110 kV Hazır Montajlı Veri Merkezi Trafo İstasyonu Tasarımı

Giriş

Bulut bilişim ve büyük veri gibi teknolojilerin hızlı gelişimiyle birlikte ve "İnternet +"nin çeşitli sektörlerde hızla yayılmasıyla, dijital ekonomi endüstrisi dünya çapındaki önemli ülkeler ve bölgelerde patlamaya başladı. Günlük hayat ve ulusal ekonomide giderek daha önemli bir yere sahip hale geldi. Özellikle şu anki küresel COVID-19 pandemisi etkisi altında, dünya ekonomisinin aşağı yönde gitmesi yoğunlaşırken, sadece dijital ekonomi bu eğilime karşı gelerek güçlü bir gelişim momentumunu koruyor.

GB 50174 - 2017 Veri Merkezi Tasarım Kodu, veri merkezlerine özel bir tanım verir. Veri merkezi, veri yönetimi ve depolama ile ilgili temel bir tesis olarak, çeşitli türden veri bilgisini saklayabilir. Ayrıca, kitle halindeki veri yönetim ihtiyacını karşılamak için veri hesaplama ve iletim gibi temel fonksiyonları da destekler. Veri merkezlerinin inşası kaçınılmaz bir trend haline geldi.

Veri merkezi endüstrisinde, bu tesisler geleneksel altyapı projelerinden oldukça farklı olan dijital emlak olarak bilinir. İşte veri merkezlerinin birkaç belirgin özelliği: yüksek enerji tüketimi, yüksek güvenilirlik gereklilikleri ve hızlı inşaat hızı talebi. Veri merkezlerinin enerji tüketimi yoğunlaşmıştır, genellikle 2N yedekli olarak yapılandırılır. Büyük enerji tüketim kapasitesi, park düzeyindeki veri merkezi projelerinin tipik olarak kullanıcıya özgü 110 kV trafo istasyonlarını yapılandırmalarına neden olur.

Ancak 110 kV trafo istasyonlarının inşası da birçok zorlu nokta içerir, özellikle aşağıdaki yönlerde ortaya çıkar: Geleneksel 110 kV trafo istasyonlarının Çin'deki inşaat döngüsü genellikle 12-24 ay sürer, planlama, yer seçimi, ölçme, tasarım, proje dosyası, malzeme satın alma, "dört bağlantı ve bir düzeltme" (su, elektrik, yol, telekomünikasyon erişimi ve arazi düzeltme), inşaat ve montaj, komisyoning, yeşillendirme ve üretim kabulü gibi tüm döngü iş içeriğini kapsar. Uzun inşaat döngüsü, veri merkezlerinin hızlı teslim edilme talebine uymaz; Müşteri ve ağ nedenleriyle, Çin'deki veri merkezi endüstrisi çoğunlukla Beijing-Tianjin-Hebei bölgesi, Yangtze Nehri Deltası ve Guangdong-Hong Kong-Macao Büyük Körfezi bölgesinde dağılmıştır. Bu bölgelerin çoğu, arazi kaynaklarının az olduğu gelişmiş şehirlerdir ve proje planlaması sırasında sıkça yer sınırlılığı sorunlarıyla karşı karşıya kalınır; Veri merkezi trafo istasyonları ayrıca veri merkezlerinin esnek kapasite değişikliklerine de uyum sağlamalıdır.

Veri merkezi trafo istasyonlarının inşaatında yaşanan bu zor noktalar için, önceden monte edilmiş modüler trafo istasyonları önemli bir çözüm yönüdür. Modüler tasarım fikrine dayanan önceden monte edilmiş trafo istasyonları, geleneksel trafo istasyonlarına kıyasla uygulamada esneklik ve güvenilirlik avantajlarına sahiptir. Kabın içindeki tüm sistemler fabrikada üretilir, monte edilir, kabloları çekildiği, debuglanır ve önceden monte edilir. Tamamlanmasından sonra doğrudan sahada birleştirilebilir, yüksek verimlilik sağlar, inşaat zorluğunu azaltır ve yüksek entegrasyona sahiptir. Farklı trafo istasyonu inşaat senaryolarına uygun olup, açık avantajlar gösterir.

Bu makale, Veri Merkezi No.1'in 110 kV trafo istasyonu inşaat projesini örnek alarak, önceden monte edilmiş trafo istasyonlarının veri merkezlerindeki uygulama alanlarını, işlem düzeni tasarımını ve önceden monte edilmiş kabın işlem tasarımını ayrıntılı olarak tanıtmaktadır.

1. Proje Genel Bakış

Veri Merkezi No.1 projesi, Jiangsu Eyaleti'nin Suzhou şehrinde yer almaktadır. Bu proje, eski bir fabrika binasının yeniden düzenlenmesidir. Parkta A, B, C ve D isimli dört adet fabrika binası bulunmaktadır. Bu seferki ana inşaat içeriği, mevcut bina planlama koşullarını değiştirmeden parkın genel yeniden düzenlenmesi ve güvenilir bir veri merkezi parkı oluşturmaktır.

Bu park, GB 50174 - 2017 Veri Merkezi Tasarım Kodu’ndaki A Sınıfı veri merkezi standardına başvurarak, 100.000'den fazla yüksek performanslı sunucuyu taşıyabilecek park düzeyinde bir veri merkezi inşa etmeyi planlamaktadır. Park, parkın güç tedarik ihtiyaçlarını karşılamak için 110 kV trafo istasyonu inşa etmek zorundadır. Trafo istasyonu, her biri 80.000 kVA kapasiteli iki tamamen bağımsız 110 kV kamuya açık güç kaynağı getirir, bu da 2N güç tedarik sistemi oluşturur. Normal işletim sırasında, her hatın yük oranı tam kapasitenin %50'sini aşmaz, yani 40.000 kVA. Bir kamuya açık güç kaynağı başarısız olursa, diğer hata tüm veri merkezi yüklerini taşıyabilir.

Bu proje bir fabrika binası yeniden düzenlemesi olduğundan, projenin çoğu arazi alanı A, B, C ve D binaları tarafından işgal edilmiştir, nispeten büyük fiziksel alan sınırlamaları vardır. Ana kullanılabilir dış alanlar, B binasının solundaki açık alan ve B ve D binaları arasındaki açık alandır. Geleneksel 110 kV trafo istasyonu şeması için, 80.000 kVA kapasiteli iki ana transformatör kurulumu için yaklaşık 70 m uzunluğunda ve 40 m genişliğinde dikdörtgen bir alan gerekir. B binasının solundaki alanın net mesafesi 30 m, B ve C binaları arasındaki alanın net mesafesi 50 m'dir. Trafo istasyonu ile binalar arasındaki yangın önleme mesafesi ve parkın yangın fighting ring yolu gereklilikleri göz önüne alındığında, her iki alan da geleneksel trafo istasyonlarının inşaat alanı gerekliliklerini karşılamakta zorluk çeker.

Veri Merkezi No.1 projesinin müşterisi, bir internet şirketi. Bu müşteri için temel tipi bir veri merkezi projesi olarak, bu park, müşterinin birçok çevrimiçi işini ve işlerin arkasındaki büyük miktarlardaki veri aktarımını, işleme, depolamayı ve işleme destekleyecektir. Müşteri, bu veri merkezinin güvenilirliği konusunda yüksek beklentileri vardır ve teslimat süresi sıkışık.

Teslimat süresi açısından, müşterinin veri işlerinin hızlı gelişimi nedeniyle, müşteri veri merkezi için çok acil bir ihtiyaç duymaktadır ve tüm veri merkezi parkı 6 ay içinde teslim edilmelidir. Güvenilirlik açısından, müşteri 110 kV trafo istasyonunun iki kamuya açık güç kaynağının, birbirine yedek olarak tamamen bağımsız olmasını, girişten çıkışa kadar ve rotaların 10 metreden fazla uzaklıktaki olmasını ister. GIS, transformatörler ve 10 kV anahtar kabinleri gibi ana ekipmanlar, tek bir kazadan dolayı her iki kamuya açık güç kaynağını ve dolayısıyla tüm veri merkezinin işlerini etkileyebilecek şekilde farklı fiziksel alanlarda dağıtılır.

Veri Merkezi No.1'in 110 kV trafo istasyonu projesi, alan sınırlamaları, sıkışık zaman kısıtlamaları ve yüksek özelleştirme gereklilikleri nedeniyle, geleneksel trafo istasyonu formu proje gereksinimlerini karşılamakta zorluk çeker. Yerel elektrik şebekesi şirketleriyle görüş ve tartışmalardan sonra, bu projenin önceden monte edilmiş modüler 110 kV trafo istasyonu formunu benimseyeceği onaylandı.

2. İşlem Düzeni Tasarımı
2.1 Fiziksel Alan

Veri Merkezi No.1'in 110 kV trafo istasyonu projesi toplamda 2 giriş gücü hatına sahiptir ve güç kaynakları, yukarı akışta bulunan 220 kV A ve B trafo istasyonlarından geliyor. A ve B kamuya açık güç kaynaklarının her iki giriş hattı da güneyden yer altına gömülmüş parka giriyor. Dış kamuya açık güç hattı rotalarının yönünü ve parktaki mevcut bina durumunu göz önünde bulundurarak, 110 kV trafo istasyonu parkın güneybatı köşesine yerleştirilmiştir. 110 kV trafo istasyonu yerleşim planı şeması Şekil 1'de gösterilmiştir.

Önceden monte edilmiş trafo istasyonu 82 m uzunluğunda, 17 m genişliğinde ve toplam 1,400 m² alana sahiptir. Aynı koşullar altında geleneksel bir trafo istasyonu için bu üç parametre sırasıyla 70 m, 40 m ve 2,800 m²'dir. Geleneksel trafo istasyonuna kıyasla alandan %50'yi aşkın tasarruf sağlanmış ve trafo istasyonu yerleşimi saha koşullarına göre belirlenebilir, bu oldukça esnektir.

Şekil 1 110 kV trafo istasyonu yerleşim planı şeması

2.2 İşlem Düzeni

Şekil 2, 110 kV trafo istasyonunun işlem düzeni şemasını göstermektedir. Trafo istasyonunun içi, iki önceden monte edilmiş GIS (SF6 Gaz Izoleli Kapalı Metal Anahtar Kabin) kabından, bir önceden monte edilmiş ana ekipman kabından ve iki dış 110 kV transformatordan oluşmaktadır. Düzen doğrusal olarak düzenlenmiştir.

2.3 Güç Rotalaması

Bu projenin trafo istasyonu neredeyse tamamen simetriktir. Şekil 2'den görüldüğü üzere, iki önceden monte edilmiş ana ekipman kabının ortasındaki防火墙作为边界，左侧和右侧分别是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，与数据中心园区独立运行。南侧设有独立的出园区入口，只有专业人员才能进入110 kV变电站，其他人员无权进入，这可以确保变电站运行的可靠性。 GIS舱为单层预制舱，内部主要配置额定电流为2000 A的110 kV GIS组合电器。在设计的每个部分中，六氟化硫（SF6）是重要的灭弧介质，可应用于GIS中。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，并且每个组件的可靠性都需要得到保证，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。 主设备舱采用两层结构。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，分别配置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封闭开关柜，对于馈线柜、电容器及站用变压器，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级。为了提高系统的可靠性，每个110 kV进线对应两段10 kV母线，可以在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。预制舱内配置一组电容器，设置差压保护，需达到6000 kVA的容量。此外，在本设计中选择铁芯电抗器，电抗率为12%。小电阻接地成套装置，接地电阻为10Ω，容量为400 kVA。第二层还设有二次室，二次室具体划分为视频监控、电度表屏、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、时间同步系统等多个部分。 ### 2.3 电力路由 在电力路由方面，A路和B路110 kV市电进线均从右侧宽17米的短边进入。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，A路和B路之间完全隔离。A路和B路的电力路由完全隔离。与传统变电站相比，占地面积更小，定制化程度高，灵活高效，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的方式，现场仅需施工条形基础、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下土建工程量大、建设周期长的问题，避免了变电站建设时间受制于土建工程的情况。 #### 3.1 舱体技术 预制舱在工厂内生产调试，确保产品品质精良，高标准设计实施水平，避免了现场施工质量对设备的影响。结构上，箱体底框构件采用槽钢连接，门板和顶盖采用2 mm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防腐、三层结构和密封三个方面，能满足基本运行要求，确保各部件保持稳定的工作状态。外壳需达到IP54以上的防护等级。预制舱采用全天候设计，同时具有良好的抗风、抗震和雪载能力，确保设备的安全运行。 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配合，预制舱满足设备运行的需求。舱体不仅考虑了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 舱体需要满足较高的要求，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于14米以内，宽度限于3.4米以内，高度限于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，满足道路运输的要求。如果现场达到组装条件，可以直接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式，土建工作较少。主要土建内容包括新建两组主变压器基础、四面长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“必须在工厂内试装模拟实际运行情况+拆分运输到现场后再拼装”的方式。所有模块已在工厂内试装，及时发现并解决问题，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操作，采用“用起重机初步定位设备+逐步用链葫芦推进+用定位销准确定位”的现场拼装工艺。为了满足密封要求，拼装接缝合理设计，主要采用密封材料和机械结构的设计方法。箱体拼装中使用防水扣和防水法兰。拼装完成后，接缝位置需要加注高强度防水胶，然后用密封条处理。最后依次安装防水扣和发泡材料。当所有工序完成并符合高质量要求后，即可实现密封防水。 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之间的连接电缆已在工厂内全部生产和安装，只需安装每个模块之间的连接电缆和母线。每个模块在工厂组装时已进行了初步联调测试，这样也可以缩短现场调试和验收的时间。 数据中心No.1的110 kV变电站建设项目从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、送电验收等环节，于6月初正式投入运行。整个过程历时不到6个月，其中从项目中标到项目完工送电验收约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。 除了这些优势外，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。 ### 4. 结论 预制变电站解决了数据中心领域传统变电站的痛点。 - 预制变电站长82米，宽17米，总面积1400平方米。与传统变电站相比，节省面积超过50%，可以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，主设备舱和电力路由可以实现A路和B路之间的完全隔离，满足数据中心的可靠性要求。 - 预制变电站的所有设备在工厂内生产、装配和调试，可以通过公路快速运输到项目现场，并像搭积木一样在现场快速拼装，满足数据中心快速交付的要求。 - 该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正常，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、可靠和经济性的同时，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基建的大力推动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建成投运。