การออกแบบสถานีไฟฟ้าสำเร็จรูป 110 kV สำหรับศูนย์ข้อมูล

Dyson

ฟิลด์: มาตรฐานไฟฟ้า

China

บทนำ

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีเช่น การคำนวณแบบคลาวด์และการวิเคราะห์ข้อมูลขนาดใหญ่ และการแทรกซึมของ "Internet +" ไปสู่อุตสาหกรรมต่างๆ ทำให้อุตสาหกรรมเศรษฐกิจดิจิทัลเฟื่องฟูในประเทศและภูมิภาคหลักทั่วโลก มีบทบาทสำคัญยิ่งขึ้นในชีวิตประจำวันและเศรษฐกิจชาติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้ผลกระทบของสถานการณ์โรคระบาดโควิด-19 ทั่วโลก แนวโน้มเศรษฐกิจโลกที่ลดลงกำลังทวีความรุนแรงขึ้น แต่เพียงเศรษฐกิจดิจิทัลเท่านั้นที่สามารถสวนทางและรักษาโมเมนตัมการพัฒนาที่แข็งแกร่งได้

GB 50174 - 2017 Design Code for Data Centers กำหนดคำจำกัดความของศูนย์ข้อมูลไว้อย่างเฉพาะเจาะจง ศูนย์ข้อมูลเป็นสิ่งอำนวยความสะดวกพื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับการจัดการและเก็บข้อมูล สามารถเก็บข้อมูลประเภทต่างๆ นอกจากนี้ยังสนับสนุนฟังก์ชันพื้นฐาน เช่น การคำนวณและการส่งผ่านข้อมูล เพื่อตอบสนองความต้องการในการจัดการข้อมูลขนาดใหญ่ การสร้างศูนย์ข้อมูลได้กลายเป็นแนวโน้มที่ไม่อาจหลีกเลี่ยงได้

ในอุตสาหกรรมศูนย์ข้อมูล มักเรียกว่าอสังหาริมทรัพย์ดิจิทัล ซึ่งแตกต่างจากโครงการโครงสร้างพื้นฐานแบบดั้งเดิมอย่างมาก นี่คือลักษณะเด่นหลายประการของศูนย์ข้อมูล: การใช้พลังงานสูง ความต้องการความน่าเชื่อถือสูง และความต้องการในการสร้างที่รวดเร็ว การใช้พลังงานของศูนย์ข้อมูลมีความเข้มข้นโดยทั่วไปจะมีการกำหนดค่า冗余部分已省略，继续翻译如下：

在数据中心行业中，它被称为数字房地产，这与传统的基础设施项目大不相同。以下是数据中心的一些显著特点：高能耗、高可靠性要求以及快速建设的需求。数据中心的能耗集中，通常配置2N冗余。巨大的能耗能力意味着园区级数据中心项目通常会配置用户特定的110 kV变电站。

然而，110 kV变电站的建设也有很多痛点，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、测量、设计、项目备案、材料采购、“四通一平”（供水、供电、道路、电信和土地平整）、施工安装、调试、绿化恢复和生产验收等全周期工作内容。长建设周期无法满足数据中心快速交付的需求；由于客户和网络原因，中国的数据中心行业大多分布在京津冀地区、长江三角洲和粤港澳大湾区。这些地区大多是相对发达的城市，土地资源稀缺，在项目规划中经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。

对于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比传统变电站具有灵活性和可靠性的优势。预制舱内的所有系统都在工厂内生产、安装、接线、调试和预组装。完成后可以直接在现场组装，实现高效、降低施工难度，并具有高度集成性。它们适用于不同的变电站建设场景，并显示出明显的优势。

本文以数据中心1号的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、工艺布局设计和预制舱工艺设计。

1. 项目概述

数据中心1号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4座厂房，即A、B、C、D栋。此次主要建设内容是在不改变现有建筑规划条件的情况下，对园区进行整体改造，建成一个可靠的园区级数据中心。

该园区参照GB 50174-2017《数据中心设计规范》中的A类数据中心标准，计划建设一个可承载超过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变电站以满足园区的供电需求。变电站引入了2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。当一路市电电源故障时，另一路可以承担数据中心的所有负荷。

由于该项目是厂房改造，项目的大部分土地空间已被建成的A、B、C、D栋厂房占据，物理空间限制较大。主要可用的室外空间是B栋左侧的空地和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2台80,000 kVA容量的主变压器时，需要一个长约70米、宽约40米的矩形场地。B栋左侧场地的净距为30米，B栋与C栋之间的场地净距为50米。考虑到变电站与建筑物之间的防火距离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需求。

数据中心1号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、运营、存储和处理。客户对该数据中心的可靠性要求很高，并且对交付时间非常紧张。

在交付时间方面，由于客户的数据业务快速发展，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变电站的两路市电电源互为备用，从进线到出线完全独立，且线路间距超过10米。GIS、变压器、10 kV开关柜等主要设备分布在不同的物理空间，以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。

由于数据中心1号项目的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，确认该项目将采用预制模块化110 kV变电站的形式。

2. 工艺布局设计
2.1 物理空间

数据中心1号项目的110 kV变电站共有2路进线电源，分别来自上游220 kV变电站A和B的市电电源。两路市电电源A和B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和园区目前的建筑情况，110 kV变电站设置在园区西南角。图1显示了110 kV变电站位置的平面示意图。

预制变电站长82米，宽17米，总面积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，占地面积节省了50%以上，并且可以根据现场条件确定变电站布局，相对灵活。

图1 110 kV变电站位置平面示意图

2.2 工艺布局

图2显示了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个户外110 kV变压器组成。布局呈线性排列。

2.3 电力路由

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的围墙，独立于数据中心园区运行。南侧设有独立的出入口，只有专业人员才能进入110 kV变电站，其他人员无权进入，这样可以确保变电站运行的可靠性。

GIS舱为单层预制舱。舱内主要配备额定电流为2,000 A的110 kV GIS组合电器。在设计的每个部分中，六氟化硫（SF6）是一种重要的灭弧介质，可用于GIS。结构上，GIS主要分为几个部分，包括电压互感器、避雷器、断路器和套管等。这些部分需要正确连接，并确保每个组件的可靠性，以有效实现整体功能[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。

主设备舱采用双层结构。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A路和B路电源对应的10 kV开关柜和站用变压器。10 kV开关柜采用真空断路器金属铠装开关柜。对于馈线柜、电容器和站用变压器，其额定电流和开断电流分别为1.25 kA和25 kA；对于进线，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，每条110 kV进线对应两段10 kV母线，可以在发生故障时减少事故范围。

第二层需要配备接地变压器、预制电容器舱等。预制舱内配置电容器组，设置差压保护，需达到6,000 kVA的容量。除了上述部分外，设计中还选择了铁芯电抗器，电抗率为12%。小电阻接地成套装置，接地电阻为10 Ω，容量为400 kVA。第二层还有一个二次室。二次室具体分为几个部分，包括视频监控、千瓦时表柜、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、时间同步系统等。

2.3 电力路由

在电力路由方面，A路和B路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A路和B路对应的预制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 工艺布局设计的优势

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路的电力路由也完全隔离。与传统变电站相比，占地面积更小，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法。现场只需建造条形基础和防火墙等辅助设施。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限制的情况。

3.1 舱体技术

预制舱在工厂内生产和调试，确保产品品质精湛，设计实施水平高标准，并避免现场施工质量对设备的影响。结构上，箱体底架部件通过槽钢连接，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，可以满足基本操作要求，确保各部件保持稳定的工作状态。外壳需达到IP54或以上的防护等级。预制舱采用全工况设计，还具有良好的抗风、抗震和抗雪荷载性能，确保设备安全运行。

舱内设备高度集成。通过舱体结构的设计和各内部系统的协调，预制舱满足了设备运行的需求。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、消防和接地等辅助系统。

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。考虑到本项目公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，宽度限制在3.4米以内，高度限制在4.5米以内。尺寸较大的预制舱分段运输，尺寸相对较小的其他预制舱整体运输，满足公路运输要求。如果现场达到组装要求，可以运至现场进行下一步组装。

3.3 现场安装

本项目采用模块化预制方法，土建工程较少。主要土建内容包括新建两组主变压器基础、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、一条长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“工厂试装配模拟实际运行情况+分段运输到现场后再拼装”的方式。所有模块已在工厂内试装配，及时发现问题，不留问题在现场，确保现场施工周期和施工质量。现场吊装和拼装周期短，几乎没有原材料积压。

对于大型舱体部件的拼装，采用“使用起重机初步定位设备+逐步用链块推动+精确定位销”的现场拼装工艺。为了确保舱体拼装“严丝合缝”，现场吊装照片如图3所示。

为了满足密封要求，拼接接头合理设计，主要采用密封材料和机械结构的设计方法。在箱体拼接中，使用防水扣和防水法兰。拼接完成后，需要在接头位置添加强力防水胶，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后，即可实现密封和防水。

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。只需安装各模块之间的连接电缆和母线。当每个模块在工厂组装时，已经进行了初步的联合调试和测试，这也可以缩短现场调试和验收的时间。

数据中心1号的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、现场组装、设备调试和送电验收，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，是数据中心领域变电站建设周期最短的项目之一。因此，与传统变电站相比，建设时间大大缩短。

此外，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成本，因此也显示出广阔的发展前景。