Thiết kế Trạm biến áp 110 kV tiền chế cho Trung tâm dữ liệu
Giới thiệu
Với sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ như điện toán đám mây và dữ liệu lớn, cũng như sự thâm nhập nhanh chóng của "Internet +" vào nhiều ngành công nghiệp, ngành kinh tế số đang phát triển mạnh mẽ ở các quốc gia và khu vực lớn trên thế giới. Nó chiếm vị trí ngày càng quan trọng trong cuộc sống hàng ngày và nền kinh tế quốc dân. Đặc biệt, dưới tác động hiện tại của đại dịch COVID-19 toàn cầu, xu hướng suy giảm của nền kinh tế thế giới đang gia tăng. Chỉ có kinh tế số là đi ngược lại xu hướng và duy trì đà phát triển mạnh mẽ.
GB 50174 - 2017 Quy chuẩn thiết kế cho trung tâm dữ liệu đưa ra định nghĩa cụ thể về trung tâm dữ liệu. Trung tâm dữ liệu, như một cơ sở hạ tầng cơ bản liên quan đến quản lý và lưu trữ dữ liệu, có thể lưu trữ nhiều loại thông tin dữ liệu khác nhau. Ngoài ra, nó còn hỗ trợ các chức năng cơ bản như tính toán và truyền tải dữ liệu để đáp ứng nhu cầu quản lý dữ liệu lớn. Việc xây dựng trung tâm dữ liệu đã trở thành một xu hướng tất yếu.
Trong ngành công nghiệp trung tâm dữ liệu, nó được gọi là bất động sản số, rất khác so với các dự án cơ sở hạ tầng truyền thống. Dưới đây là một số đặc điểm nổi bật của trung tâm dữ liệu: tiêu thụ điện năng cao, yêu cầu độ tin cậy cao, và nhu cầu xây dựng nhanh. Tiêu thụ điện năng của trung tâm dữ liệu tập trung, thường được cấu hình với冗余部分似乎被截断了，我将从断点处继续翻译：
高功耗、高可靠性要求以及快速建设的需求。数据中心的电力消耗集中，通常配置2N冗余。巨大的电力消耗能力意味着园区级数据中心项目通常会配置用户专用的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、勘察、设计、项目备案、材料采购、“四通一平”（供水、供电、道路、通信和土地平整）、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，中国的数据中心行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。
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，与传统变电站在应用中相比，预制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，显示出明显的优势。
本文以数据中心1号项目的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、工艺布局设计及预制舱工艺设计。
**1. 项目概述**
数据中心1号项目位于江苏省苏州市。该项目是对旧厂房进行改造。园区内已有4栋厂房，分别是A、B、C、D栋。本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栋厂房占用，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台容量为80,000 kVA的主变压器时，需要一个长约70米、宽约40米的矩形场地。B栋左侧场地净距为30米，B栋与C栋之间场地净距为50米。考虑到变电站与建筑物之间的防火间距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。
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，该园区将支持大量客户的在线业务及其背后的大数据传输、运算、存储和处理。客户对这个数据中心的可靠性有很高的要求，并且在交付时间上非常紧张。
在交付时间方面，由于客户的数据业务发展迅速，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，且路径相隔超过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、时间紧迫及高定制化要求，传统变电站形式难以满足项目要求。经与当地电网公司协商讨论，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 A站和B站的市电电源。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及园区当前的建筑情况，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，且可以根据现场条件确定变电站布局，相对灵活。
Hình 1 Sơ đồ vị trí của trạm biến áp 110 kV Hình 2 hiển thị sơ đồ bố cục quy trình của trạm biến áp 110 kV. Bên trong trạm biến áp bao gồm hai cabin GIS (Thiết bị đóng cắt khí SF6) được chế tạo sẵn, một cabin thiết bị chính được chế tạo sẵn, và hai máy biến áp 110 kV ngoài trời. Bố cục được sắp xếp theo hình thức tuyến tính. 2.3 Đường dẫn điện Trạm biến áp của dự án này cơ bản hoàn toàn đối xứng. Có thể thấy từ Hình 2, lấy tường ngăn giữa hai cabin thiết bị chính được chế tạo sẵn làm ranh giới, bên trái và bên phải lần lượt là cabin GIS được chế tạo sẵn, cabin thiết bị chính được chế tạo sẵn, máy biến áp 110 kV, và cabin tụ điện được chế tạo sẵn cho đường dẫn A và B, và thiết bị của đường dẫn A và B hoàn toàn độc lập. Toàn bộ trạm biến áp được trang bị tường bao độc lập và hoạt động độc lập với khu công viên dữ liệu. Một lối vào riêng ra khỏi công viên được đặt ở phía nam. Chỉ có nhân viên chuyên môn mới được phép vào trạm biến áp 110 kV, và các nhân viên khác không có quyền truy cập, điều này có thể đảm bảo độ tin cậy của hoạt động của trạm biến áp. Cabin GIS là cabin đơn tầng được chế tạo sẵn. Bên trong, nó chủ yếu được trang bị thiết bị điện kết hợp GIS 110 kV với dòng điện định mức 2.000 A. Đối với mỗi phần của thiết kế, hexafluorua sunphua (SF6) là chất dập tắt hồ quang quan trọng và có thể được áp dụng trong GIS. Về mặt cấu trúc, GIS chủ yếu được chia thành các phần, bao gồm biến áp điện áp, thiết bị chống sét, thiết bị ngắt mạch, và các đầu nối, v.v. Các phần này cần được kết nối chính xác, và độ tin cậy của từng thành phần cần được đảm bảo để đạt được hiệu quả tổng thể [8]. Máy biến áp chính chủ yếu sử dụng máy biến áp ba pha cuộn kép ngâm dầu tự làm mát, sử dụng phương pháp tiếp đất YN, với cấp điện áp [10,5 ± (2×2,5%/0,4)] kV, và mô hình cụ thể là SZ11 - 80000/110. Cabin thiết bị chính có cấu trúc hai tầng. Tầng thứ nhất bao gồm hai cabin tủ phân phối 10 kV hoàn toàn độc lập, được tách bởi tường ngăn, và tương ứng được trang bị tủ phân phối 10 kV và máy biến áp trạm dịch vụ cho đường dẫn A và B. Tủ phân phối 10 kV sử dụng tủ phân phối kim loại được trang bị thiết bị ngắt mạch chân không. Đối với tủ phân phối nguồn, tụ điện, và máy biến áp trạm dịch vụ, dòng điện định mức và dòng điện ngắt là 1,25 kA và 25 kA tương ứng; đối với đường dây vào, chúng là 3,15 kA và 31,5 kA tương ứng. Công suất của máy biến áp trạm dịch vụ được chọn là 100 kVA, sử dụng máy biến áp khô kiểu SC11, với điện áp [110 ± (8×1,25%/10,5)] kV, nhóm đấu dây Dyn11, điện áp kháng Uk = 4%, vỏ bảo vệ IP40, và lớp hiệu suất năng lượng là 2. Để cải thiện độ tin cậy của hệ thống, mỗi đường dây vào 110 kV tương ứng với hai đoạn busbar 10 kV, có thể giảm phạm vi tai nạn trong trường hợp có lỗi. Tầng thứ hai cần được trang bị máy biến áp tiếp đất, cabin tụ điện được chế tạo sẵn, v.v. Một ngân hàng tụ điện được cấu hình trong cabin được chế tạo sẵn, với bảo vệ chênh lệch áp đặt, và cần đạt công suất 6.000 kVA. Ngoài các phần đã đề cập, thiết kế này chọn cuộn cảm sắt lõi, với tỷ lệ phản kháng là 12%. Bộ thiết bị điện trở nhỏ hoàn chỉnh, với điện trở tiếp đất là 10 Ω và công suất là 400 kVA. Tầng thứ hai cũng có phòng thứ cấp. Phòng thứ cấp được chia cụ thể thành các phần, bao gồm giám sát video, tủ đo điện, thu thập điện năng, ghi lỗi, đo lường và kiểm soát công cộng, truyền thông từ xa, bảo vệ rơle, giám sát máy tính, hệ thống kiểm soát hỗ trợ thông minh, hệ thống đồng bộ hóa thời gian, v.v. 2.3 Đường dẫn điện Về mặt đường dẫn điện, các đường dây điện vào 110 kV của đường dẫn A và B đều vào từ phía ngắn rộng 17 mét bên phải. Hai đường dẫn vào song song, cách nhau hơn 10 mét, và được đưa vào các cabin GIS được chế tạo sẵn tương ứng với đường dẫn A và B. Đường dây từ GIS đến máy biến áp cho đường dẫn A và B, busbar từ máy biến áp đến tủ phân phối 10 kV, và đường dây ra của tủ phân phối 10 kV đều độc lập, và khoảng cách hơn 10 mét. 2.4 Ưu điểm của thiết kế bố cục quy trình Các thiết bị chính của dự án, bao gồm cabin GIS được chế tạo sẵn, máy biến áp 110 kV, cabin thiết bị chính được chế tạo sẵn, v.v., đều được hoàn toàn cách ly giữa đường dẫn A và B. Đường dẫn điện của đường dẫn A và B hoàn toàn cách ly. So với trạm biến áp truyền thống, nó chiếm ít diện tích hơn, có độ tùy chỉnh cao, linh hoạt và hiệu quả, và có thể đáp ứng yêu cầu độ tin cậy của trung tâm dữ liệu. 3. Công nghệ cabin được chế tạo sẵn Dự án này áp dụng phương pháp chế tạo sẵn toàn bộ trạm bằng module. Trên hiện trường, chỉ cần xây dựng các cơ sở phụ trợ như móng băng và tường ngăn lửa. Sản xuất và gia công cabin được chế tạo sẵn theo module có thể diễn ra đồng thời với công việc xây dựng, giảm đáng kể khối lượng công việc xây dựng. Nó giải quyết vấn đề về khối lượng công việc xây dựng lớn và chu kỳ xây dựng dài trong mô hình xây dựng trạm biến áp truyền thống, và tránh tình trạng thời gian xây dựng trạm biến áp bị hạn chế bởi các dự án xây dựng. 3.1 Công nghệ cabin Cabin được chế tạo sẵn được sản xuất và kiểm tra tại nhà máy, đảm bảo chất lượng sản phẩm tinh xảo và mức thực hiện thiết kế cao, và tránh ảnh hưởng của chất lượng xây dựng tại hiện trường đối với thiết bị. Về cấu trúc, các thành phần khung đáy của hộp thân được kết nối bằng thép U, và các tấm cửa và nắp trên được hàn với thép cán nguội chất lượng cao dày 2 mm. Nó có cấu trúc nguyên khối và khả năng chịu va đập mạnh. Đặc điểm của hộp thân chủ yếu thể hiện ở ba khía cạnh: chống ăn mòn, cấu trúc ba lớp, và kín, có thể đáp ứng các yêu cầu hoạt động cơ bản và đảm bảo rằng mỗi thành phần duy trì trạng thái làm việc ổn định. Vỏ ngoài cần đạt cấp bảo vệ IP54 hoặc cao hơn. Cabin được chế tạo sẵn áp dụng thiết kế toàn trạng thái và cũng có khả năng chịu gió, chịu động đất, và chịu tải tuyết tốt để đảm bảo hoạt động an toàn của thiết bị. Thiết bị bên trong cabin được tích hợp cao. Qua thiết kế cấu trúc cabin và sự phối hợp của các hệ thống nội bộ, cabin được chế tạo sẵn đáp ứng nhu cầu hoạt động của thiết bị. Cabin không chỉ xem xét thiết bị chính, phụ, và truyền thông của trạm biến áp 110 kV mà còn xem xét các hệ thống phụ trợ như kiểm soát môi trường, chiếu sáng, chiếu sáng khẩn cấp, phòng cháy chữa cháy, và tiếp đất. 3.2 Vận chuyển cabin Cabin cần đáp ứng yêu cầu cao, chủ yếu liên quan đến tính chống ẩm và kín, nếu không, chất lượng hoạt động không thể được đảm bảo. Cân nhắc đến các hạn chế về chiều dài và chiều rộng cho vận chuyển đường bộ trong dự án này, chiều dài của mỗi đơn vị vận chuyển được giới hạn trong 14 mét, chiều rộng trong 3,4 mét, và chiều cao trong 4,5 mét. Cabin được chế tạo sẵn có kích thước lớn hơn được vận chuyển theo phần, và các cabin được chế tạo sẵn có kích thước tương đối nhỏ hơn được vận chuyển nguyên khối, đáp ứng yêu cầu vận chuyển đường bộ. Nếu hiện trường đã đạt yêu cầu lắp ráp, nó có thể được vận chuyển đến hiện trường để lắp ráp bước tiếp theo. 3.3 Lắp đặt tại hiện trường Dự án này áp dụng phương pháp chế tạo sẵn theo module, với ít công việc xây dựng hơn. Nội dung xây dựng chính bao gồm hai nhóm móng chính cho máy biến áp, bốn tường ngăn lửa dài 10 mét và cao 6,5 mét, hai nhóm móng cabin GIS, một nhóm móng cabin thiết bị chính, một bể dầu sự cố 20 m³, bức tường bao rỗng dài 198 mét và cao 2,3 mét, 14 giá đỡ máy biến áp chính, và hào cáp bê tông cốt thép dài 80 mét. Cabin được chế tạo sẵn áp dụng phương thức "phải thử nghiệm lắp ráp tại nhà máy để mô phỏng tình huống hoạt động thực tế + vận chuyển theo phần đến hiện trường và sau đó lắp ghép" tại hiện trường. Tất cả các mô-đun đã được thử nghiệm lắp ráp tại nhà máy, và các vấn đề được phát hiện kịp thời, không để lại vấn đề tại hiện trường, đảm bảo thời gian và chất lượng xây dựng tại hiện trường. Thời gian nâng và lắp ghép tại hiện trường ngắn, và hầu như không có nguyên liệu tích trữ. Đối với công việc lắp ghép các bộ phận cabin có kích thước lớn, quy trình lắp ghép tại hiện trường "sử dụng cần cẩu để định vị ban đầu thiết bị + đẩy dần bằng tời xích + định vị chính xác bằng chốt định vị" được áp dụng. Để đảm bảo rằng việc lắp ghép cabin "khít", hình ảnh nâng tại hiện trường được hiển thị trong Hình 3. Để đáp ứng yêu cầu kín, các khớp nối được thiết kế hợp lý, chủ yếu sử dụng các phương pháp thiết kế vật liệu kín và cấu trúc cơ học. Trong quá trình lắp ghép hộp thân, các móc kín nước và flăng kín nước được sử dụng. Sau khi lắp ghép hoàn thành, cần thêm keo kín nước mạnh vào các vị trí khớp nối, sau đó xử lý bằng dải kín. Cuối cùng, các móc kín nước và vật liệu bọt được lắp đặt theo thứ tự. Khi tất cả các quy trình được hoàn thành và đáp ứng yêu cầu chất lượng cao, việc kín và chống nước có thể được thực hiện. Sau khi mỗi mô-đun được đặt đúng vị trí, công việc kết nối sơ cấp và thứ cấp được tiến hành. Các cáp bên trong mô-đun và các cáp kết nối giữa chúng đã được sản xuất và lắp đặt hoàn toàn tại nhà máy. Chỉ cần lắp đặt các cáp kết nối và busbar giữa mỗi mô-đun. Khi mỗi mô-đun được lắp ráp tại nhà máy, đã được thực hiện kiểm tra và thử nghiệm sơ bộ, điều này cũng có thể rút ngắn thời gian thử nghiệm và nghiệm thu tại hiện trường. Dự án xây dựng trạm biến áp 110 kV của Trung tâm dữ liệu số 1 bắt đầu thảo luận kế hoạch với lưới điện Suzhou và thúc đẩy các thủ tục ban đầu vào đầu tháng 12. Sau khi trải qua đấu thầu dự án, mua sắm thiết bị, sản xuất tại nhà máy, xây dựng móng thiết bị tại hiện trường, lắp ráp tại hiện trường, kiểm tra và nghiệm thu cấp điện, nó chính thức được đưa vào hoạt động vào đầu tháng 6. Toàn bộ quá trình mất chưa đầy 6 tháng, trong đó thời gian từ khi xác định đấu thầu dự án đến khi hoàn thành dự án và nghiệm thu cấp điện là khoảng 100 ngày, đây là dự án có chu kỳ xây dựng trạm biến áp ngắn nhất trong lĩnh vực trung tâm dữ liệu. Do đó, so với trạm biến áp truyền thống, thời gian xây dựng được giảm đáng kể. Ngoài những ưu điểm này, do áp dụng khái niệm thiết kế mô-đun, nó có thể được nâng cấp hiệu quả khi cần thiết trong tương lai, giúp giảm chi phí bảo dưỡng và mở rộng, vì vậy nó cũng thể hiện triển vọng phát triển rộng lớn. 4. Kết luận Các trạm biến áp được chế tạo sẵn đã giải quyết các điểm đau của trạm biến áp truyền thống trong lĩnh vực trung tâm dữ liệu. Các trạm biến áp được chế tạo sẵn theo mô-đun đại diện cho một công nghệ không ngừng phát triển. Mục đích xây dựng của chúng là để phục vụ tốt hơn lưới điện và người dùng. Trong khi đảm bảo an toàn, độ tin cậy và hiệu quả kinh tế, chúng đáp ứng nhu cầu xây dựng nhanh, tiết kiệm không gian và giảm đầu tư. Tin rằng với sự thúc đẩy mạnh mẽ của quốc gia đối với xây dựng cơ sở hạ tầng mới như trung tâm dữ liệu và sự chín muồi liên tục của công nghệ trạm biến áp được chế tạo sẵn theo mô-đun, sẽ có ngày càng nhiều trạm biến áp được chế tạo sẵn theo mô-đun được hoàn thành và giao hàng trong trung tâm dữ liệu trong tương lai.
