多站融合能源站数据中心与变电站电磁兼容仿真分析

朱 灿，苏永生，鲍玉莹，沈 伟，陈政江

（1.国网安徽省电力有限公司经济技术研究院，安徽 合肥 230022；2.中国邮政储蓄银行数据中心，安徽 合肥 230051）

0 引言

随着国内数据集群的快速增长，多站融合变电站与数据中心共站建设成为未来发展的一种趋势。数据中心运行需要消耗大量电力，需要变电站进行独立供电。由于土地问题，城市中建设数据中心，一般需要数据中心与变电站共站建设。

对变电站尤其是户外变电站，站内导线较多，带电设备种类多且设备布置形式差异较大，导致变电站内磁场干扰计算较为复杂，且缺乏对多个因素综合考量的分析［1］。

由于数据中心建筑物具有屏蔽效应，变电站产生的稳态工频电场、短时电场及操作时产生的瞬态电磁场，在数据中心内部影响较小，文中不予考虑［1-2］。以弱电为主的数据中心与变电站共站建设时对信息通信系统的危害较大［3-5］，文献［6-9］提出变电站对数据中心有两方面影响：1）变电站发生接地故障时接地电位升及电位差对通信设备产生电磁干扰，同时接触电势及跨步电压也对人员安全造成危害；2）变电站工频磁场对服务器中信息造成破坏，例如数据处理和显示混乱、内存信息丢失，导致磁盘数据损坏或丢失。

多站融合建设中，数据中心和高压系统如何共存已成为一个重要课题［10］。文中根据变电站的电磁环境特点分析其对数据中心的影响情况，对多站融合中变电站、数据中心、储能系统三站合一融合建设的电磁兼容情况进行仿真分析，并提出多站融合变电站建设方案。

1 数据中心与变电站共站时电磁环境特征

1.1 变电站电磁环境特征

1.1.1 稳态电磁环境

变电站内工频磁场骚扰源主要有大电流导体和设备，包括载流导体（无屏蔽的重载流母线和进出线）、主变压器、电抗器和电容器组等，其工频磁场随距离的增加而快速下降。重点对变压器及附近母线区域、电容器区域、电抗器区域产生的电磁干扰进行分析。

1）变压器及附近母线产生工频磁场。

由于地面具有极化作用，以离地1.5 m 高处的空间场强作为变电站工频电磁环境的依据。主变压器距离测量点2 m 左右，距离架空线路10 m 以上。文献［11］对500 kV、220 kV、110 kV 变电站母线下方及附近工频磁场强度分布进行了测量，得出结论：站内母线场量幅值与线路电流成正比，且随与线路距离的增大而减小；电压等级越高，在地面产生的工频磁场越小；主变压器附近的磁场强度和同电压等级低压线路附近的磁场强度基本一致。

2）电容器产生工频磁场。

文献［12］对某同塔双回进线变电站的无功电容器产生的工频磁场进行计算。测量得到额定功率下的工频磁场强度最大值为876 A/m。当距离5 m 时，工频磁场强度最大值可控制在80 A/m 以内。

3）电抗器产生工频磁场。

文献［13］对500 kV 变电站的35 kV 并联电抗器产生的工频磁场进行测试，结果表明并联电抗器磁场强度随着距离电抗器中心线的增加而降低。文献［10］对某220 kV 变电站的35 kV 电抗器产生工频磁场进行测量，磁场强度最大值位于电抗器的正下方，随着与电抗器距离增加，磁场强度逐渐降低。

1.1.2 短时电磁环境

变电站发生短路时，主接线通过较大的短路电流，站内故障点附近工频磁场强度迅速升高。文献［14］考虑某220 kV 变电站内220 kV 发生单相短路故障，短路电流50 kA，附近区域磁场强度最大值为360 A/m。

文献［1］中对在不同短路电流作用下220 kV 变电站对应的离地2 m 高度的短时工频磁场强度进行仿真。结果表明，距离越近，磁场强度越大，磁场电压等级越高，在地面产生的磁场强度越小。

1.2 数据中心工频磁场环境

数据中心与变电站共站建设时，变电站运行过程中的工频磁场对数据中心设备产生一定危害。根据上述分析测量及仿真计算结果，220 kV 变电站内主变压器及母线附近、电抗器及电容器附近工频磁场强度最大值如表1 所示。

表1 220 kV变电站内持续工频磁场强度计算结果Table 1 Calculation results of continuous power frequency magnetic field intensity in a 220 kV substation

表1 中，主变压器及母线附近产生的工频磁场强度小于80 A/m，数值较小。变电站内电抗器和电容器磁场强度较大。电抗器磁场强度最大值4 000 A/m，电容器工频磁场强度最大值800 A/m。

2 电磁环境仿真分析

2.1 数据中心工频磁场强度要求

根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》第5.2.2 条，数据中心对磁场强度要求为“频磁场场强不应大于30 A/m”。根据GB/T 17626.8—2006《电磁兼容试验和测量技术工频磁场抗扰度试验》，数据中心按照等级4 标准，持续工频磁场强度不应大于30 A/m，1～3 s 短时磁场强度不应大于300 A/m，如表2 所示。综上，数据中心与变电站共站建设时持续工频磁场强度不应大于30 A/m，1～3 s 短时磁场强度不应大于300 A/m。

表2 工频磁场抗扰度试验等级划分Table 2 Classification of power frequency magnetic field immunity test levels

2.2 电磁环境仿真参数

由第1 节可知，变电站内电抗器、电容器、架空出线、电缆出线等周围存在较强磁场。为了保证合建数据中心受到磁场干扰的影响程度满足数据中心磁场规范要求，利用有限元仿真软件COMSOL 搭建变电站及数据中心各模块工频磁场的仿真模型，验证上述理论分析结果。

有限元法是一种广泛使用的数值计算方法，在数学处理上比较方便，能够模拟各种复杂的几何结构［15-16］。针对待求解工频电磁场分布问题，选择COMSOL 软件AC/DC 模块中的静电接口和磁场接口进行计算。依据麦克斯韦方程组的微分形式，并结合初始条件和边界条件进行求解。静电接口在给出电荷空间分布的情况下求解电荷守恒方程以计算电势等物理量，磁场接口求解矢量磁势的安培定律［17-18］。

使用有限元法COMSOL Multiphysics 的求解流程为：

1）选择空间维度和物理场接口，设置激励源及边界条件；

2）设置研究类型、配置求解器、设置分析频率；

3）求解有限元模型；

4）设置绘图参数，导出计算数据。

对某220 kV 多站融合能源站进行仿真验证，数据中心与配电装置共一栋建筑布置，主要针对并联电容器，110 kV 和220 kV 架空和电缆出线进行电磁仿真。220 kV 架空出线采用2×（LGJ-630/55），220 kV电缆出线采用3×（ZC-YJLW02-220-1×2500），额定电流1 300 A；110 kV 架空出线采用2×（LGJ-240/55），110 kV 电缆出线采用3×（YJLW02-110-1×630），额定电流1 000 A。表3 给出了某220 kV 多站融合能源站工频磁场仿真参数。

表3 某220 kV多站融合能源站工频磁场仿真参数Table 3 Power frequency magnetic field simulation parameters for a 220 kV multi station integrated energy station

2.2.1 电容器工频磁场仿真

同时取数据中心设备在0.5 m、1 m、1.5 m、2 m高度时最大磁场强度值，分析电容器距离数据中心不同距离时稳态工频磁场及短时工频磁场强度大小。

表4 列出了数据中心距离电容器5 m、8 m、11 m、13 m 时持续（稳态）工频磁场强度和短时（暂态）工频磁场强度最大值，对应仿真结果如图1、图2 所示。

图1 稳态工频磁场强度仿真结果（电容器）Fig.1 Simulation results of steady-state power frequency magnetic field strength（capacitor）

图2 短时工频磁场强度仿真结果（电容器）Fig.2 Simulation results of short-term power frequency magnetic field strength（capacitor）

表4 工频磁场强度最大值（电容器）Table 4 Maximum power frequency magnetic field intensity（capacitor）单位：A/m

可以看出，数据中心设备距离电容器大于10 m时，满足持续工频磁场强度小于30 A/m、短时磁场强度小于300 A/m 的规范要求。

2.2.2 架空线路工频磁场仿真

同样考虑架空线路距离数据中心不同距离时持续（稳态）工频磁场及短时（暂态）工频磁场强度大小。同时取数据中心设备在0.5 m、1 m、1.5 m、2 m高度时最大磁场强度值，分析数据中心距离架空线路2 m、5 m、10 m、15 m 时持续工频磁场强度和短时工频磁场强度，仿真结果分别如表5、图3 和图4所示。

图3 稳态工频磁场强度仿真结果（架空线路）Fig.3 Simulation results of steady-state power frequency magnetic field strength（overhead lines）

图4 短时工频磁场强度仿真结果（架空线路）Fig.4 Simulation results of short-term power frequency magnetic field strength（overhead lines）

表5 工频磁场强度最大值（架空线路）Table 5 Maximum power frequency magnetic field intensity（overhead lines）单位：A/m

可以看出，数据中心设备距离架空线路小于10 m时，满足持续工频磁场强度小于30 A/m、短时磁场强度小于300 A/m 的规范要求。

2.2.3 电缆线路工频磁场仿真

同样，取数据中心设备在0.5 m、1 m、1.5 m、2 m 高度时最大磁场强度值，分析数据中心距离电缆线路2 m、4 m、6 m、10 m 时持续工频磁场强度和短时工频磁场强度，仿真结果见表6、图5和图6。

图5 稳态工频磁场强度仿真结果（电缆线路）Fig.5 Simulation results of steady-state power frequency magnetic field strength（cable line）

图6 短时工频磁场强度仿真结果（电缆线路）Fig.6 Simulation results of short-term power frequency magnetic field strength（cable line）

表6 工频磁场强度最大值（电缆线路）Table 6 Maximum power frequency magnetic field intensity（cable line）单位：A/m

可以看出，数据中心设备距离电缆线路小于2 m即可满足持续工频磁场强度小于30 A/m、短时磁场强度小于300 A/m 的要求。通常，高压电缆采用单芯品字型布置，电磁感应相互抵消，因此高压电缆对数据中心所产生的工频磁场强度较小。该工程在电缆敷设时，220 kV、110 kV 高压电缆均采用单芯电缆品字形布置，以减少电磁干扰。

3 数据中心与变电站共站建设方案比选

针对某220kV 多站融合能源站中变电站、数据中心、储能系统三站合一融合建设的电磁兼容问题，对比4 种设计方案数据中心与变电站共站建设时工频磁场强度。

方案Ⅰ：全站设置一座一层配电装置楼，220 kV配电装置布置在一层楼顶；110 kV 配电装置布置在一层。主变压器布置在储能与配电装置楼之间。数据中心为一栋一层建筑，布置在站址东南角，储能采用集装箱式模块化布置在站址北侧，充电车位布置在站址东北侧。220 kV 架空电缆出线，110 kV 电缆出线。

方案Ⅱ：全站仅设置一栋二层生产综合楼，布置在站址南侧，储能布置在地下一层，220 kV、110 kV配电装置均布置在一层，数据中心布置在二层，主变压器布置在生产综合楼北侧，进站道路从东侧接入，充电车位布置在站址东侧。220 kV 架空电缆出线，110 kV 全电缆出线。

方案Ⅲ：变电站布置在站址南侧，设置一座二层生产综合楼，220 kV、110 kV 配电装置布置在一层，数据中心布置在二层，主变压器布置在储能与配电装置楼之间，进站道路从东侧接入，储能采用集装箱式模块化布置在站址北侧，充电车位布置在站址东北侧。220 kV 架空电缆出线，110 kV 全电缆出线。

方案Ⅳ：变电站布置在站址南侧，设置一座二层生产综合楼，220 kV、110 kV 配电装置布置在二层，数据中心布置在一层，主变压器布置在储能与配电装置楼之间，进站道路从东侧接入，储能采用集装箱式模块化布置在站址北侧，充电车位布置在站址东北侧。220 kV 架空电缆出线，110 kV 全电缆出线。

4 种方案工频磁场强度分析结果如表7 所示。由第2 节仿真结果可知，数据中心设备与电容器的距离大于10 m、与架空线路的距离大于10 m、与电缆线路的距离大于2 m 时，可以保证数据中心设备承受的稳定持续工频磁场的磁场强度小于30 A/m，短时工频磁场的磁场强度小于300 A/m，满足规范要求。

表7 4种方案工频磁场强度对比Table 7 Comparison of power frequency magnetic field intensity among four schemes 单位：m

表7 中，方案Ⅱ和方案Ⅲ由于数据中心距离电容器和架空线路距离较近，工频磁场强度不满足要求，方案Ⅰ和方案Ⅳ工频磁场强度满足要求。因此，根据文中220 kV 多站融合能源站工程特点，配电装置与数据中心共一栋建筑布置时，数据中心布置在二层，工频磁场强度不满足要求。另外，方案Ⅰ中数据中心与变电站独立布置，占据两栋楼；方案Ⅳ是数据中心与变电站共用一栋楼，占地面积更小、整体投资更低。因此，设计选取方案Ⅳ，其全站一层平面布置如图7 所示，电气总断面如图8 所示。

图7 多站融合能源站一层平面布置Fig.7 Layout plan of the first floor of multi station integrated energy station

图8 多站融合能源站电气总断面图Fig.8 Electrical general section of multi station integrated energy station

结合文中工程数据中心与变电站共一栋建筑布置方案特点，考虑电容器、架空线路、电缆线路几种因素共同作用时，对数据中心周围工频磁场进行进一步仿真建模，图9 为数据中心周围稳态和短时工频磁场强度仿真结果。可以看出，数据中心稳态工频磁场强度最大值为17.468 A/m，短时工频磁场强度最大值为195.061 A/m，满足规范要求（稳态工频磁场强度小于30 A/m，短时磁场强度小于300 A/m）。

图9 工程数据中心周围稳态和短时工频磁场强度仿真结果Fig.9 Simulation results of steady-state and short-term power frequency magnetic field intensity around the engineering data center

4 数据中心工频磁场防护策略

由前3 节分析可知，对于共站建设的变电站和通信数据中心，若变电站与数据中心在同一建筑物，两者空间距离较近时，变电站运行过程中的稳态和短时工频磁场对共站址建设数据中心的设备产生危害。

数据中心与变电站共站建设时，控制数据中心与电抗器、电容器、架空线路、电缆线路的距离是最为可靠、经济的策略。对220 kV 多站融合能源站，配电装置与数据中心共一栋建筑布置时，数据中心布置在一层，且保持数据中心设备与电容器的距离大于10 m，与架空线路的距离大于10 m，与电缆线路的距离大于2 m，可以保证数据中心设备承受的稳定持续工频磁场的磁场强度小于30 A/m，短时工频磁场的磁场强度小于300 A/m，以满足工频磁场抗扰度要求。

5 结束语

分析数据中心与变电站共站建设时，变电站内设备在稳态和短路工频磁场产生的电磁干扰情况。通过分析现有资料及测量结果，总结变电站产生的工频磁场环境特征。在此基础上，利用有限元仿真软件COMSOL 对某220 kV 多站融合能源站工程数据中心和变电站共建时各高压设备进行电磁建模仿真。结果表明，数据中心设备与变电站设备相距一定距离是解决工频磁场干扰最有效且经济的措施。将数据中心与变电站共用一栋建筑布置方式，且工频磁场干扰满足规范要求，可有效节省建筑面积和体积，节约工程造价成本。

数据中心与变电站共站建设，除了控制数据中心与变电站设备一定距离外，未来可以考虑加强数据中心存储设备抗电磁干扰能力，研制安全存储系统，耐受数据中心与变电站共站时可能出现的严酷的工频磁场环境，在合理布置的基础上节省占地面积。