Rechenzentren gehören zu den anspruchsvollsten Bereichen der elektrischen Energieversorgung. Server, Speicher, Netzwerktechnik und Kühlsysteme müssen zuverlässig mit elektrischer Energie versorgt werden. Bereits kurze Unterbrechungen können bei kritischen Anwendungen erhebliche Auswirkungen haben. Deshalb kommt der Planung der elektrischen Infrastruktur eine besonders hohe Bedeutung zu.

Ein Mittelspannungstransformator im Rechenzentrum bildet eine zentrale Schnittstelle zwischen dem Mittelspannungsnetz und der nachgelagerten Niederspannungsverteilung. Er übernimmt die Umwandlung der Netzspannung auf die für die weitere Stromversorgung benötigte Spannungsebene.

Bei der Auswahl müssen jedoch wesentlich mehr Faktoren berücksichtigt werden als nur die gewünschte Leistung. Spannungsebene, Lastprofil, Wirkungsgrad, Kühlung, Kurzschlussbedingungen, Aufstellungsort, Schutztechnik und Redundanzkonzept müssen miteinander abgestimmt werden.

Besonders bei modernen Rechenzentren mit hohen Leistungsdichten und zunehmendem Einsatz von künstlicher Intelligenz wird eine sorgfältige Transformatorplanung immer wichtiger.

Die Aufgabe eines Mittelspannungstransformators im Rechenzentrum

Der Mittelspannungstransformator übernimmt die elektrische Spannungsumwandlung zwischen dem Netzanschluss und der internen Energieverteilung.

Das Mittelspannungsnetz kann beispielsweise mit 10 kV, 20 kV oder einer anderen Spannung betrieben werden. Der Transformator reduziert diese Spannung auf eine für die nachgelagerte Versorgung geeignete Niederspannung.

Von dort aus wird die elektrische Energie über Hauptverteilungen, Unterverteilungen, USV Systeme und weitere Komponenten zu den einzelnen Verbrauchern geführt.

Der Transformator ist deshalb kein isoliertes Bauteil. Seine Auslegung muss mit der gesamten elektrischen Architektur des Rechenzentrums abgestimmt werden.

Warum die richtige Planung entscheidend ist

Ein Rechenzentrum benötigt eine Energieversorgung, die auch unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen zuverlässig funktioniert.

Dabei müssen mehrere Situationen betrachtet werden. Dazu gehören der normale Betrieb, maximale Auslastung, Wartungsarbeiten, Ausfälle einzelner Komponenten und zukünftige Erweiterungen.

Eine zu knapp dimensionierte Transformatoranlage kann spätere Erweiterungen erschweren. Eine unnötig große Anlage kann dagegen höhere Investitionskosten und unter bestimmten Betriebsbedingungen ungünstige Auslastungen verursachen.

Eine ausgewogene Planung schafft deshalb die Grundlage für einen zuverlässigen und wirtschaftlichen Betrieb.

Schritt 1: Den aktuellen Energiebedarf ermitteln

Die erste Aufgabe besteht darin, den aktuellen Leistungsbedarf des Rechenzentrums möglichst genau zu bestimmen.

Dabei reicht es nicht aus, ausschließlich die Serverleistung zu betrachten. Auch die technische Infrastruktur benötigt elektrische Energie. Ein passender Mittelspannungstransformator Rechenzentrum lässt sich entsprechend den Anforderungen an Leistung, Effizienz und Versorgungssicherheit planen.

Berücksichtigt werden sollten unter anderem:

Server

Speichersysteme

Netzwerkkomponenten

KI und Hochleistungsrechner

Kühlsysteme

Klimatisierung

Pumpen

Lüftung

USV Systeme

Beleuchtung

Sicherheitstechnik

Gebäudeautomation

Weitere technische Verbraucher

Aus der Zusammenstellung ergibt sich die Grundlage für die weitere Transformatorauslegung.

Schritt 2: Zukünftige Leistung berücksichtigen

Die Planung sollte nicht ausschließlich auf dem heutigen Energiebedarf basieren.

Rechenzentren werden häufig über längere Zeiträume betrieben und können schrittweise erweitert werden. Zusätzliche Server, neue IT Technologien oder höhere Leistungsdichten können den Energiebedarf verändern.

Besonders bei KI Anwendungen kann die benötigte elektrische Leistung deutlich steigen.

Deshalb sollte bereits bei der Planung geprüft werden, welche Leistungsreserven sinnvoll sind.

Eine mögliche Strategie besteht darin, zusätzliche Transformatorleistung vorzusehen oder die Infrastruktur modular aufzubauen.

Schritt 3: Die richtige Mittelspannung bestimmen

Die Primärspannung des Mittelspannungstransformators muss zum Netzanschluss passen.

Je nach Projekt können beispielsweise 10 kV oder 20 kV relevant sein.

Ein 20 kV Transformator für ein Rechenzentrum wird beispielsweise eingesetzt, wenn die entsprechende Mittelspannung am Netzanschlusspunkt zur Verfügung steht.

Die konkrete Spannung muss anhand der Netzbedingungen und der technischen Anforderungen des Projekts festgelegt werden.

Auch die Mittelspannungsschaltanlage muss auf den Transformator abgestimmt werden.

Schritt 4: Sekundärspannung festlegen

Auf der Sekundärseite des Transformators wird die Spannung für die Niederspannungsverteilung bereitgestellt.

Die Ausgangsspannung muss zur nachgeschalteten Infrastruktur passen.

Dazu gehören beispielsweise Niederspannungshauptverteilungen, Unterverteilungen und USV Systeme.

Die Abstimmung von Transformator und Verteilung ist wichtig, damit die gesamte elektrische Anlage als zusammenhängendes System funktioniert.

Schritt 5: Die erforderliche Transformatorleistung berechnen

Die Leistung eines Transformators wird typischerweise in kVA oder MVA angegeben.

Die erforderliche Leistung hängt vom Gesamtbedarf des Rechenzentrums und vom gewählten Versorgungskonzept ab.

Bei der Berechnung sollten die normale Dauerlast, mögliche Spitzenlasten, zukünftige Erweiterungen und die gewünschte Reserve berücksichtigt werden.

Bei größeren Rechenzentren kann es sinnvoll sein, die Gesamtleistung auf mehrere Transformatoren aufzuteilen.

Dadurch kann die Anlage modular aufgebaut und besser an unterschiedliche Lastsituationen angepasst werden.

Schritt 6: Das Lastprofil analysieren

Nicht alle Verbraucher haben denselben Energiebedarf.

Server können eine relativ konstante Last darstellen, während Kühlsysteme abhängig von Umgebungstemperatur und tatsächlicher IT Auslastung variieren können.

Auch moderne Rechenlasten können dynamische Veränderungen verursachen.

Deshalb sollte nicht nur die installierte Leistung betrachtet werden. Das tatsächliche Lastprofil liefert zusätzliche Informationen für die Transformatorauslegung.

Schritt 7: Die passende Transformatorbauart auswählen

Je nach Aufstellungsort und technischen Anforderungen kommen unterschiedliche Bauarten infrage.

Bei Innenaufstellungen können Trockentransformatoren beziehungsweise Gießharztransformatoren interessant sein.

Bei bestimmten Außenaufstellungen können ölgekühlte Transformatoren eingesetzt werden.

Die Entscheidung hängt unter anderem von Leistung, Platzverhältnissen, Kühlung, Brandschutz und den Anforderungen des jeweiligen Rechenzentrums ab.

Schritt 8: Kühlung und Wärmeabfuhr planen

Jeder Transformator erzeugt während des Betriebs Wärme.

Diese Wärme muss zuverlässig abgeführt werden.

Bei einem Trockentransformator spielt die Belüftung des Aufstellungsraums eine wichtige Rolle.

Der Transformatorraum muss ausreichend dimensioniert sein und über ein geeignetes Lüftungs- beziehungsweise Kühlungskonzept verfügen.

Eine unzureichende Wärmeabfuhr kann die thermische Belastung des Transformators erhöhen.

Schritt 9: Wirkungsgrad und Verluste berücksichtigen

Ein Rechenzentrum benötigt über viele Jahre große Mengen elektrischer Energie.

Deshalb können die Transformatorverluste über die gesamte Betriebsdauer wirtschaftlich relevant werden.

Bei der Auswahl sollten insbesondere Leerlaufverluste und lastabhängige Verluste betrachtet werden.

Eine effiziente Transformatorlösung kann dazu beitragen, unnötige Energieverluste zu reduzieren.

Für eine wirtschaftliche Entscheidung sollte deshalb nicht nur der Anschaffungspreis betrachtet werden. Auch die langfristigen Betriebskosten können relevant sein.

Schritt 10: Kurzschlussbedingungen analysieren

Die Kurzschlussspannung des Transformators beeinflusst die elektrischen Eigenschaften des nachgeschalteten Netzes.

Deshalb muss sie bei der Netzberechnung berücksichtigt werden.

Die erwarteten Kurzschlussströme müssen mit den technischen Eigenschaften der Schaltanlagen, Kabel und Verteilungen übereinstimmen.

Eine professionelle Planung betrachtet daher Transformator und Schaltanlage gemeinsam.

Schritt 11: Schutztechnik abstimmen

Der Transformator muss in ein umfassendes Schutzkonzept integriert werden.

Auf der Mittelspannungsseite können geeignete Schutzgeräte Fehler erkennen und die betroffene Einheit abschalten.

Auch die Niederspannungsseite benötigt entsprechende Schutz- und Schaltgeräte.

Das Ziel besteht darin, Fehler möglichst gezielt zu begrenzen und gleichzeitig die Verfügbarkeit der übrigen Versorgung aufrechtzuerhalten.

Schritt 12: Redundanzkonzept entwickeln

Die Redundanz ist bei Rechenzentren ein besonders wichtiger Planungsbereich.

Ein einzelner Transformator stellt einen potenziellen kritischen Punkt dar. Fällt er aus, kann ein erheblicher Teil der Stromversorgung betroffen sein.

Deshalb können mehrere Transformatoren eingesetzt werden.

Ein verbreitetes Konzept ist N plus 1. Dabei wird zusätzlich zur für den normalen Betrieb benötigten Kapazität eine weitere Reserve vorgesehen.

Je nach Verfügbarkeitsanforderung können auch getrennte Versorgungspfade geplant werden.

Schritt 13: Redundanz über den gesamten Strompfad betrachten

Mehrere Transformatoren allein garantieren keine vollständige Redundanz.

Auch Mittelspannungsschaltanlagen, Kabel, Niederspannungsverteilungen, USV Systeme und weitere Komponenten müssen berücksichtigt werden.

Wenn mehrere Transformatoren beispielsweise an einer einzigen kritischen Komponente zusammengeführt werden, kann diese weiterhin einen gemeinsamen Ausfallpunkt darstellen.

Eine zuverlässige Architektur betrachtet daher den gesamten Versorgungspfad.

Schritt 14: USV Systeme integrieren

Kritische IT Systeme werden häufig über unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme versorgt.

Die USV Systeme müssen hinsichtlich ihrer Leistung und Betriebsweise mit der elektrischen Infrastruktur abgestimmt werden.

Der Mittelspannungstransformator, die Niederspannungsverteilung und die USV bilden dabei aufeinander abgestimmte Teile des Energieversorgungssystems.

Auch mögliche Erweiterungen sollten berücksichtigt werden.

Schritt 15: Notstromversorgung berücksichtigen

Zusätzlich zur regulären Netzversorgung können Notstromsysteme eingesetzt werden.

Bei längeren Netzunterbrechungen können Notstromaggregate oder andere Systeme die Versorgung übernehmen.

Bei der Planung muss geprüft werden, welche Verbraucher im Notstrombetrieb versorgt werden müssen.

Neben den IT Systemen können insbesondere Kühlsysteme und weitere kritische technische Anlagen relevant sein.

Schritt 16: Brandschutz berücksichtigen

Der Brandschutz ist ein wichtiger Bestandteil der Transformatorplanung.

Bei der Auswahl müssen Transformatorbauart und Aufstellungsort berücksichtigt werden.

Trockentransformatoren können bei bestimmten Innenaufstellungen Vorteile bieten, da kein flüssiges Transformatorenöl als Isoliermedium benötigt wird.

Bei ölgekühlten Transformatoren müssen die spezifischen Anforderungen an die Aufstellung und das verwendete Isoliermedium berücksichtigt werden.

Schritt 17: Platzbedarf und Zugänglichkeit planen

Ein Transformator benötigt nicht nur eine Stellfläche.

Für Installation, Wartung, Inspektion und gegebenenfalls Austausch müssen ausreichende Zugangsbereiche vorhanden sein.

Bei mehreren Transformatoren muss die Anordnung so geplant werden, dass einzelne Einheiten möglichst unabhängig zugänglich bleiben.

Auch Transportwege sollten frühzeitig berücksichtigt werden.

Schritt 18: Geräuschentwicklung beachten

Transformatoren können während des Betriebs Geräusche erzeugen.

Bei einer Innenaufstellung sollte deshalb geprüft werden, welche Anforderungen an den Geräuschpegel bestehen.

Die Auswahl des Transformators und die bauliche Planung können entsprechend aufeinander abgestimmt werden.

Eine geeignete Positionierung kann ebenfalls dazu beitragen, die Auswirkungen von Betriebsgeräuschen zu reduzieren.

Schritt 19: Monitoring und Zustandsüberwachung einsetzen

Moderne Rechenzentren benötigen eine möglichst transparente Überwachung ihrer elektrischen Infrastruktur.

Je nach Transformator und Anlagenkonzept können verschiedene Betriebsdaten erfasst werden.

Dazu können beispielsweise Temperatur, Belastung und weitere relevante Zustandswerte gehören.

Die Integration in ein übergeordnetes Monitoring kann dabei helfen, den Anlagenbetrieb besser zu überwachen.

Schritt 20: Wartung und Austausch berücksichtigen

Auch ein hochwertiger Mittelspannungstransformator muss während seiner Betriebszeit kontrolliert und gewartet werden.

Die Planung sollte deshalb berücksichtigen, wie ein Transformator für Wartungsarbeiten sicher außer Betrieb genommen werden kann.

Ein geeignetes Redundanzkonzept kann solche Arbeiten erleichtern.

Auch der spätere Austausch sollte bereits bei der Planung berücksichtigt werden.

Vorteile eines richtig geplanten Mittelspannungstransformators

Die sorgfältige Planung eines Mittelspannungstransformators bietet für ein Rechenzentrum zahlreiche Vorteile.

Vorteil 1: Höhere Versorgungssicherheit

Eine passende Transformatorleistung und ein durchdachtes Redundanzkonzept können die Zuverlässigkeit der elektrischen Versorgung verbessern.

Besonders bei kritischen IT Anwendungen ist eine stabile Energieversorgung von großer Bedeutung.

Vorteil 2: Bessere Skalierbarkeit

Eine modular geplante Transformatoranlage kann zukünftige Erweiterungen erleichtern.

Zusätzliche Transformatorleistung kann je nach Anlagenkonzept schrittweise ergänzt werden.

Vorteil 3: Optimierte Energieeffizienz

Durch die Auswahl geeigneter Transformatoren können Energieverluste berücksichtigt und langfristig optimiert werden.

Dies kann bei einem dauerhaft betriebenen Rechenzentrum wirtschaftlich relevant sein.

Vorteil 4: Geeignete Redundanz

Mehrere Transformatoren ermöglichen unterschiedliche Versorgungskonzepte.

Je nach Projekt können beispielsweise N plus 1 Strukturen oder getrennte Versorgungspfade umgesetzt werden.

Vorteil 5: Bessere Wartbarkeit

Eine durchdachte Anlagenarchitektur kann Wartungsarbeiten erleichtern.

Einzelne Transformatoren können bei geeigneter Redundanz unter bestimmten Betriebsbedingungen außer Betrieb genommen werden, ohne dass die gesamte Versorgung abgeschaltet werden muss.

Vorteil 6: Anpassung an hohe Leistungsdichten

Moderne Rechenzentren können hohe elektrische Leistungen benötigen.

Eine passende Transformatorauslegung ermöglicht eine gezielte Anpassung an die vorhandene und zukünftige Laststruktur.

Vorteil 7: Optimierte Raumnutzung

Bei der Auswahl kann der verfügbare Platz berücksichtigt werden.

Kompakte Transformatorlösungen können bei geeigneten technischen Bedingungen helfen, die vorhandenen Räume effizient zu nutzen.

Vorteil 8: Bessere Planbarkeit zukünftiger Erweiterungen

Wenn zukünftige Laststeigerungen bereits bei der Planung berücksichtigt werden, kann die elektrische Infrastruktur besser auf das Wachstum des Rechenzentrums vorbereitet werden.

Mittelspannungstransformator für KI Rechenzentren

Künstliche Intelligenz führt zu neuen Anforderungen an die elektrische Infrastruktur.

KI Systeme können eine hohe Rechenleistung benötigen und dadurch erhebliche elektrische Lasten verursachen.

Gleichzeitig kann die erforderliche Kühlleistung steigen.

Bei der Planung eines Mittelspannungstransformators für ein KI Rechenzentrum müssen deshalb sowohl IT Last als auch Kühlung und weitere technische Verbraucher betrachtet werden.

Eine modulare Transformatorstruktur kann bei entsprechenden Projekten eine Möglichkeit sein, die Energieversorgung an steigende Leistungsanforderungen anzupassen.

20 kV Mittelspannungstransformator für Rechenzentren

Ein 20 kV Transformator kann eingesetzt werden, wenn der Netzanschluss auf einer entsprechenden Mittelspannungsebene erfolgt.

Die Transformatorleistung richtet sich nach der benötigten Gesamtleistung und dem Versorgungskonzept.

Bei kleineren Anlagen können geringere Leistungen ausreichend sein. Große Rechenzentren können dagegen mehrere Transformatoren mit Leistungen im MVA Bereich benötigen.

Die konkrete Auswahl muss immer anhand der tatsächlichen Netz- und Lastbedingungen erfolgen.

Trockentransformator oder ölgekühlter Transformator

Die Entscheidung zwischen verschiedenen Transformatorbauarten hängt stark von den Projektbedingungen ab.

Ein Trockentransformator kann insbesondere bei geeigneten Innenaufstellungen interessant sein.

Gießharztransformatoren gehören zu den Trockentransformatoren und können bei bestimmten Rechenzentrumskonzepten eingesetzt werden.

Ölgekühlte Transformatoren können bei anderen Anlagenkonzepten und geeigneten Aufstellungsbedingungen eine Lösung darstellen.

Entscheidend sind die technischen Anforderungen und die gesamte Anlagenarchitektur.

Typische Planungsfehler

Bei der Planung eines Mittelspannungstransformators können verschiedene Fehler auftreten.

Ein häufiger Fehler besteht darin, ausschließlich den aktuellen Energiebedarf zu betrachten.

Ein weiterer Fehler ist eine unzureichende Berücksichtigung der Kühllast.

Auch die Redundanz wird teilweise nur auf den Transformator bezogen, obwohl die gesamte elektrische Infrastruktur betrachtet werden muss.

Weitere mögliche Planungsprobleme sind:

fehlende Leistungsreserven

unzureichende Wartungsflächen

nicht abgestimmte Schutztechnik

unzureichende Wärmeabfuhr

fehlende Zukunftsplanung

nicht ausreichende Betrachtung der Kurzschlussbedingungen

fehlende Abstimmung zwischen Mittelspannung und Niederspannungsverteilung

Eine frühzeitige Gesamtplanung kann solche Probleme vermeiden.

Checkliste für die Auswahl

Vor der Auswahl eines Mittelspannungstransformators für ein Rechenzentrum sollten mindestens folgende Punkte geprüft werden:

Aktuelle IT Leistung

Zukünftige IT Leistung

Kühlleistung

Gesamtleistung

Mittelspannung

Sekundärspannung

Transformatorleistung

Transformatorbauart

Kühlung

Kurzschlussspannung

Schaltgruppe

Verlustleistung

Aufstellungsort

Brandschutz

Geräuschpegel

Redundanz

USV Systeme

Notstromversorgung

Schutztechnik

Monitoring

Wartung

Erweiterbarkeit

Fazit

Ein Mittelspannungstransformator im Rechenzentrum ist ein wesentlicher Bestandteil der elektrischen Energieversorgung. Seine Auswahl muss deshalb auf einer umfassenden technischen Planung basieren.

Neben der benötigten Leistung spielen die richtige Mittelspannung, die Sekundärspannung, die Transformatorbauart, Kühlung, Wirkungsgrad und Schutztechnik eine wichtige Rolle.

Besonders entscheidend ist die Redundanz. Mehrere Transformatoren können zusätzliche Reservekapazität schaffen und unterschiedliche Versorgungskonzepte ermöglichen. Für eine wirkungsvolle Redundanz müssen jedoch auch Schaltanlagen, Kabelwege, Niederspannungsverteilungen und USV Systeme berücksichtigt werden.

Eine sorgfältige Planung bietet zahlreiche Vorteile. Sie kann die Versorgungssicherheit erhöhen, zukünftige Erweiterungen erleichtern, Energieverluste berücksichtigen und die Wartbarkeit verbessern.

Mit steigenden Leistungsanforderungen durch Cloud Computing, Hochleistungsrechnen und künstliche Intelligenz wird die Transformatorplanung für Rechenzentren noch wichtiger. Eine zukunftsorientierte Auslegung sollte deshalb nicht nur den aktuellen Energiebedarf abdecken, sondern auch mögliche zukünftige Entwicklungen berücksichtigen.

Der optimale Mittelspannungstransformator ist somit nicht einfach der Transformator mit der höchsten Leistung. Entscheidend ist eine Lösung, die Leistung, Spannung, Effizienz, Sicherheit, Redundanz, Platzbedarf und zukünftige Erweiterbarkeit sinnvoll miteinander verbindet.