступны. Однако, если происходит внутреннее повреждение обмоток, ремонт часто включает замену всей катушки или всего устройства, поскольку затвердевшая смола затрудняет разборку и ремонт.Оборудование, работающее в масляной среде, представляет собой более сложную задачу технического обслуживания. Любая внутренняя проверка требует слива масла и вскрытия герметичного резервуара, что является грязным и трудоемким процессом. Однако обмотки оборудования, работающего в масляной среде, не являются цельными, что позволяет проводить обычное перематывание, если есть доступ к резервуару. Для критически важной инфраструктуры многие руководители объектов предпочитают модульную конструкцию сборной трансформаторной подстанции YB, которая позволяет быстро заменять весь трансформаторный модуль для немедленного восстановления электроснабжения, а также проводить техническое обслуживание неисправного оборудования в автономном режиме.

Дистанционный мониторинг и интеграция в интеллектуальные энергосети

Современные центры обработки данных для ИИ требуют мониторинга качества электроэнергии в режиме реального времени. Как наши установки с масляным охлаждением, так и установки сухого типа могут быть оснащены интеллектуальными датчиками, но параметры, которые они контролируют, различаются.

• Сухой контроль: основное внимание уделяется контролю температуры обмотки. Из-за низкой тепловой инерции оборудования сухого типа оно быстрее нагревается при резких нагрузках на вычисления в системах искусственного интеллекта. Мы устанавливаем датчик PT100 непосредственно в низковольтную обмотку; при превышении предельного значения он немедленно запускает вентиляторное охлаждение или подает сигнал тревоги.

• Мониторинг погружения в масло: отслеживает температуру масла, внутреннее давление и уровень масла. Расширенные настройки также позволяют отслеживать растворенные в масле газы для прогнозирования отказов до того, как изоляция начнет разрушаться.

Интеграция этих датчиков в вашу систему управления зданием (BMS) может снизить эксплуатационные расходы за счет перехода от реактивного обслуживания к прогнозируемому, обеспечивая бесперебойную работу вашей вычислительной инфраструктуры в случае неожиданных простоев.

Анализ затрат: первоначальные инвестиции и общая стоимость владения (TCO)

Когда мы обсуждаем планирование энергетической инфраструктуры с операторами центров обработки данных, разговор всегда смещается от технических характеристик к конечному результату. Выбор между масляными и сухими трансформаторами — это не просто вопрос первоначальной цены; это сложный анализ затрат и выгод с точки зрения установки, обслуживания и энергоэффективности на протяжении десятилетий.

Первоначальные затраты на покупку и установку

Строго говоря, трансформаторы с масляным охлаждением (например, наши серии S11 и S13) обычно более экономичны с точки зрения закупочной цены. Технологический процесс производства оборудования с масляным охлаждением отработан, а используемые материалы экономически выгодны. В отличие от них, трансформаторы сухого типа (серия SCB) имеют более высокую первоначальную цену из-за необходимости дорогостоящего литья из эпоксидной смолы и технологии вакуумной пропитки изоляции под давлением.Однако стоимость установки различается. Для систем с масляным охлаждением внутри помещений требуются дорогостоящие системы пожаротушения, фундаменты для сбора масла (для предотвращения утечек) и огнестойкие шкафы. Системы сухого типа могут быть установлены непосредственно рядом с нагрузкой, что исключает необходимость в этих дорогостоящих строительных работах. При развертывании наружной инфраструктуры интеграция систем с масляным охлаждением в сборные подстанции в США, Европе или Китае может быть экономичным способом организации наружной инфраструктуры, но для внутренних помещений центров обработки данных с искусственным интеллектом системы сухого типа могут значительно снизить затраты на установку.

Долгосрочные затраты на техническое обслуживание и страхование

Операционные расходы (OPEX) — это область, где затраты на протяжении всего жизненного цикла существенно различаются.

• Техническое обслуживание с погружением в масло: требует регулярного отбора проб масла, проверки диэлектрической прочности и, возможно, фильтрации для предотвращения образования осадка. Также существует риск старения уплотнений и их протечек со временем.

• Сухое обслуживание: практически не требует обслуживания. В основном требуется периодическая очистка воздуховода от пыли для обеспечения надлежащего отвода тепла.

Страхование — еще один скрытый фактор затрат. Благодаря своим огнестойким и самозатухающим свойствам, трансформаторы сухого типа с литым корпусом обычно подлежат более низким страховым тарифам, чем оборудование с масляным охлаждением, которое подвержено более высокому риску возгорания в условиях высокой плотности населения.

Сравнение энергосбережения и ценности жизни

Для круглосуточно работающих центров обработки данных, использующих искусственный интеллект, энергоэффективность является важнейшим фактором, определяющим общую стоимость владения (TCO). В компании Weisho мы используем высокопроницаемую кремниевую сталь и сердечники из аморфных сплавов в обоих типах трансформаторов, чтобы минимизировать потери. Хотя современное оборудование с масляным охлаждением обеспечивает отличную теплопроводность, его эксплуатационные расходы могут быть ниже благодаря уменьшенной длине низковольтных кабелей в сухих трансформаторах, расположенных близко к серверным стойкам (что снижает потери I²R).

Ниже приведён краткий обзор финансовых последствий:

В конечном итоге, если ваше предприятие располагает достаточным внешним пространством, то трансформаторы с масляным охлаждением обеспечивают наилучшее соотношение цены и качества. Для центров обработки искусственного интеллекта с высокой плотностью размещения оборудования внутри помещений пространство и безопасность являются критически важными факторами, и, несмотря на более высокие первоначальные затраты, трансформаторы сухого типа обеспечивают более длительный срок службы.

Какой вариант лучше подходит для распределения электроэнергии в центрах обработки данных, использующих искусственный интеллект?

• Пожарная безопасность: Наша изоляция из эпоксидной смолы огнестойка и самозатухает. Это исключает риск распространения огня на дорогостоящие кластеры видеокарт.

• Техническое обслуживание: не требуется осмотр или замена масла, что приводит к крайне низким требованиям к техническому обслуживанию и сокращению времени простоя при круглосуточной работе.

• Экологические характеристики: нулевой риск протечек, что соответствует строгим нормам по поддержанию комфортной микроклимата в помещениях.

Если для вас приоритетом является внутренняя установка в высотных зданиях или торговых центрах, и безопасность имеет первостепенное значение, то сухой монтаж является отраслевым стандартом.

Когда трансформаторы с масляным охлаждением станут более практичными

Маслонагревательные трансформаторы (серии S11 и S13) остаются основным источником питания для наружных подстанций и крупных объектов электроснабжения. Эти устройства обладают значительными преимуществами с точки зрения экономичности и управления тепловым режимом, если у вас есть специально оборудованное наружное помещение или достаточно места на открытом воздухе.

• Эффективность охлаждения: Изоляционное масло обеспечивает превосходное рассеивание тепла, позволяя этим устройствам выдерживать более высокие перегрузки, характерные для колебаний в электросети.

• Долговечность: Полностью закрытая конструкция резервуара из гофрированного металла предотвращает старение масла и более устойчива к суровым условиям окружающей среды, чем оборудование с открытыми стенками.

• Стоимость: При одинаковой мощности оборудование с масляным охлаждением, как правило, имеет более низкую первоначальную стоимость, чем аналоги, изготовленные с использованием смоляного литья.

При установке этих устройств на открытом воздухе крайне важно учитывать функции безопасности распределительного трансформатора, чтобы защитить критически важную инфраструктуру от несанкционированного вмешательства и обеспечить общественную безопасность.

Гибридные решения для крупномасштабной инфраструктуры искусственного интеллекта

Для большинства гипермасштабных центров обработки данных, использующих искусственный интеллект, мы рекомендуем гибридный подход. Эта стратегия использует преимущества обеих технологий для оптимизации общей стоимости владения (TCO) и операционной стабильности.

Рекомендуемая стратегия развертывания:

Размещая надежное оборудование с масляным охлаждением на открытом воздухе для интенсивной обработки и безопасное оборудование сухого типа внутри помещений рядом с перерабатывающим оборудованием, вы создадите электрораспределительную сеть, которая будет одновременно экономичной и технически безопасной.

Контрольный список для отбора инженера центра обработки данных

Выбор правильного оборудования для распределения электроэнергии имеет решающее значение для поддержания требуемого времени безотказной работы на уровне 99,999% для современных объектов, использующих искусственный интеллект. В компании Weisho мы помогаем инженерам пройти структурированный процесс оценки, чтобы гарантировать, что выбранные трансформаторы соответствуют текущим эксплуатационным потребностям и учитывают планы будущего расширения.

Оценить удельную мощность и инфраструктуру охлаждения

Нагрузки, связанные с искусственным интеллектом, генерируют значительные скачки температуры, что требует трансформаторов, способных выдерживать быстрые изменения нагрузки без перегрева. Выбор между масляными и сухими трансформаторами обычно зависит от существующей системы охлаждения вашего предприятия и имеющегося пространства.

• Внутреннее охлаждение: Если в вашем помещении используется принудительное воздушное или жидкостное охлаждение серверов в ограниченном пространстве, наши сухие трансформаторы серии SCB идеально подойдут. Они используют естественную конвекцию воздуха и могут быть легко интегрированы во внутреннюю планировку без необходимости сложных систем пожаротушения.

• Наружное охлаждение: Для блоков питания, расположенных вне главного вестибюля центра обработки данных, блоки с масляным охлаждением (например, наша серия S13) обеспечивают превосходное управление тепловым режимом. Изолирующее масло, выступая в качестве высокоэффективного охлаждающего агента, позволяет этим блокам справляться с более высокими нагрузками при меньших габаритах, чем аналогичные блоки с воздушным охлаждением.

Оценить местные правила техники безопасности и их соблюдение

Соответствие нормативным требованиям определяет целесообразность вашей установки. Правила техники безопасности устанавливают строгие предпочтения в отношении конкретных методов изоляции в зависимости от расстояния между персоналом и средствами защиты.

• Правила пожарной безопасности: Для внутренних установок, особенно в многоэтажных центрах обработки данных или городских центрах, правила пожарной безопасности обычно требуют использования огнестойкого оборудования. Наши трансформаторы, изготовленные методом литья из смолы, являются самозатухающими, не представляют пожарной опасности и соответствуют строгим стандартам безопасности.

• Экологические стандарты: При установке на открытом воздухе необходимо учитывать воздействие на окружающую среду. Хотя оборудование, работающее в масляной среде, обладает высокой эффективностью, для предотвращения утечек масла требуется маслосборная яма.

• Процедуры технического обслуживания: Соответствие требованиям также включает долгосрочное техническое обслуживание. Разработайте четкие процедуры поиска и устранения неисправностей распределительных трансформаторов, чтобы гарантировать, что выбранный вами тип трансформатора будет соответствовать требованиям безопасности на протяжении всего срока службы.

Планирование будущей масштабируемости аппаратного обеспечения для искусственного интеллекта

Аппаратное обеспечение для искусственного интеллекта развивается стремительно, требования к плотности мощности, как правило, удваиваются каждые несколько лет. Установленная сегодня инфраструктура должна быть способна выдерживать номинальные напряжения и нагрузочные нагрузки будущих кластеров графических процессоров.

• Запас по перегрузке: Мы рекомендуем выбирать трансформаторы с высокой перегрузочной способностью. В нашей конструкции используется высокопроницаемая кремнистая сталь, что обеспечивает стабильность даже при работе выше номинальной мощности в пиковые периоды обработки.

• Модульная компоновка: Учитывайте занимаемую площадь. Сухие трансформаторы, как правило, больше по размеру, но их проще устанавливать в модульных блоках внутри помещений. Масляные трансформаторы более компактны, но их сложнее перемещать после установки.

• Рейтинг эффективности: Приоритет отдается конструкциям с низкими потерями (например, сердечникам из аморфных сплавов) для снижения затрат на протяжении всего жизненного цикла. Энергоэффективность напрямую влияет на общую стоимость владения (TCO) по мере роста спроса на электроэнергию.

Дополнительные ресурсы

https://www.vertiv.com/en-us/solutions/data-center-solutions/ai-data-center-solutions/.

https://www.datacenterfrontier.com/power/article/33018241/the-ai-power-surge-is-driving-new-infrastructure-designs

https://www.eaton.com/us/en-us/products/transformers/dry-type-vs-liquid-filled-transformers.html