طراحی زیراستانسیون پیش ساخته ۱۱۰ کیلوولت برای مرکز داده

مقدمه

با پیشرفت سریع فناوری‌هایی مانند محاسبات ابری و داده‌های بزرگ، و نفوذ شتابان "اینترنت+" به صنایع مختلف، صنعت اقتصاد دیجیتال در کشورها و مناطق بزرگ جهان رونق می‌یابد. این صنعت موقعیت مهم‌تری در زندگی روزمره و اقتصاد ملی به خود می‌گیرد. به ویژه تحت تأثیر همه‌گیری کروناویروس (کووید-۱۹) جهانی، روند نزولی اقتصاد جهان تشدید می‌شود. تنها اقتصاد دیجیتال روند قدرتمند رشد خود را حفظ کرده است.

استاندارد GB 50174 - 2017 کد طراحی مرکز‌های داده تعریف خاصی از مرکز‌های داده ارائه می‌دهد. مرکز داده به عنوان یک زیرساخت پایه مرتبط با مدیریت و ذخیره‌سازی داده‌ها، می‌تواند انواع اطلاعات داده‌ای را ذخیره کند. علاوه بر این، عملکردهای پایه‌ای مانند محاسبات داده و انتقال را نیز پشتیبانی می‌کند تا نیازهای مدیریت داده‌های عظیم را برآورده کند. ساخت مرکز‌های داده به یک روند اجتناب‌ناپذیر تبدیل شده است.

در صنعت مرکز‌های داده، آن را املاک دیجیتال می‌نامند، که بسیار متفاوت از پروژه‌های زیرساختی سنتی است. چند ویژگی برجسته مرکز‌های داده عبارتند از: مصرف بالای انرژی، نیاز به قابلیت اطمینان بالا و نیاز به سرعت ساخت سریع. مصرف انرژی مرکز‌های داده متمرکز است و معمولاً با قابلیت ت冗余配置。大型数据中心项目的电力消耗能力巨大，通常会配置用户专用的110 kV变电站。 然而，建设110 kV变电站也存在许多痛点，具体体现在以下几个方面：中国传统的110 kV变电站建设周期通常需要12-24个月，涉及规划、选址、勘察、设计、项目备案、材料采购、“四通一平”（通水、通电、通路、通信及土地平整）、施工安装、调试、绿化恢复、生产验收等全周期工作内容。漫长的建设周期无法匹配数据中心快速交付的需求；由于客户和网络原因，中国的数据中心产业大多分布在京津冀地区、长三角地区和粤港澳大湾区。这些地区大多是相对发达的城市，土地资源稀缺，在项目规划时常遇到场地限制问题；数据中心变电站还需要适应数据中心灵活容量变化的需求。 针对数据中心变电站建设中的痛点，预制模块化变电站是一个重要的解决方案方向。基于模块化设计理念，预制变电站在应用中相比传统变电站具有灵活性和可靠性优势。预制舱内所有系统在工厂内完成生产、安装、接线、调试和预组装，完成后可直接现场拼装，实现高效率，降低施工难度，并具有高度集成性，适用于不同的变电站建设场景，显示出明显的优势。 本文以一号数据中心110 kV变电站建设项目为例，详细介绍了预制变电站在数据中心的应用场景、工艺布局设计及预制舱工艺设计。 **1. 项目概况** 一号数据中心项目位于江苏省苏州市，该项目是对一座旧厂房的改造。园区内已有A、B、C、D共4栋厂房。本次主要建设内容是在不改变现有建筑规划条件的前提下，对整个园区进行整体改造，建设一个可靠的数据中心园区。 该园区参照GB 50174-2017《数据中心设计规范》中的A级数据中心标准，计划建设一个可以承载超过10万台高性能服务器的园区级数据中心。园区需要建设一座110 kV变电站来满足园区的供电需求。变电站引入两路完全独立的110 kV市电电源，每路容量为80,000 kVA，形成2N供电系统。正常运行时，每条线路的负载率不超过其满载容量的50%，即40,000 kVA。当一路市电电源发生故障时，另一路可以承担数据中心的所有负荷。 由于本项目是厂房改造，项目大部分土地空间已被建成的A、B、C、D四栋厂房占据，物理空间限制较大。主要可用的室外空间是B栋左侧的空地以及B栋与D栋之间的空地。对于传统的110 kV变电站方案，当安装两台80,000 kVA容量的主变压器时，需要约长70米、宽40米的矩形场地。B栋左侧场地净距30米，B栋与C栋之间场地净距50米。考虑到变电站与建筑物之间的防火间距以及园区消防环路的要求，两个场地都难以满足传统变电站的建设空间要求。 一号数据中心项目的客户是一家互联网企业。作为该客户的基地型数据中心项目，该园区将支持客户大量的在线业务及其背后的大数据传输、运算、存储和处理。客户对该数据中心的可靠性要求很高，并且对交付时间紧迫。 在交付时间方面，由于客户数据业务的快速发展，客户对数据中心的需求非常迫切，整个数据中心园区需要在6个月内交付。在可靠性方面，客户要求110 kV变电站的两路互为备用的市电电源从进线到出线完全独立，且路径相隔10米以上。GIS、变压器、10 kV开关柜等主要设备分布在不同的物理空间，避免单一事故影响两路市电电源，从而影响整个数据中心的所有业务。 由于一号数据中心110 kV变电站项目存在空间限制、时间紧迫和高定制化要求，传统变电站形式难以满足项目要求。经过与当地电网公司的协商讨论，确定该项目采用预制模块化110 kV变电站的形式。 **2. 工艺布局设计** **2.1 物理空间** 一号数据中心110 kV变电站项目共有两条进线电源，电源分别来自上游220 kV A站和B站的市电电源。A、B两路市电电源均通过地下埋设从南侧进入园区。考虑到外部市电线路走向及园区现有建筑情况，110 kV变电站设置在园区西南角。110 kV变电站位置平面示意图如图1所示。 预制变电站长82米，宽17米，总建筑面积1,400平方米。对于相同条件下的传统变电站，这三个参数分别为70米、40米和2,800平方米。与传统变电站相比，建筑面积节省了50%以上，且可以根据现场条件确定变电站布局，较为灵活。  **图1 110 kV变电站位置平面示意图** **2.2 工艺布局** 图2展示了110 kV变电站的工艺布局图。变电站内部由两个预制GIS（SF6气体绝缘金属封闭开关设备）舱、一个预制主设备舱和两台户外110 kV变压器组成，呈线性布置。  **2.3 电源路由** 本项目的变电站基本完全对称。如图2所示，以两个预制主设备舱中间的防火墙为界，左右两侧分别是A路和B路电源的预制GIS舱、预制主设备舱、110 kV变压器和预制电容器舱，A路和B路的设备完全独立。 整个变电站设有独立围墙，独立于数据中心园区运行。南侧设有独立的园区出口，仅允许专业人员进入110 kV变电站，其他人员无权进入，可以保证变电站运行的可靠性。 GIS舱为单层预制舱，内部主要配备额定电流为2,000 A的110 kV GIS组合电器。设计的每个部分中，六氟化硫（SF6）是一种重要的灭弧介质，可用于GIS。结构上，GIS主要分为电压互感器、避雷器、断路器、套管等几个部分。这些部分需要正确连接，确保每个组件的可靠性，才能有效实现整体功能[8]。 主变压器主要采用三相双绕组油浸自冷变压器，采用YN接地方式，电压等级为[10.5±（2×2.5%/0.4）] kV，具体型号为SZ11-80000/110。 主设备舱为双层结构。第一层由两个完全独立的10 kV出线柜舱组成，中间用防火墙隔开，分别配备对应A路和B路电源的10 kV开关柜和站用变压器。10 kV开关柜采用金属铠装开关柜，配备真空断路器。对于馈线柜、电容器、站用变压器，其额定电流和开断电流分别为1.25 kA和25 kA；对于进线柜，则分别为3.15 kA和31.5 kA。站用变压器容量选为100 kVA，采用SC11型干式变压器，电压为[110±（8×1.25%/10.5）] kV，接线组别为Dyn11，阻抗电压Uk=4%，防护外壳为IP40，能效等级为2。为了提高系统的可靠性，每路110 kV进线对应两段10 kV母线，可以在发生故障时缩小事故范围。 第二层需要配备接地变压器、预制电容器舱等。预制舱内配置一组电容器，设置差压保护，需达到6,000 kVA的容量。此外，本设计还选用铁芯电抗器，电抗率为12%。一套小电阻接地装置，接地电阻为10 Ω，容量为400 kVA。第二层还有二次室。二次室具体分为视频监控、电度表柜、电能量采集、故障录波、公测控、远动通信、继电保护、计算机监控、智能辅助控制系统、时钟同步系统等多个部分。 **2.3 电源路由** 在电源路由方面，A路和B路的110 kV市电进线均从右侧17米宽的短边进入。两条线路平行进入，间距大于10米，分别引入对应的A路和B路预制GIS舱。A路和B路从GIS到变压器的线路、从变压器到10 kV开关柜的母线以及10 kV开关柜的出线都是独立的，间距大于10米。 **2.4 工艺布局设计的优点** 项目的主要设备，包括预制GIS舱、110 kV变压器、预制主设备舱等，在A路和B路之间完全隔离。A路和B路的电源路由完全隔离。与传统变电站相比，占地面积更少，定制化程度高，灵活有效，能够满足数据中心的可靠性要求。 **3. 预制舱技术** 本项目采用全站全模块化预制方式，现场只需施工条形基础、防火墙等辅助设施。模块化预制舱的生产和加工可以与土建工程同时进行，大大减少了土建工程量，解决了传统变电站建设模式中土建工程量大、建设周期长的问题，避免了变电站建设时间受土建工程制约的情况。 **3.1 舱体技术** 预制舱在工厂内完成生产和调试，确保产品质量精致，高标准的设计实施水平，避免现场施工质量对设备的影响。结构上，箱体底框部件通过槽钢连接，门板和顶盖采用2毫米厚优质冷轧钢板焊接而成，具有整体结构，抗冲击能力强。 箱体的特点主要体现在三个方面：防腐、三层结构和密封，能够满足基本运行要求，确保各组件保持稳定的工作状态。外壳需要达到IP54以上的防护等级。预制舱采用全工况设计，还具有良好的抗风、抗震和抗雪荷载能力，确保设备安全运行。 舱内设备高度集成，通过舱体结构设计和各内部系统的协调，预制舱满足设备运行需求。舱不仅考虑了110 kV变电站的一次、二次和通信设备，还考虑了环境控制、照明、应急照明、消防、接地等辅助系统。 **3.2 舱体运输** 舱体需要满足高要求，主要涉及防潮和密封性能，否则无法保证运行质量。考虑到本项目道路运输对长度和宽度的限制，每个运输单元的长度限制在14米以内，宽度在3.4米以内，高度在4.5米以内。尺寸较大的预制舱分段运输，尺寸相对较小的预制舱整体运输，满足道路运输要求。如果现场达到拼装条件，可以运至现场进行下一步拼装。 **3.3 现场安装** 本项目采用模块化预制方式，土建工程较少。主要土建内容包括两组新建主变压器基础、四道长10米高6.5米的防火墙、两组GIS舱基础、一组主设备舱基础、一个20立方米的事故油池、一道长198米高2.3米的空心围墙、14个主变压器支架和一条80米长的钢筋混凝土电缆沟。 预制舱采用“必须在工厂进行试装配模拟实际运行情况+分段运输至现场后拼装”的方式。所有模块已在工厂内进行了试装配，及时发现问题，不留问题在现场，确保现场施工工期和施工质量。现场吊装和拼装周期短，几乎没有原材料堆积。 对于大型舱体部件的拼装操作，采用“使用起重机初步定位设备+逐步用链条葫芦推动+精确定位销精确定位”的现场拼装工艺。为确保舱体拼装“无缝对接”，现场吊装照片如图3所示。 为满足密封要求，拼缝处合理设计，主要采用密封材料和机械结构的设计方法。在箱体拼装中，使用防水扣和防水法兰。拼装完成后，需要在接缝处加注强力防水胶，然后用密封条处理。最后依次安装防水扣和发泡材料。当所有工序完成并达到高质量要求时，可以实现密封和防水。 每个模块就位后，进行一次和二次连接施工。模块内的电缆和模块间的连接电缆已在工厂内全部生产和安装完毕，只需要安装各模块间的连接电缆和母线。每个模块在工厂装配时已进行了初步联合调试和测试，也可以缩短现场调试和验收时间。 一号数据中心110 kV变电站建设项目于12月初开始与苏州电网沟通方案并推进前期手续。经过项目招标、设备采购、工厂生产、现场设备基础施工、现场拼装、设备调试、送电验收等环节，于6月初正式投入运行。整个过程不到6个月，其中从项目中标确定到项目完工送电验收的时间约为100天，是数据中心领域建设周期最短的变电站项目之一。因此，与传统变电站相比，建设时间大大缩短。 除了这些优点外，由于采用了模块化设计理念，未来必要时可以高效升级，有助于降低维护和扩展的成本，因此也显示出广阔的发展前景。  **4. 结论** 预制变电站解决了传统变电站在数据中心领域的痛点。 - 预制变电站长82米，宽17米，总建筑面积1,400平方米。与传统变电站相比，节约了50%以上的建筑面积，并可根据现场条件确定变电站布局，较为灵活。 - 通过预制变电站的工艺布局，主设备舱和电源路由可以实现A路和B路之间的完全隔离，满足数据中心的可靠性要求。 - 预制变电站内的所有设备在工厂内完成生产、组装和调试，可以通过公路快速运输到项目现场，并在现场像搭积木一样快速拼装，满足数据中心快速交付的要求。 - 项目已正式投入运行。目前系统运行稳定，设备状况良好，与上级基站的保护控制和通信运行正确，为数据中心的可靠运行提供了安全保障。 预制模块化变电站代表了一种不断发展的技术。其建设旨在更好地服务于电网和用户。在确保安全、可靠和经济的同时，满足快速建设、节省空间和减少投资的需求。相信随着国家对数据中心等新型基础设施建设的大力推广和预制模块化变电站技术的不断成熟，未来将有越来越多的预制模块化变电站在数据中心中建成并投入使用。