110kVプリファブ変電所のデータセンター向け設計
序章
クラウドコンピューティングやビッグデータなどの技術の急速な発展と、「インターネット+」がさまざまな産業に浸透する中、デジタル経済産業は世界中の主要国や地域で盛んになり、日常生活や国民経済においてますます重要な位置を占めるようになっています。特に現在、新型コロナウイルス感染症（COVID-19）の世界的なパンデミックの影響下では、世界経済の下落傾向が強まっていますが、デジタル経済だけが逆勢を維持し、強力な発展の勢いを保っています。
GB 50174 - 2017 データセンター設計規範では、データセンターについて具体的な定義を与えています。データセンターはデータ管理と保存に関連する基本的な施設であり、さまざまな種類のデータ情報を保存することができます。また、大量のデータ管理のニーズを満たすため、データ計算や伝送など基本的な機能もサポートします。データセンターの建設は避けられないトレンドとなっています。
データセンター業界では、デジタル不動産とも呼ばれ、従来のインフラプロジェクトとは大きく異なります。ここでは、データセンターのいくつかの特徴を挙げます：高い電力消費、高い信頼性要件、そして高速な建設速度の要求です。データセンターの電力消費は集中しており、一般的には2N冗長構成が採用されています。巨大な電力消費能力は、公園レベルのデータセンタープロジェクトが通常、ユーザー専用の110 kV変電所を配置することを意味します。
しかし、110 kV変電所の建設には多くの課題があります。具体的には以下の点が挙げられます：中国における従来型110 kV変電所の建設期間は通常12〜24ヶ月かかり、計画、立地選定、測量、設計、プロジェクト登録、材料調達、「四通一平」（水道、電気、道路、通信へのアクセスと土地整備）、建設・設置、調整、緑化復元、生産受け入れなど全周期の作業内容が含まれます。長い建設期間はデータセンターの迅速な供給の要求に合いません。また、顧客とネットワークの理由により、中国のデータセンター業界は主に北京-天津-河北地域、長江デルタ、広東-香港-マカオ大湾地区に分布しています。これらの地域は比較的発達した都市で土地資源が限られており、プロジェクト計画中にしばしば用地制約に直面します。さらにデータセンターサブステーションはデータセンターの柔軟な容量変更に対応する必要があります。
データセンターサブステーション建設の課題に対して、プレファブモジュールサブステーションは重要な解決策の方向性です。モジュール設計概念に基づいて、プレファブサブステーションは従来のサブステーションと比較して柔軟性と信頼性という利点を持っています。プレファブキャビン内のすべてのシステムは工場で製造、設置、配線、デバッグ、事前組み立てされ、完成後直接現場で組み立てられ、効率が高く、建設難度が低く、高度な統合性を持つことから、異なるサブステーション建設シナリオに適しており、明確な利点を示しています。
本記事では、データセンターNo.1の110 kV変電所建設プロジェクトを例に、プレファブサブステーションの適用シーン、プロセスレイアウト設計、プレファブキャビンプロセス設計について詳しく紹介します。
1. プロジェクト概要
データセンターNo.1プロジェクトは、江蘇省蘇州市に位置しています。このプロジェクトは古い工場ビルの改築です。既にパーク内にはA棟、B棟、C棟、D棟の4つの工場ビルがあり、今回の主な建設内容は既存の建物計画条件を変えずにパーク全体の改築を行い、信頼性の高いデータセンターパークを建設することです。
このパークはGB 50174 - 2017 データセンター設計規範のクラスAデータセンター基準を参照し、10万台以上の高性能サーバーを搭載できるパークレベルのデータセンターを計画しています。パークは電力供給要件を満たすために110 kV変電所を建設する必要があります。変電所は完全に独立した2つの110 kV公用电源を導入し、それぞれ80,000 kVAの容量を持ち、2N電源供給システムを形成します。通常運転時には各回路の負荷率はその満負荷容量の50%以下、つまり40,000 kVA以下となります。一方の公用电源が故障した場合でも、もう一方がデータセンターの全負荷を引き受けることができます。
このプロジェクトは工場ビルの改築であるため、プロジェクトの大部分の土地スペースは既に完成しているA棟、B棟、C棟、D棟によって占められており、物理的な空間制約が大きくなっています。主に利用可能な屋外スペースはB棟の左側の開放スペースとB棟とD棟の間の開放スペースです。従来型の110 kV変電所スキームでは、80,000 kVAの容量を持つ2台の主変圧器を設置する場合、長さ約70 m、幅40 mの長方形の敷地が必要です。B棟の左側の敷地のクリアランスは30 m、B棟とC棟の間の敷地のクリアランスは50 mです。変電所と建物との防火距離およびパークの消防環状道路の要件を考慮すると、両方のサイトとも従来型変電所の建設スペース要件を満たすのは困難です。
データセンターNo.1プロジェクトの顧客はインターネット企業です。この顧客にとってのベースタイプのデータセンタープロジェクトとして、このパークは顧客の多数のオンラインビジネスとその背後の大量のデータ伝送、運用、保存、処理をサポートします。顧客はこのデータセンターの信頼性に対する要求が高く、納期もタイトです。
納期に関しては、顧客のデータビジネスの急速な発展により、データセンターに対する顧客の需要が非常に急務であり、全体のデータセンターパークは6ヶ月以内に納品される必要があります。信頼性については、顧客は110 kV変電所の2つの公用电源が互いにバックアップし、完全に独立していて、入り口から出口までのルートが10 m以上離れていることを要求しています。GIS、変圧器、10 kVスイッチギアなどの主要設備は異なる物理空間に分散配置され、単一の事故が両方の公用电源に影響を与えてデータセンター全体の業務に影響を与えることを避けるためです。
データセンターNo.1の110 kV変電所プロジェクトは、空間制約、時間制約、高カスタマイズ要件があるため、従来型の変電所形式ではプロジェクト要件を満たすのが難しいです。地元の電力網会社との協議と議論の結果、このプロジェクトではプレファブモジュール式110 kV変電所の形式を採用することが確認されました。
2. プロセスレイアウト設計
2.1 物理空間
データセンターNo.1の110 kV変電所プロジェクトは合計2系統の電源ラインを持ち、電源は上流の220 kV変電所AとBからの公用电源から供給されます。両方の公用电源AとBの入り口は南側から地下埋設を通じてパークに入ります。外部公用电源ラインのルート方向と現在のパーク内の建物状況を考慮し、110 kV変電所はパークの南西隅に設置されます。110 kV変電所の位置の平面図は図1に示されています。
プレファブ変電所は長さ82 m、幅17 m、総床面積1,400 m²です。同じ条件での従来型変電所では、これらの3つのパラメータはそれぞれ70 m、40 m、2,800 m²です。従来型変電所と比較して、床面積は50%以上節約され、変電所レイアウトは現場の状況に応じて決定でき、比較的柔軟です。
図1 110 kV変電所の位置計画図
2.2 プロセスレイアウト
図2は110 kV変電所のプロセスレイアウト図を示しています。変電所内部は2つのプレファブGIS（SF6ガス絶縁金属閉鎖開閉装置）キャビン、1つのプレファブ主要設備キャビン、2つの屋外110 kV変圧器で構成されており、直線パターンで配置されています。
2.3 電力ルーティング
このプロジェクトの変電所は基本的に完全に対称です。図2から、2つのプレファブ主要設備キャビンの中間にある防火壁を境界として、左右にはそれぞれRoute AとRoute Bの電源供給に対応するプレファブGISキャビン、プレファブ主要設備キャビン、110 kV変圧器、プレファブキャパシタキャビンが配置されており、Route AとRoute Bの設備は完全に独立しています。
全変電所は独立した周囲壁を持っており、データセンターパークから独立して動作します。南側にはパーク外への独立した入口が設けられており、専門家以外の人員は110 kV変電所に入ることができません。これにより変電所の動作の信頼性が確保されます。
GISキャビンは単層のプレファブキャビンです。内部には主に定格電流2,000 Aの110 kV GIS組み合わせ電器が装備されています。設計の各部分において、六フッ化硫黄（SF6）は重要な消弧媒体であり、GISに適用できます。構造的にはGISは主に電圧変換器、避雷器、遮断器、およびブッシングなどいくつかの部分に分けられます。これらの部分は正しく接続され、各部品の信頼性が確保されなければなりません。
主変圧器は主に三相二巻き油冷自冷変圧器を使用し、YN接地方式を採用し、電圧レベルは[10.5 ± (2×2.5%/0.4)] kVで、具体的なモデルはSZ11 - 80000/110です。
主要設備キャビンは2階建て構造です。1階は完全に独立した2つの10 kV出力キャビンキャビンで構成され、防火壁で分離され、それぞれRoute AとRoute Bの電源供給に対応する10 kVスイッチギアと所内変圧器が装備されています。10 kVスイッチギアは真空遮断器を装備した金属覆いスイッチギアを使用しています。フィードャーキャビン、キャパシタ、および所内変圧器の定格電流と切断電流はそれぞれ1.25 kAと25 kAで、入力線路は3.15 kAと31.5 kAです。所内変圧器の容量は100 kVAを選択し、SC11 - 型乾式変圧器を使用し、電圧は[110 ± (8×1.25%/10.5)] kV、接続グループはDyn11、インピーダンス電圧Uk = 4%、IP40保護箱、エネルギー効率クラスは2です。システムの信頼性を向上させるため、各110 kV入力線路に対応して2つの10 kV母線セクションが設けられ、障害時の影響範囲を減らすことができます。
2階には接地変圧器、プレファブキャパシタキャビンなどが装備される必要があります。プレファブキャビン内には差動圧保護が設定されたキャパシタバンクが配置され、6,000 kVAの容量が必要です。上記の部分以外にも、この設計では鉄心リアクターが選択され、リアクタンス率は12%です。接地小抵抗完全セット装置は接地抵抗10 Ω、容量400 kVAです。2階には二次室もあります。二次室は具体的にはいくつかの部分に分割され、ビデオ監視、キロワット時計キャビン、電力収集、故障記録、公共測定制御、遠隔通信、継電保護、コンピュータ監視、スマート補助制御システム、タイムシンクロニゼーションシステムなどが含まれます。
2.3 電力ルーティング
電力ルーティングに関して、Route AとRoute Bの110 kV公用电源入力線路はどちらも右側の17 m幅の短辺から入ります。2つのルートは並行して入り、10 m以上の間隔が設けられ、それぞれRoute AとRoute Bに対応するプレファブGISキャビンに導入されます。Route AとRoute BのGISから変圧器への線路、変圧器から10 kVスイッチギアへの母線、および10 kVスイッチギアの出力線路はすべて独立しており、間隔は10 m以上です。
2.4 プロセスレイアウト設計の利点
プロジェクトの主要設備、プレファブGISキャビン、110 kV変圧器、プレファブ主要設備キャビンなどはすべてRoute AとRoute B間に完全に隔離されています。Route AとRoute Bの電力ルーティングも完全に隔離されています。従来型の変電所と比較して、スペースを大幅に節約し、高度なカスタマイズ性を持ち、柔軟かつ効果的で、データセンターの信頼性要件を満たすことができます。
3. プレファブキャビン技術
このプロジェクトでは、全駅完全モジュールプレファブ方式を採用しています。現場ではストリップ基礎や防火壁などの補助施設のみを建設する必要があり、モジュールプレファブキャビンの生産と加工は土木工事と同時に進行することができます。これにより、従来型の変電所建設モードにおける大量の土木工事と長期の建設期間の問題が解決され、変電所の建設時間が土木プロジェクトによって制約されることを回避できます。
3.1 キャビン技術
プレファブキャビンは工場で生産およびデバッグされ、精巧な製品品質と高標準の設計実装レベルを確保し、現場の施工品質による設備への影響を避けます。構造的には、ボックス体の底フレーム部品はチャンネル鋼で接続され、ドアパネルとトップカバーは2 mm厚の高品質冷延板で溶接されています。一体構造で強い衝撃に耐えられます。
ボックス体の特徴は主に3つの方面に表れます：腐食防止、3層構造、密封性。これらは基本的な動作要件を満たし、各部品が安定した動作状態を維持するのに役立ちます。外殻はIP54以上の保護レベルに達する必要があります。プレファブキャビンは全動作条件設計を採用しており、風耐性、地震耐性、雪荷重耐性も優れており、設備の安全な動作を確保します。
キャビン内の設備は高度に統合されています。キャビン構造の設計と各種内部システムの調整により、プレファブキャビンは設備動作の要件を満たします。キャビンは110 kV変電所の一次、二次、通信設備だけでなく、環境制御、照明、非常照明、消防、接地などの補助システムも考慮しています。
3.2 キャビン輸送
キャビンは防湿性と密封性の高い要件を満たす必要があります。そうでなければ、動作品質が保証されません。このプロジェクトの道路輸送に関する長さと幅の制約を考慮し、各輸送ユニットの長さは14 m以内、幅は3.4 m以内、高さは4.5 m以内に制限されています。大きな寸法のプレファブキャビンは分割して輸送され、他の比較的小さな寸法のプレファブキャビンは全体として輸送され、道路輸送の要件を満たします。現場が組み立て要件を満たしている場合、次の段階の組み立てのために現場に輸送することができます。
3.3 現場設置
このプロジェクトではモジュールプレファブ方式を採用し、土木工事が少ないです。主な土木工事内容は2組の新設主変圧器基礎、長さ10 m、高さ6.5 mの4つの防火壁、2組のGISキャビン基礎、1組の主要設備キャビン基礎、20 m³の事故油池、198 m長さ、2.3 m高さの空洞囲い壁、14個の主変圧器支持金具、80 m長の鉄筋コンクリートケーブルトレンチです。
プレファブキャビンは「工場試験組み立てを行い実際の動作状況をシミュレーション + 分割輸送し現場で組み立て」という方式を採用しています。すべてのモジュールは工場で試験組み立てされ、問題が早期に発見され、現場に問題を残さず、現場の工期と施工品質を確保します。現場での吊り上げと組み立ては短周期で、ほとんど原材料の蓄積はありません。
大型キャビン部品の組み立て作業では、「クレーンで設備を初期位置に配置 + チェーンブロックで徐々に押し進める + 定位ピンで正確に位置を調整」という現場組み立てプロセスを採用しています。キャビンの組み立てが「密着」するようにするために、現場での吊り上げ写真は図3に示されています。
密封要件を満たすため、組み合わせジョイントは合理的に設計され、主に密封材と機械構造の設計方法を使用しています。ボックス体の組み合わせでは防水クリップと防水フランジを使用します。組み合わせが完了したら、ジョイント位置に強力な防水グルーを追加し、その後シールテープで処理し、最後に防水クリップとフォーミング材を順次設置します。すべての工程が完了し高品質要件を満たすと、密封と防水が達成されます。
各モジュールが位置づけられた後、一次と二次の接続工事が行われます。モジュール内のケーブルとそれら間の接続ケーブルはすべて工場で完全に生産および設置されています。各モジュール間の接続ケーブルとバスバーのみを設置する必要があります。各モジュールが工場で組み立てられる際には、予備的な結合デバッグとテストが行われているため、現場でのデバッグと受け入れ時間を短縮することができます。
データセンターNo.1の110 kV変電所建設プロジェクトは、12月初旬に蘇州電力網との計画コミュニケーションを開始し、初期手続きを進めました。プロジェクト入札、設備調達、工場生産、現場での設備基礎工事、現場組み立て、設備デバッグ、送電受け入れを経て、6月初旬に正式に稼働しました。全行程は6ヶ月未満で、プロジェクト入札決定からプロジェクト完成および送電受け入れまでの時間は約100日でした。これはデータセンター分野で最も短い変電所建設期間のプロジェクトです。従来型の変電所と比較して、建設時間が大幅に短縮されました。
これらの利点に加えて、モジュール設計概念を採用しているため、将来的に必要に応じて効率的にアップグレードでき、メンテナンスと拡張のコストを削減するのに役立つため、広い発展の可能性を示しています。
4. 結論
プレファブ変電所は、データセンター分野における従来型変電所の課題に対処しています。
プレファブモジュール変電所は継続的に進化する技術を代表しています。その建設目標は電力網とユーザーにより良いサービスを提供することです。安全性、信頼性、経済性を確保しながら、迅速な建設、スペース節約、投資削減の要件を満たします。国家によるデータセンターなどの新インフラ建設の強力な推進と、プレファブモジュール変電所技術の継続的な成熟により、将来ますます多くのプレファブモジュール変電所がデータセンターで完成し、供給されることが期待されます。
