데이터 센터용 110kV 프리패브식 변전소 설계
소개
클라우드 컴퓨팅 및 빅 데이터와 같은 기술의 급속한 발전과 "인터넷 +"가 다양한 산업으로의 침투 가속화로 인해 디지털 경제 산업이 전 세계 주요 국가와 지역에서 부상하고 있으며 일상 생활과 국가 경제에서 점점 더 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 특히 현재 코로나19 팬데믹의 글로벌 영향 하에 세계 경제의 하락 추세가 강화되고 있는 가운데, 디지털 경제만이 역행하여 강력한 발전 동력을 유지하고 있습니다.
GB 50174 - 2017 데이터 센터 설계 규범은 데이터 센터에 대한 구체적인 정의를 제공합니다. 데이터 센터는 데이터 관리 및 저장과 관련된 기본 시설로서 다양한 유형의 데이터 정보를 저장할 수 있습니다. 또한 대량의 데이터 관리를 위한 데이터 계산 및 전송 등 기본 기능을 지원합니다. 데이터 센터 건설은 불가피한 추세가 되었습니다.
데이터 센터 산업은 디지털 부동산이라고도 알려져 있으며, 이는 전통적인 인프라 프로젝트와 매우 다릅니다. 여기에는 몇 가지 두드러진 특징이 있습니다: 높은 전력 소비, 높은 신뢰성 요구 사항, 그리고 빠른 건설 속도의 필요성. 데이터 센터의 전력 소비는 집중적이며 일반적으로 2N 중복성을 갖추고 있습니다. 거대한 전력 소비 용량은 공원 규모의 데이터 센터 프로젝트가 일반적으로 사용자 지정 110 kV 변전소를 구성하는 것을 의미합니다.
그러나 110 kV 변전소 건설에도 많은 문제점이 있으며, 구체적으로 다음과 같이 나타납니다: 중국의 전통적인 110 kV 변전소 건설 주기는 보통 12-24개월이며, 계획, 부지 선정, 조사, 설계, 프로젝트 신청, 재료 조달, "네 연결 및 하나 평탄화" (수도, 전기, 도로, 통신 접근 및 토지 평탄화), 건설 및 설치, 조정, 녹지 복구, 생산 검수 등의 모든 주기 작업 내용을 포함합니다. 긴 건설 주기는 데이터 센터의 빠른 배송 요구와 맞지 않습니다. 고객 및 네트워크 이유로, 중국의 데이터 센터 산업은 대부분 베이징-톈진-허베이 지역, 양쯔강 델타, 광둥-홍콩-마카오 그레이터 베이 지역에 분포되어 있습니다. 이러한 지역의 대부분은 상대적으로 개발된 도시로 토지 자원이 부족하며, 프로젝트 계획 단계에서 종종 부지 제약 문제가 발생합니다. 데이터 센터 변전소는 또한 데이터 센터의 유연한 용량 변화에 적응해야 합니다.
데이터 센터 변전소 건설의 문제점에 대해, 프리패브 모듈식 변전소는 중요한 해결 방안입니다. 모듈식 설계 개념을 기반으로, 프리패브 변전소는 전통적인 변전소와 비교하여 적용 시 유연성과 신뢰성의 장점을 가지고 있습니다. 프리패브 캐빈 내의 모든 시스템은 공장에서 제작, 설치, 배선, 디버깅, 사전 조립됩니다. 완성 후에는 현장에서 직접 조립할 수 있어 효율성이 높아지고, 건설 난이도가 감소하며, 통합 정도가 높습니다. 다양한 변전소 건설 시나리오에 적합하며 명백한 장점을 보여줍니다.
이 문서는 데이터 센터 No.1의 110 kV 변전소 건설 프로젝트를 예로 들어, 데이터 센터에서의 프리패브 변전소의 적용 시나리오, 공정 레이아웃 설계, 프리패브 캐빈 공정 설계에 대해 자세히 소개합니다.
1. 프로젝트 개요
데이터 센터 No.1 프로젝트는 장쑤성 쑤저우시에 위치해 있습니다. 이 프로젝트는 오래된 공장 건물을 리노베이션하는 것입니다. 공원에는 이미 A, B, C, D 건물 4개가 있으며, 이번 주요 건설 내용은 기존 건물 계획 조건을 변경하지 않고 공원 전체를 리노베이션하여 안정적인 데이터 센터 공원을 구축하는 것입니다.
이 공원은 GB 50174 - 2017 데이터 센터 설계 규범의 A급 데이터 센터 표준을 참조하여 100,000대 이상의 고성능 서버를 수용할 수 있는 공원 규모의 데이터 센터를 계획하고 있습니다. 공원은 공원의 전력 공급 요구를 충족하기 위해 110 kV 변전소를 건설해야 합니다. 변전소는 80,000 kVA 용량의 2개의 완전히 독립된 110 kV 공용 전력 공급을 도입하여 2N 전력 공급 시스템을 형성합니다. 정상 작동 시 각 라인의 부하율은 최대 부하 용량의 50%를 초과하지 않으며, 즉 40,000 kVA입니다. 한 공용 전력 공급이 실패하면 다른 공용 전력 공급이 데이터 센터의 모든 부하를 처리할 수 있습니다.
이 프로젝트는 공장 건물 리노베이션 프로젝트이므로, 프로젝트의 대부분의 토지 공간은 이미 완성된 A, B, C, D 건물로 점유되어 있으며, 상대적으로 큰 물리적 공간 제약이 있습니다. 주요 이용 가능한 실외 공간은 B 건물 왼쪽의 오픈 공간과 B 건물과 D 건물 사이의 오픈 공간입니다. 전통적인 110 kV 변전소 방안에서는 80,000 kVA 용량의 2개의 주 변압기를 설치하려면 약 70m 길이와 40m 너비의 직사각형 부지가 필요합니다. B 건물 왼쪽의 부지의 명확한 거리는 30m이고, B 건물과 C 건물 사이의 부지의 명확한 거리는 50m입니다. 변전소와 건물 간의 화재 예방 거리와 공원의 소방 순환 도로 요구 사항을 고려할 때, 두 부지 모두 전통적인 변전소 건설 공간 요구 사항을 충족하기 어렵습니다.
데이터 센터 No.1 프로젝트의 고객은 인터넷 기업입니다. 이 고객을 위한 기반형 데이터 센터 프로젝트로서, 이 공원은 고객의 많은 온라인 비즈니스와 그 뒤에 있는 대량의 데이터 전송, 운영, 저장, 처리를 지원할 것입니다. 고객은 이 데이터 센터의 신뢰성에 높은 요구 사항을 가지고 있으며, 납품 시간이 급박합니다.
납품 시간 측면에서, 고객의 데이터 비즈니스의 급속한 발전으로 인해, 고객은 데이터 센터에 대한 매우 급박한 요구가 있으며, 전체 데이터 센터 공원이 6개월 내에 납품되어야 합니다. 신뢰성 측면에서, 고객은 110 kV 변전소의 두 공용 전력 공급이 서로 백업되며, 입력 라인에서 출력 라인까지 완전히 독립적이어야 하며, 경로가 10m 이상 떨어져 있어야 합니다. GIS, 변압기, 10kV 스위치 기어와 같은 주요 장비는 서로 다른 물리적 공간에 분산되어 있어야 하며, 단일 사고로 인해 두 공용 전력 공급 모두가 영향을 받고 결과적으로 전체 데이터 센터의 모든 비즈니스가 영향을 받는 것을 피해야 합니다.
데이터 센터 No.1의 110 kV 변전소 프로젝트는 공간 제약, 시간 제약, 고도의 맞춤화 요구사항이 있어 전통적인 변전소 형태로는 프로젝트 요구 사항을 충족하기 어렵습니다. 현지 전력망 회사와 협의 및 논의를 거쳐, 이 프로젝트는 프리패브 모듈식 110 kV 변전소 형태를 채택하기로 확정되었습니다.
2. 공정 레이아웃 설계
2.1 물리적 공간
데이터 센터 No.1의 110 kV 변전소 프로젝트는 총 2개의 전력 공급 라인이 있으며, 전력 공급은 상류 220 kV 변전소 A와 B의 공용 전력 공급에서 각각 제공됩니다. 두 공용 전력 공급 A와 B의 입력 라인은 모두 남쪽에서 지하 매설을 통해 공원으로 들어옵니다. 외부 공용 전력 라인 경로의 방향과 현재 공원 내의 건물 상황을 고려하여, 110 kV 변전소는 공원의 서남쪽 구석에 설치됩니다. 110 kV 변전소 위치의 평면 스키마는 도 1에 표시되어 있습니다.
프리패브 변전소는 82m 길이, 17m 너비, 총 면적 1,400㎡입니다. 동일 조건 하의 전통적인 변전소의 경우, 이 세 가지 매개변수는 각각 70m, 40m, 2,800㎡입니다. 전통적인 변전소와 비교하여 면적은 50% 이상 절약되며, 변전소 레이아웃은 현장 조건에 따라 결정될 수 있으므로 상대적으로 유연합니다.
도 1 110 kV 변전소 위치 계획 스키마
2.2 공정 레이아웃
도 2는 110 kV 변전소의 공정 레이아웃 도면입니다. 변전소 내부는 두 개의 프리패브 GIS (SF6 가스 단열 금속 케이싱 스위치 기어) 캐빈, 하나의 프리패브 주 장비 캐빈, 두 개의 야외 110 kV 변압기로 구성되어 있으며, 레이아웃은 선형으로 배열됩니다.
2.3 전력 경로
이 프로젝트의 변전소는 기본적으로 완전히 대칭적입니다. 도 2에서 볼 수 있듯이, 두 개의 프리패브 주 장비 캐빈 중앙의 방화벽을 경계로, 좌우에는 각각 A 경로와 B 경로 전력 공급을 위한 프리패브 GIS 캐빈, 프리패브 주 장비 캐빈, 110 kV 변압기, 프리패브 커패시터 캐빈이 있으며, A 경로와 B 경로의 장비는 완전히 독립적입니다.
전체 변전소는 독립적인 담장으로 완비되어 데이터 센터 공원과 독립적으로 운영됩니다. 남쪽에 공원을 나가는 독립적인 입구가 설정되어 있으며, 110 kV 변전소에는 전문 인력만 출입할 수 있고, 다른 인원은 출입 권한이 없어 변전소의 운영 신뢰성을 보장할 수 있습니다.
GIS 캐빈은 단층 프리패브 캐빈입니다. 내부에는 주로 2,000A의 정격 전류를 가진 110 kV GIS 복합 전기 기기가 장착되어 있습니다. 설계의 각 부분에서 육불화황 (SF6)은 중요한 소멸 매체이며 GIS에 적용할 수 있습니다. 구조적으로, GIS는 주로 전압 변환기, 피뢰기, 회로 차단기, 부싱 등 여러 부분으로 나뉘며, 이러한 부분들은 올바르게 연결되어야 하며, 각 구성 요소의 신뢰성이 보장되어야 전체 기능을 효과적으로 수행할 수 있습니다 [8].
주 변압기는 주로 3상 2권 유침식 자냉 변압기를 사용하며, YN 접지 방식을 채택하고, 전압 수준은 [10.5 ± (2×2.5%/0.4)] kV이며, 구체적인 모델은 SZ11 - 80000/110입니다.
주 장비 캐빈은 2층 구조입니다. 첫 번째 층은 두 개의 완전히 독립된 10 kV 출력 캐비닛 캐빈으로 구성되어 있으며, 방화벽으로 분리되어 A 경로와 B 경로 전력 공급에 해당하는 10 kV 스위치 기어와 변전소 서비스 변압기가 각각 장착되어 있습니다. 10 kV 스위치 기어는 진공 회로 차단기를 장착한 금속 케이싱 스위치 기어를 사용합니다. 피더 캐비닛, 커패시터, 변전소 서비스 변압기의 정격 전류와 절단 전류는 각각 1.25 kA와 25 kA이며, 입력 라인의 경우 각각 3.15 kA와 31.5 kA입니다. 변전소 서비스 변압기의 용량은 100 kVA로 선택되었으며, SC11 - 타입 건식 변압기를 사용하며, 전압은 [110 ± (8×1.25%/10.5)] kV, 배선 그룹은 Dyn11, 임피던스 전압 Uk = 4%, IP40 보호 케이싱, 에너지 효율 클래스 2입니다. 시스템의 신뢰성을 향상시키기 위해, 각 110 kV 입력 라인은 두 개의 10 kV 버스바 섹션에 대응하여, 사고 시 사고 범위를 줄일 수 있습니다.
두 번째 층에는 접지 변압기, 프리패브 커패시터 캐빈 등이 장착되어야 합니다. 프리패브 캐빈 내에 커패시터 뱅크가 구성되어 차압 보호가 설정되어 있으며, 6,000 kVA의 용량을 달성해야 합니다. 위에서 언급한 부분 외에도, 이 설계에서는 12%의 반항률을 가진 철심 반항기를 선택했습니다. 접지 저항 완전 세트 장치, 접지 저항 10 Ω, 용량 400 kVA입니다. 두 번째 층에는 또한 2차실이 있습니다. 2차실은 비디오 감시, 킬로와트미터 캐비닛, 전기 에너지 수집, 고장 기록, 공용 측정 및 제어, 원격 통신, 계전 보호, 컴퓨터 모니터링, 지능형 보조 제어 시스템, 시간 동기화 시스템 등으로 구분됩니다.
2.3 전력 경로
전력 경로 측면에서, A 경로와 B 경로의 110 kV 공용 전력 입력 라인은 모두 오른쪽의 17m 너비 짧은 면에서 들어옵니다. 두 경로는 병렬로 10m 이상 간격을 두고 들어와 각각 A 경로와 B 경로에 해당하는 프리패브 GIS 캐빈으로 도입됩니다. A 경로와 B 경로의 GIS에서 변압기로의 라인, 변압기에서 10 kV 스위치 기어로의 버스바, 10 kV 스위치 기어의 출력 라인은 모두 독립적이며, 간격은 10m 이상입니다.
2.4 공정 레이아웃 설계의 장점
프로젝트의 주요 장비인 프리패브 GIS 캐빈, 110 kV 변압기, 프리패브 주 장비 캐빈 등은 A 경로와 B 경로 사이에서 완전히 격리되어 있습니다. A 경로와 B 경로의 전력 경로는 완전히 격리되어 있습니다. 전통적인 변전소와 비교하여, 공간을 덜 차지하며, 높은 수준의 맞춤화, 유연성, 효과성이 있으며, 데이터 센터의 신뢰성 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
3. 프리패브 캐빈 기술
이 프로젝트는 전체 변전소의 완전 모듈식 프리패브 방법을 채택합니다. 현장에서는 스트립 기초와 방화벽과 같은 보조 시설만 건설하면 됩니다. 모듈식 프리패브 캐빈의 제작 및 가공은 토목 공사와 동시에 이루어져 토목 공사량을 크게 줄입니다. 전통적인 변전소 건설 모드의 큰 토목 공사량과 긴 건설 주기를 해결하며, 토목 공사에 의해 변전소 건설 시간이 제한되는 상황을 피합니다.
3.1 캐빈 기술
프리패브 캐빈은 공장에서 제작 및 디버깅되어, 우수한 제품 품질과 높은 수준의 설계 실행 수준을 보장하며, 현장 건설 품질이 장비에 미치는 영향을 피합니다. 구조적으로, 캐빈 바닥 프레임 구성 요소는 채널 강철로 연결되고, 문 패널과 상부 덮개는 2mm 두께의 고품질 냉간 연속 판으로 용접됩니다. 통합 구조로 강한 충격 저항성을 가지고 있습니다.
캐빈의 특징은 주로 세 가지 측면에서 나타납니다: 부식 방지, 3층 구조, 밀봉, 이를 통해 기본 운영 요구 사항을 충족하고 각 구성 요소가 안정적인 작업 상태를 유지할 수 있습니다. 외부 케이스는 IP54 또는 그 이상의 보호 수준을 달성해야 합니다. 프리패브 캐빈은 모든 작업 상태 설계를 채택하며, 또한 우수한 바람 저항, 지진 저항, 눈하중 저항을 가지고 있어 장비의 안전한 운영을 보장합니다.
캐빈 내부의 장비는 높은 수준으로 통합되어 있습니다. 캐빈 구조 설계와 다양한 내부 시스템의 조화를 통해 프리패브 캐빈은 장비 운영 요구를 충족합니다. 캐빈은 110 kV 변전소의 1차, 2차, 통신 장비뿐만 아니라 환경 제어, 조명, 비상 조명, 소방, 접지 등 보조 시스템도 고려하고 있습니다.
3.2 캐빈 운송
캐빈은 방습 및 밀봉 성능에 대한 높은 요구 사항을 충족해야 합니다. 그렇지 않으면 운영 품질을 보장할 수 없습니다. 이 프로젝트의 도로 운송에 대한 길이와 너비 제한을 고려하여, 각 운송 단위의 길이는 14m 이내, 너비는 3.4m 이내, 높이는 4.5m 이내로 제한됩니다. 크기가 큰 프리패브 캐빈은 구분하여 운송하고, 상대적으로 작은 크기의 다른 프리패브 캐빈은 전체로 운송하여 도로 운송 요구 사항을 충족합니다. 현장이 조립 요구 사항을 충족하면 다음 단계의 조립을 위해 현장으로 운송할 수 있습니다.
3.3 현장 설치
이 프로젝트는 모듈식 프리패브 방법을 채택하여 토목 공사량이 적습니다. 주요 토목 공사 내용은 두 개의 새로운 주 변압기 기초, 10m 길이와 6.5m 높이의 4개의 방화벽, 두 개의 GIS 캐빈 기초, 하나의 주 장비 캐빈 기초, 20m³의 사고 유 풀, 198m 길이와 2.3m 높이의 공극 담, 14개의 주 변압기 지지대, 80m 길이의 철근 콘크리트 케이블 트렌치입니다.
프리패브 캐빈은 "공장에서 실제 운영 상황을 시뮬레이션하는 시험 조립이 반드시 이루어져야 하며, 현장으로 분할 운송 후 스플라이싱 및 설치" 모드를 채택합니다. 모든 모듈은 공장에서 시험 조립되었으며, 현장에서 문제가 발생하지 않도록 적시에 발견하여 현장 건설 기간과 건설 품질을 보장합니다. 현장 조립 및 설치는 주기가 짧으며, 거의 원자재 적립이 없습니다.
대형 캐빈 부품의 스플라이싱 작업은 "크레인을 사용하여 장비를 초기 위치에 배치 + 체인 블록으로 점진적으로 밀어넣음 + 포지셔닝 핀으로 정확하게 위치 조정"이라는 현장 스플라이싱 공정을 채택합니다. 캐빈의 스플라이싱이 "밀착"되도록 보장하기 위해, 현장 조립 사진은 도 3에 표시되어 있습니다.
밀봉 요구 사항을 충족하기 위해, 스플라이싱 조인트는 합리적으로 설계되어, 주로 밀봉 재료와 기계 구조의 설계 방법을 사용합니다. 캐빈 본체 스플라이싱에서는 방수 클립과 방수 플랜지를 사용합니다. 스플라이싱이 완료되면, 조인트 위치에 강력한 방수 접착제를 추가하고, 그 다음에 밀봉 스트립으로 처리합니다. 마지막으로, 방수 클립과 발포 재료를 순서대로 설치합니다. 모든 공정이 완료되고 높은 품질 요구 사항을 충족하면, 밀봉 및 방수가 가능합니다.
각 모듈이 위치한 후, 1차 및 2차 연결 공사를 수행합니다. 모듈 내부의 케이블과 모듈 간 연결 케이블은 공장에서 완전히 제작 및 설치되었습니다. 각 모듈 간의 연결 케이블과 버스바만 설치하면 됩니다. 각 모듈이 공장에서 조립될 때, 초기 조인트 디버깅 및 테스트가 이미 수행되었으므로, 현장 디버깅 및 검수 시간을 단축할 수 있습니다.
데이터 센터 No.1의 110 kV 변전소 건설 프로젝트는 12월 초부터 쑤저우 전력망과 계획을 협의하고 초기 절차를 진행하였습니다. 프로젝트 입찰, 장비 조달, 공장 생산, 현장 장비 기초 건설, 현장 조립, 장비 디버깅, 전력 공급 검수를 거쳐 6월 초에 공식적으로 운영을 시작하였습니다. 전체 프로세스는 6개월 미만이었으며, 프로젝트 입찰 결정부터 프로젝트 완료 및 전력 공급 검수까지 약 100일이 소요되었습니다. 이는 데이터 센터 분야에서 가장 짧은 변전소 건설 주기의 프로젝트입니다. 따라서 전통적인 변전소와 비교하여 건설 시간이 크게 줄어들었습니다.
또한 모듈식 설계 개념을 채택함으로써, 필요할 때 효율적으로 업그레이드할 수 있어 유지보수 및 확장 비용을 줄이는 데 도움이 되어, 넓은 발전 전망을 보여줍니다.
4. 결론
프리패브 변전소는 데이터 센터 분야에서 전통적인 변전소의 문제점을 해결하였습니다.
프리패브 모듈식 변전소는 지속적으로 발전하는 기술을 대표합니다. 그 건설 목표는 전력망과 사용자를 더 잘 서비스하는 것입니다. 안전성, 신뢰성, 경제성을 보장하면서 빠른 건설, 공간 절약,
