多站融合能源站數(shù)據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.國網安徽省電力有限公司經濟技術研究院，安徽 合肥 230022；2.中國郵政儲蓄銀行數(shù)據中心，安徽 合肥 230051）

0 引言

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

對變電站尤其是戶外變電站，站內導線較多，帶電設備種類多且設備布置形式差異較大，導致變電站內磁場干擾計算較為復雜，且缺乏對多個因素綜合考量的分析［1］。

由于數(shù)據中心建筑物具有屏蔽效應，變電站產生的穩(wěn)態(tài)工頻電場、短時電場及操作時產生的瞬態(tài)電磁場，在數(shù)據中心內部影響較小，文中不予考慮［1-2］。以弱電為主的數(shù)據中心與變電站共站建設時對信息通信系統(tǒng)的危害較大［3-5］，文獻［6-9］提出變電站對數(shù)據中心有兩方面影響：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備產生電磁干擾，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器中信息造成破壞，例如數(shù)據處理和顯示混亂、內存信息丟失，導致磁盤數(shù)據損壞或丟失。

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

1 數(shù)據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

變電站內工頻磁場騷擾源主要有大電流導體和設備，包括載流導體（無屏蔽的重載流母線和進出線）、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)域產生的電磁干擾進行分析。

1）變壓器及附近母線產生工頻磁場。

由于地面具有極化作用，以離地1.5 m 高處的空間場強作為變電站工頻電磁環(huán)境的依據。主變壓器距離測量點2 m 左右，距離架空線路10 m 以上。文獻［11］對500 kV、220 kV、110 kV 變電站母線下方及附近工頻磁場強度分布進行了測量，得出結論：站內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小；電壓等級越高，在地面產生的工頻磁場越小；主變壓器附近的磁場強度和同電壓等級低壓線路附近的磁場強度基本一致。

2）電容器產生工頻磁場。

文獻［12］對某同塔雙回進線變電站的無功電容器產生的工頻磁場進行計算。測量得到額定功率下的工頻磁場強度最大值為876 A/m。當距離5 m 時，工頻磁場強度最大值可控制在80 A/m 以內。

3）電抗器產生工頻磁場。

文獻［13］對500 kV 變電站的35 kV 并聯(lián)電抗器產生的工頻磁場進行測試，結果表明并聯(lián)電抗器磁場強度隨著距離電抗器中心線的增加而降低。文獻［10］對某220 kV 變電站的35 kV 電抗器產生工頻磁場進行測量，磁場強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，站內故障點附近工頻磁場強度迅速升高。文獻［14］考慮某220 kV 變電站內220 kV 發(fā)生單相短路故障，短路電流50 kA，附近區(qū)域磁場強度最大值為360 A/m。

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

1.2 數(shù)據中心工頻磁場環(huán)境

數(shù)據中心與變電站共站建設時，變電站運行過程中的工頻磁場對數(shù)據中心設備產生一定危害。根據上述分析測量及仿真計算結果，220 kV 變電站內主變壓器及母線附近、電抗器及電容器附近工頻磁場強度最大值如表1 所示。

表1 220 kV變電站內持續(xù)工頻磁場強度計算結果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生的工頻磁場強度小于80 A/m，數(shù)值較小。變電站內電抗器和電容器磁場強度較大。電抗器磁場強度最大值4 000 A/m，電容器工頻磁場強度最大值800 A/m。

2 電磁環(huán)境仿真分析

2.1 數(shù)據中心工頻磁場強度要求

根據GB 50174—2017《數(shù)據中心設計規(guī)范》第5.2.2 條，數(shù)據中心對磁場強度要求為“頻磁場場強不應大于30 A/m”。根據GB/T 17626.8—2006《電磁兼容試驗和測量技術工頻磁場抗擾度試驗》，數(shù)據中心按照等級4 標準，持續(xù)工頻磁場強度不應大于30 A/m，1～3 s 短時磁場強度不應大于300 A/m，如表2 所示。綜上，數(shù)據中心與變電站共站建設時持續(xù)工頻磁場強度不應大于30 A/m，1～3 s 短時磁場強度不應大于300 A/m。

表2 工頻磁場抗擾度試驗等級劃分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，變電站內電抗器、電容器、架空出線、電纜出線等周圍存在較強磁場。為了保證合建數(shù)據中心受到磁場干擾的影響程度滿足數(shù)據中心磁場規(guī)范要求，利用有限元仿真軟件COMSOL 搭建變電站及數(shù)據中心各模塊工頻磁場的仿真模型，驗證上述理論分析結果。

有限元法是一種廣泛使用的數(shù)值計算方法，在數(shù)學處理上比較方便，能夠模擬各種復雜的幾何結構［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行計算。依據麥克斯韋方程組的微分形式，并結合初始條件和邊界條件進行求解。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，設置激勵源及邊界條件；

2）設置研究類型、配置求解器、設置分析頻率；

3）求解有限元模型；

4）設置繪圖參數(shù)，導出計算數(shù)據。

對某220 kV 多站融合能源站進行仿真驗證，數(shù)據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)據中心設備在0.5 m、1 m、1.5 m、2 m高度時最大磁場強度值，分析電容器距離數(shù)據中心不同距離時穩(wěn)態(tài)工頻磁場及短時工頻磁場強度大小。

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

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

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

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

可以看出，數(shù)據中心設備距離電容器大于10 m時，滿足持續(xù)工頻磁場強度小于30 A/m、短時磁場強度小于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)）工頻磁場強度大小。同時取數(shù)據中心設備在0.5 m、1 m、1.5 m、2 m高度時最大磁場強度值，分析數(shù)據中心距離架空線路2 m、5 m、10 m、15 m 時持續(xù)工頻磁場強度和短時工頻磁場強度，仿真結果分別如表5、圖3 和圖4所示。

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

圖4 短時工頻磁場強度仿真結果（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)據中心設備距離架空線路小于10 m時，滿足持續(xù)工頻磁場強度小于30 A/m、短時磁場強度小于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)據中心設備在0.5 m、1 m、1.5 m、2 m 高度時最大磁場強度值，分析數(shù)據中心距離電纜線路2 m、4 m、6 m、10 m 時持續(xù)工頻磁場強度和短時工頻磁場強度，仿真結果見表6、圖5和圖6。

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

圖6 短時工頻磁場強度仿真結果（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)據中心設備距離電纜線路小于2 m即可滿足持續(xù)工頻磁場強度小于30 A/m、短時磁場強度小于300 A/m 的要求。通常，高壓電纜采用單芯品字型布置，電磁感應相互抵消，因此高壓電纜對數(shù)據中心所產生的工頻磁場強度較小。該工程在電纜敷設時，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)據中心與變電站共站建設方案比選

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

方案Ⅰ：全站設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，充電車位布置在站址東北側。220 kV 架空電纜出線，110 kV 電纜出線。

方案Ⅱ：全站僅設置一棟二層生產綜合樓，布置在站址南側，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)據中心布置在二層，主變壓器布置在生產綜合樓北側，進站道路從東側接入，充電車位布置在站址東側。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，設置一座二層生產綜合樓，220 kV、110 kV 配電裝置布置在一層，數(shù)據中心布置在二層，主變壓器布置在儲能與配電裝置樓之間，進站道路從東側接入，儲能采用集裝箱式模塊化布置在站址北側，充電車位布置在站址東北側。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，設置一座二層生產綜合樓，220 kV、110 kV 配電裝置布置在二層，數(shù)據中心布置在一層，主變壓器布置在儲能與配電裝置樓之間，進站道路從東側接入，儲能采用集裝箱式模塊化布置在站址北側，充電車位布置在站址東北側。220 kV 架空電纜出線，110 kV 全電纜出線。

4 種方案工頻磁場強度分析結果如表7 所示。由第2 節(jié)仿真結果可知，數(shù)據中心設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)據中心設備承受的穩(wěn)定持續(xù)工頻磁場的磁場強度小于30 A/m，短時工頻磁場的磁場強度小于300 A/m，滿足規(guī)范要求。

表7 4種方案工頻磁場強度對比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)據中心距離電容器和架空線路距離較近，工頻磁場強度不滿足要求，方案Ⅰ和方案Ⅳ工頻磁場強度滿足要求。因此，根據文中220 kV 多站融合能源站工程特點，配電裝置與數(shù)據中心共一棟建筑布置時，數(shù)據中心布置在二層，工頻磁場強度不滿足要求。另外，方案Ⅰ中數(shù)據中心與變電站獨立布置，占據兩棟樓；方案Ⅳ是數(shù)據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，設計選取方案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

結合文中工程數(shù)據中心與變電站共一棟建筑布置方案特點，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)據中心周圍工頻磁場進行進一步仿真建模，圖9 為數(shù)據中心周圍穩(wěn)態(tài)和短時工頻磁場強度仿真結果。可以看出，數(shù)據中心穩(wěn)態(tài)工頻磁場強度最大值為17.468 A/m，短時工頻磁場強度最大值為195.061 A/m，滿足規(guī)范要求（穩(wěn)態(tài)工頻磁場強度小于30 A/m，短時磁場強度小于300 A/m）。

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

4 數(shù)據中心工頻磁場防護策略

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

數(shù)據中心與變電站共站建設時，控制數(shù)據中心與電抗器、電容器、架空線路、電纜線路的距離是最為可靠、經濟的策略。對220 kV 多站融合能源站，配電裝置與數(shù)據中心共一棟建筑布置時，數(shù)據中心布置在一層，且保持數(shù)據中心設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)據中心設備承受的穩(wěn)定持續(xù)工頻磁場的磁場強度小于30 A/m，短時工頻磁場的磁場強度小于300 A/m，以滿足工頻磁場抗擾度要求。

5 結束語

分析數(shù)據中心與變電站共站建設時，變電站內設備在穩(wěn)態(tài)和短路工頻磁場產生的電磁干擾情況。通過分析現(xiàn)有資料及測量結果，總結變電站產生的工頻磁場環(huán)境特征。在此基礎上，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)據中心和變電站共建時各高壓設備進行電磁建模仿真。結果表明，數(shù)據中心設備與變電站設備相距一定距離是解決工頻磁場干擾最有效且經濟的措施。將數(shù)據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)據中心與變電站共站建設，除了控制數(shù)據中心與變電站設備一定距離外，未來可以考慮加強數(shù)據中心存儲設備抗電磁干擾能力，研制安全存儲系統(tǒng)，耐受數(shù)據中心與變電站共站時可能出現(xiàn)的嚴酷的工頻磁場環(huán)境，在合理布置的基礎上節(jié)省占地面積。