多站融合能源站數(shù)據(jù)中心與變電站電磁兼容仿真分析

朱 燦，蘇永生，鮑玉瑩，沈 偉，陳政江

（1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230022；2.中國郵政儲蓄銀行數(shù)據(jù)中心，安徽 合肥 230051）

0 引言

隨著國內(nèi)數(shù)據(jù)集群的快速增長，多站融合變電站與數(shù)據(jù)中心共站建設(shè)成為未來發(fā)展的一種趨勢。數(shù)據(jù)中心運(yùn)行需要消耗大量電力，需要變電站進(jìn)行獨(dú)立供電。由于土地問題，城市中建設(shè)數(shù)據(jù)中心，一般需要數(shù)據(jù)中心與變電站共站建設(shè)。

對變電站尤其是戶外變電站，站內(nèi)導(dǎo)線較多，帶電設(shè)備種類多且設(shè)備布置形式差異較大，導(dǎo)致變電站內(nèi)磁場干擾計(jì)算較為復(fù)雜，且缺乏對多個因素綜合考量的分析［1］。

由于數(shù)據(jù)中心建筑物具有屏蔽效應(yīng)，變電站產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)工頻電場、短時電場及操作時產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場，在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部影響較小，文中不予考慮［1-2］。以弱電為主的數(shù)據(jù)中心與變電站共站建設(shè)時對信息通信系統(tǒng)的危害較大［3-5］，文獻(xiàn)［6-9］提出變電站對數(shù)據(jù)中心有兩方面影響：1）變電站發(fā)生接地故障時接地電位升及電位差對通信設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，同時接觸電勢及跨步電壓也對人員安全造成危害；2）變電站工頻磁場對服務(wù)器中信息造成破壞，例如數(shù)據(jù)處理和顯示混亂、內(nèi)存信息丟失，導(dǎo)致磁盤數(shù)據(jù)損壞或丟失。

多站融合建設(shè)中，數(shù)據(jù)中心和高壓系統(tǒng)如何共存已成為一個重要課題［10］。文中根據(jù)變電站的電磁環(huán)境特點(diǎn)分析其對數(shù)據(jù)中心的影響情況，對多站融合中變電站、數(shù)據(jù)中心、儲能系統(tǒng)三站合一融合建設(shè)的電磁兼容情況進(jìn)行仿真分析，并提出多站融合變電站建設(shè)方案。

1 數(shù)據(jù)中心與變電站共站時電磁環(huán)境特征

1.1 變電站電磁環(huán)境特征

1.1.1 穩(wěn)態(tài)電磁環(huán)境

變電站內(nèi)工頻磁場騷擾源主要有大電流導(dǎo)體和設(shè)備，包括載流導(dǎo)體（無屏蔽的重載流母線和進(jìn)出線）、主變壓器、電抗器和電容器組等，其工頻磁場隨距離的增加而快速下降。重點(diǎn)對變壓器及附近母線區(qū)域、電容器區(qū)域、電抗器區(qū)域產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)行分析。

1）變壓器及附近母線產(chǎn)生工頻磁場。

由于地面具有極化作用，以離地1.5 m 高處的空間場強(qiáng)作為變電站工頻電磁環(huán)境的依據(jù)。主變壓器距離測量點(diǎn)2 m 左右，距離架空線路10 m 以上。文獻(xiàn)［11］對500 kV、220 kV、110 kV 變電站母線下方及附近工頻磁場強(qiáng)度分布進(jìn)行了測量，得出結(jié)論：站內(nèi)母線場量幅值與線路電流成正比，且隨與線路距離的增大而減??；電壓等級越高，在地面產(chǎn)生的工頻磁場越?。恢髯儔浩鞲浇拇艌鰪?qiáng)度和同電壓等級低壓線路附近的磁場強(qiáng)度基本一致。

2）電容器產(chǎn)生工頻磁場。

文獻(xiàn)［12］對某同塔雙回進(jìn)線變電站的無功電容器產(chǎn)生的工頻磁場進(jìn)行計(jì)算。測量得到額定功率下的工頻磁場強(qiáng)度最大值為876 A/m。當(dāng)距離5 m 時，工頻磁場強(qiáng)度最大值可控制在80 A/m 以內(nèi)。

3）電抗器產(chǎn)生工頻磁場。

文獻(xiàn)［13］對500 kV 變電站的35 kV 并聯(lián)電抗器產(chǎn)生的工頻磁場進(jìn)行測試，結(jié)果表明并聯(lián)電抗器磁場強(qiáng)度隨著距離電抗器中心線的增加而降低。文獻(xiàn)［10］對某220 kV 變電站的35 kV 電抗器產(chǎn)生工頻磁場進(jìn)行測量，磁場強(qiáng)度最大值位于電抗器的正下方，隨著與電抗器距離增加，磁場強(qiáng)度逐漸降低。

1.1.2 短時電磁環(huán)境

變電站發(fā)生短路時，主接線通過較大的短路電流，站內(nèi)故障點(diǎn)附近工頻磁場強(qiáng)度迅速升高。文獻(xiàn)［14］考慮某220 kV 變電站內(nèi)220 kV 發(fā)生單相短路故障，短路電流50 kA，附近區(qū)域磁場強(qiáng)度最大值為360 A/m。

文獻(xiàn)［1］中對在不同短路電流作用下220 kV 變電站對應(yīng)的離地2 m 高度的短時工頻磁場強(qiáng)度進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，距離越近，磁場強(qiáng)度越大，磁場電壓等級越高，在地面產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度越小。

1.2 數(shù)據(jù)中心工頻磁場環(huán)境

數(shù)據(jù)中心與變電站共站建設(shè)時，變電站運(yùn)行過程中的工頻磁場對數(shù)據(jù)中心設(shè)備產(chǎn)生一定危害。根據(jù)上述分析測量及仿真計(jì)算結(jié)果，220 kV 變電站內(nèi)主變壓器及母線附近、電抗器及電容器附近工頻磁場強(qiáng)度最大值如表1 所示。

表1 220 kV變電站內(nèi)持續(xù)工頻磁場強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of continuous power frequency magnetic field intensity in a 220 kV substation

表1 中，主變壓器及母線附近產(chǎn)生的工頻磁場強(qiáng)度小于80 A/m，數(shù)值較小。變電站內(nèi)電抗器和電容器磁場強(qiáng)度較大。電抗器磁場強(qiáng)度最大值4 000 A/m，電容器工頻磁場強(qiáng)度最大值800 A/m。

2 電磁環(huán)境仿真分析

2.1 數(shù)據(jù)中心工頻磁場強(qiáng)度要求

根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.2 條，數(shù)據(jù)中心對磁場強(qiáng)度要求為“頻磁場場強(qiáng)不應(yīng)大于30 A/m”。根據(jù)GB/T 17626.8—2006《電磁兼容試驗(yàn)和測量技術(shù)工頻磁場抗擾度試驗(yàn)》，數(shù)據(jù)中心按照等級4 標(biāo)準(zhǔn)，持續(xù)工頻磁場強(qiáng)度不應(yīng)大于30 A/m，1～3 s 短時磁場強(qiáng)度不應(yīng)大于300 A/m，如表2 所示。綜上，數(shù)據(jù)中心與變電站共站建設(shè)時持續(xù)工頻磁場強(qiáng)度不應(yīng)大于30 A/m，1～3 s 短時磁場強(qiáng)度不應(yīng)大于300 A/m。

表2 工頻磁場抗擾度試驗(yàn)等級劃分Table 2 Classification of power frequency magnetic field immunity test levels

2.2 電磁環(huán)境仿真參數(shù)

由第1 節(jié)可知，變電站內(nèi)電抗器、電容器、架空出線、電纜出線等周圍存在較強(qiáng)磁場。為了保證合建數(shù)據(jù)中心受到磁場干擾的影響程度滿足數(shù)據(jù)中心磁場規(guī)范要求，利用有限元仿真軟件COMSOL 搭建變電站及數(shù)據(jù)中心各模塊工頻磁場的仿真模型，驗(yàn)證上述理論分析結(jié)果。

有限元法是一種廣泛使用的數(shù)值計(jì)算方法，在數(shù)學(xué)處理上比較方便，能夠模擬各種復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)［15-16］。針對待求解工頻電磁場分布問題，選擇COMSOL 軟件AC/DC 模塊中的靜電接口和磁場接口進(jìn)行計(jì)算。依據(jù)麥克斯韋方程組的微分形式，并結(jié)合初始條件和邊界條件進(jìn)行求解。靜電接口在給出電荷空間分布的情況下求解電荷守恒方程以計(jì)算電勢等物理量，磁場接口求解矢量磁勢的安培定律［17-18］。

使用有限元法COMSOL Multiphysics 的求解流程為：

1）選擇空間維度和物理場接口，設(shè)置激勵源及邊界條件；

2）設(shè)置研究類型、配置求解器、設(shè)置分析頻率；

3）求解有限元模型；

4）設(shè)置繪圖參數(shù)，導(dǎo)出計(jì)算數(shù)據(jù)。

對某220 kV 多站融合能源站進(jìn)行仿真驗(yàn)證，數(shù)據(jù)中心與配電裝置共一棟建筑布置，主要針對并聯(lián)電容器，110 kV 和220 kV 架空和電纜出線進(jìn)行電磁仿真。220 kV 架空出線采用2×（LGJ-630/55），220 kV電纜出線采用3×（ZC-YJLW02-220-1×2500），額定電流1 300 A；110 kV 架空出線采用2×（LGJ-240/55），110 kV 電纜出線采用3×（YJLW02-110-1×630），額定電流1 000 A。表3 給出了某220 kV 多站融合能源站工頻磁場仿真參數(shù)。

表3 某220 kV多站融合能源站工頻磁場仿真參數(shù)Table 3 Power frequency magnetic field simulation parameters for a 220 kV multi station integrated energy station

2.2.1 電容器工頻磁場仿真

同時取數(shù)據(jù)中心設(shè)備在0.5 m、1 m、1.5 m、2 m高度時最大磁場強(qiáng)度值，分析電容器距離數(shù)據(jù)中心不同距離時穩(wěn)態(tài)工頻磁場及短時工頻磁場強(qiáng)度大小。

表4 列出了數(shù)據(jù)中心距離電容器5 m、8 m、11 m、13 m 時持續(xù)（穩(wěn)態(tài)）工頻磁場強(qiáng)度和短時（暫態(tài)）工頻磁場強(qiáng)度最大值，對應(yīng)仿真結(jié)果如圖1、圖2 所示。

圖1 穩(wěn)態(tài)工頻磁場強(qiáng)度仿真結(jié)果（電容器）Fig.1 Simulation results of steady-state power frequency magnetic field strength（capacitor）

圖2 短時工頻磁場強(qiáng)度仿真結(jié)果（電容器）Fig.2 Simulation results of short-term power frequency magnetic field strength（capacitor）

表4 工頻磁場強(qiáng)度最大值（電容器）Table 4 Maximum power frequency magnetic field intensity（capacitor）單位：A/m

可以看出，數(shù)據(jù)中心設(shè)備距離電容器大于10 m時，滿足持續(xù)工頻磁場強(qiáng)度小于30 A/m、短時磁場強(qiáng)度小于300 A/m 的規(guī)范要求。

2.2.2 架空線路工頻磁場仿真

同樣考慮架空線路距離數(shù)據(jù)中心不同距離時持續(xù)（穩(wěn)態(tài)）工頻磁場及短時（暫態(tài)）工頻磁場強(qiáng)度大小。同時取數(shù)據(jù)中心設(shè)備在0.5 m、1 m、1.5 m、2 m高度時最大磁場強(qiáng)度值，分析數(shù)據(jù)中心距離架空線路2 m、5 m、10 m、15 m 時持續(xù)工頻磁場強(qiáng)度和短時工頻磁場強(qiáng)度，仿真結(jié)果分別如表5、圖3 和圖4所示。

圖3 穩(wěn)態(tài)工頻磁場強(qiáng)度仿真結(jié)果（架空線路）Fig.3 Simulation results of steady-state power frequency magnetic field strength（overhead lines）

圖4 短時工頻磁場強(qiáng)度仿真結(jié)果（架空線路）Fig.4 Simulation results of short-term power frequency magnetic field strength（overhead lines）

表5 工頻磁場強(qiáng)度最大值（架空線路）Table 5 Maximum power frequency magnetic field intensity（overhead lines）單位：A/m

可以看出，數(shù)據(jù)中心設(shè)備距離架空線路小于10 m時，滿足持續(xù)工頻磁場強(qiáng)度小于30 A/m、短時磁場強(qiáng)度小于300 A/m 的規(guī)范要求。

2.2.3 電纜線路工頻磁場仿真

同樣，取數(shù)據(jù)中心設(shè)備在0.5 m、1 m、1.5 m、2 m 高度時最大磁場強(qiáng)度值，分析數(shù)據(jù)中心距離電纜線路2 m、4 m、6 m、10 m 時持續(xù)工頻磁場強(qiáng)度和短時工頻磁場強(qiáng)度，仿真結(jié)果見表6、圖5和圖6。

圖5 穩(wěn)態(tài)工頻磁場強(qiáng)度仿真結(jié)果（電纜線路）Fig.5 Simulation results of steady-state power frequency magnetic field strength（cable line）

圖6 短時工頻磁場強(qiáng)度仿真結(jié)果（電纜線路）Fig.6 Simulation results of short-term power frequency magnetic field strength（cable line）

表6 工頻磁場強(qiáng)度最大值（電纜線路）Table 6 Maximum power frequency magnetic field intensity（cable line）單位：A/m

可以看出，數(shù)據(jù)中心設(shè)備距離電纜線路小于2 m即可滿足持續(xù)工頻磁場強(qiáng)度小于30 A/m、短時磁場強(qiáng)度小于300 A/m 的要求。通常，高壓電纜采用單芯品字型布置，電磁感應(yīng)相互抵消，因此高壓電纜對數(shù)據(jù)中心所產(chǎn)生的工頻磁場強(qiáng)度較小。該工程在電纜敷設(shè)時，220 kV、110 kV 高壓電纜均采用單芯電纜品字形布置，以減少電磁干擾。

3 數(shù)據(jù)中心與變電站共站建設(shè)方案比選

針對某220kV 多站融合能源站中變電站、數(shù)據(jù)中心、儲能系統(tǒng)三站合一融合建設(shè)的電磁兼容問題，對比4 種設(shè)計(jì)方案數(shù)據(jù)中心與變電站共站建設(shè)時工頻磁場強(qiáng)度。

方案Ⅰ：全站設(shè)置一座一層配電裝置樓，220 kV配電裝置布置在一層樓頂；110 kV 配電裝置布置在一層。主變壓器布置在儲能與配電裝置樓之間。數(shù)據(jù)中心為一棟一層建筑，布置在站址東南角，儲能采用集裝箱式模塊化布置在站址北側(cè)，充電車位布置在站址東北側(cè)。220 kV 架空電纜出線，110 kV 電纜出線。

方案Ⅱ：全站僅設(shè)置一棟二層生產(chǎn)綜合樓，布置在站址南側(cè)，儲能布置在地下一層，220 kV、110 kV配電裝置均布置在一層，數(shù)據(jù)中心布置在二層，主變壓器布置在生產(chǎn)綜合樓北側(cè)，進(jìn)站道路從東側(cè)接入，充電車位布置在站址東側(cè)。220 kV 架空電纜出線，110 kV 全電纜出線。

方案Ⅲ：變電站布置在站址南側(cè)，設(shè)置一座二層生產(chǎn)綜合樓，220 kV、110 kV 配電裝置布置在一層，數(shù)據(jù)中心布置在二層，主變壓器布置在儲能與配電裝置樓之間，進(jìn)站道路從東側(cè)接入，儲能采用集裝箱式模塊化布置在站址北側(cè)，充電車位布置在站址東北側(cè)。220 kV 架空電纜出線，110 kV 全電纜出線。

方案Ⅳ：變電站布置在站址南側(cè)，設(shè)置一座二層生產(chǎn)綜合樓，220 kV、110 kV 配電裝置布置在二層，數(shù)據(jù)中心布置在一層，主變壓器布置在儲能與配電裝置樓之間，進(jìn)站道路從東側(cè)接入，儲能采用集裝箱式模塊化布置在站址北側(cè)，充電車位布置在站址東北側(cè)。220 kV 架空電纜出線，110 kV 全電纜出線。

4 種方案工頻磁場強(qiáng)度分析結(jié)果如表7 所示。由第2 節(jié)仿真結(jié)果可知，數(shù)據(jù)中心設(shè)備與電容器的距離大于10 m、與架空線路的距離大于10 m、與電纜線路的距離大于2 m 時，可以保證數(shù)據(jù)中心設(shè)備承受的穩(wěn)定持續(xù)工頻磁場的磁場強(qiáng)度小于30 A/m，短時工頻磁場的磁場強(qiáng)度小于300 A/m，滿足規(guī)范要求。

表7 4種方案工頻磁場強(qiáng)度對比Table 7 Comparison of power frequency magnetic field intensity among four schemes 單位：m

表7 中，方案Ⅱ和方案Ⅲ由于數(shù)據(jù)中心距離電容器和架空線路距離較近，工頻磁場強(qiáng)度不滿足要求，方案Ⅰ和方案Ⅳ工頻磁場強(qiáng)度滿足要求。因此，根據(jù)文中220 kV 多站融合能源站工程特點(diǎn)，配電裝置與數(shù)據(jù)中心共一棟建筑布置時，數(shù)據(jù)中心布置在二層，工頻磁場強(qiáng)度不滿足要求。另外，方案Ⅰ中數(shù)據(jù)中心與變電站獨(dú)立布置，占據(jù)兩棟樓；方案Ⅳ是數(shù)據(jù)中心與變電站共用一棟樓，占地面積更小、整體投資更低。因此，設(shè)計(jì)選取方案Ⅳ，其全站一層平面布置如圖7 所示，電氣總斷面如圖8 所示。

圖7 多站融合能源站一層平面布置Fig.7 Layout plan of the first floor of multi station integrated energy station

圖8 多站融合能源站電氣總斷面圖Fig.8 Electrical general section of multi station integrated energy station

結(jié)合文中工程數(shù)據(jù)中心與變電站共一棟建筑布置方案特點(diǎn)，考慮電容器、架空線路、電纜線路幾種因素共同作用時，對數(shù)據(jù)中心周圍工頻磁場進(jìn)行進(jìn)一步仿真建模，圖9 為數(shù)據(jù)中心周圍穩(wěn)態(tài)和短時工頻磁場強(qiáng)度仿真結(jié)果?？梢钥闯?，數(shù)據(jù)中心穩(wěn)態(tài)工頻磁場強(qiáng)度最大值為17.468 A/m，短時工頻磁場強(qiáng)度最大值為195.061 A/m，滿足規(guī)范要求（穩(wěn)態(tài)工頻磁場強(qiáng)度小于30 A/m，短時磁場強(qiáng)度小于300 A/m）。

圖9 工程數(shù)據(jù)中心周圍穩(wěn)態(tài)和短時工頻磁場強(qiáng)度仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of steady-state and short-term power frequency magnetic field intensity around the engineering data center

4 數(shù)據(jù)中心工頻磁場防護(hù)策略

由前3 節(jié)分析可知，對于共站建設(shè)的變電站和通信數(shù)據(jù)中心，若變電站與數(shù)據(jù)中心在同一建筑物，兩者空間距離較近時，變電站運(yùn)行過程中的穩(wěn)態(tài)和短時工頻磁場對共站址建設(shè)數(shù)據(jù)中心的設(shè)備產(chǎn)生危害。

數(shù)據(jù)中心與變電站共站建設(shè)時，控制數(shù)據(jù)中心與電抗器、電容器、架空線路、電纜線路的距離是最為可靠、經(jīng)濟(jì)的策略。對220 kV 多站融合能源站，配電裝置與數(shù)據(jù)中心共一棟建筑布置時，數(shù)據(jù)中心布置在一層，且保持?jǐn)?shù)據(jù)中心設(shè)備與電容器的距離大于10 m，與架空線路的距離大于10 m，與電纜線路的距離大于2 m，可以保證數(shù)據(jù)中心設(shè)備承受的穩(wěn)定持續(xù)工頻磁場的磁場強(qiáng)度小于30 A/m，短時工頻磁場的磁場強(qiáng)度小于300 A/m，以滿足工頻磁場抗擾度要求。

5 結(jié)束語

分析數(shù)據(jù)中心與變電站共站建設(shè)時，變電站內(nèi)設(shè)備在穩(wěn)態(tài)和短路工頻磁場產(chǎn)生的電磁干擾情況。通過分析現(xiàn)有資料及測量結(jié)果，總結(jié)變電站產(chǎn)生的工頻磁場環(huán)境特征。在此基礎(chǔ)上，利用有限元仿真軟件COMSOL 對某220 kV 多站融合能源站工程數(shù)據(jù)中心和變電站共建時各高壓設(shè)備進(jìn)行電磁建模仿真。結(jié)果表明，數(shù)據(jù)中心設(shè)備與變電站設(shè)備相距一定距離是解決工頻磁場干擾最有效且經(jīng)濟(jì)的措施。將數(shù)據(jù)中心與變電站共用一棟建筑布置方式，且工頻磁場干擾滿足規(guī)范要求，可有效節(jié)省建筑面積和體積，節(jié)約工程造價成本。

數(shù)據(jù)中心與變電站共站建設(shè)，除了控制數(shù)據(jù)中心與變電站設(shè)備一定距離外，未來可以考慮加強(qiáng)數(shù)據(jù)中心存儲設(shè)備抗電磁干擾能力，研制安全存儲系統(tǒng)，耐受數(shù)據(jù)中心與變電站共站時可能出現(xiàn)的嚴(yán)酷的工頻磁場環(huán)境，在合理布置的基礎(chǔ)上節(jié)省占地面積。