Disseny de subestació prefabricada de 110 kV per a centre de dades
Introducció
Amb el desenvolupament ràpid de tecnologies com el càlcul en la nub i les dades massives, i la penetració accelerada de "Internet +" en diversos sectors, l'indústria de l'economia digital està florecint en els països i regions més importants del món. Ocupa una posició cada vegada més important en la vida quotidiana i en l'economia nacional. Especialment sota l'impacte actual de la pandèmia de COVID-19 a escala global, la tendència a la baixa de l'economia mundial s'està intensificant. Només l'economia digital ha anat en contra de la tendència i ha mantingut un fort moment de desenvolupament.
GB 50174 - 2017 Codi de Disseny per a Centres de Dades proporciona una definició específica de centres de dades. Un centre de dades, com a infraestructura bàsica relacionada amb la gestió i emmagatzematge de dades, pot emmagatzemar diversos tipus d'informació de dades. A més, també suporta funcions bàsiques com el càlcul i la transmissió de dades per satisfer les necessitats de la gestió de dades massives. La construcció de centres de dades ha esdevingut una tendència inevitable.
En la indústria dels centres de dades, se'l coneix com a bens immobles digitals, que és bastant diferent dels projectes d'infraestructura tradicionals. Aquí hi ha diverses característiques prominents dels centres de dades: alt consum d'energia, requisits d'alta fiabilitat, i una demanda de velocitat de construcció ràpida. El consum d'energia dels centres de dades està concentrat, generalment configurat amb redundància 2N. La capacitat de consum d'energia enorme significa que els projectes de centres de dades a nivell de parc solen configurar subestacions de 110 kV específiques per a l'usuari.
No obstant això, la construcció de subestacions de 110 kV també té molts punts dolents, específicament reflectits en els següents aspectes: el cicle de construcció de les subestacions de 110 kV tradicionals a Xina sol ser de 12 a 24 mesos, implicant tots els continguts de treball de cicle complet com la planificació, la selecció del lloc, la prospecció, el disseny, la presentació del projecte, la contractació de materials, "quatre connexions i un alliberament" (accés a aigua, electricitat, carreteres, telecomunicacions i alliberament del terreny), construcció i instal·lació, ajust, restauració de la vegetació i acceptació de la producció. El llarg cicle de construcció no pot coincidir amb la demanda de lliurament ràpid dels centres de dades; Degut a raons clients i de xarxa, la indústria dels centres de dades a Xina es troba principalment a la regió de Pequín-Tianjin-Hebei, al Delta del Yangtze, i a la Gran Baia de Guangdong-Hong Kong-Macau. La majoria d'aquestes regions són ciutats relativament desenvolupades amb recursos de terra escassos, i sovint es troben problemes de limitacions de lloc durant la planificació del projecte; Les subestacions dels centres de dades també han de adaptar-se als canvis flexibles de la capacitat dels centres de dades.
Per als punts dolents en la construcció de subestacions de centres de dades, les subestacions modulars prefabricades són una direcció d'importància en solucions. Basades en el concepte de disseny modular, les subestacions prefabricades tenen avantatges de flexibilitat i fiabilitat comparades amb les subestacions tradicionals en aplicació. Tots els sistemes en la cabina prefabricada són productes, instal·lats, cablejats, depurats i pre-montats a la fàbrica. Un cop completats, es poden assemblar directament al lloc, assolint una alta eficiència, reduint la dificultat de la construcció i tenint un grau d'integració elevat. Són adequades per a diferents escenaris de construcció de subestacions i mostren avantatges evidents.
Aquest article pren com a exemple el projecte de construcció de la subestació de 110 kV del Centre de Dades No.1, i fa una introducció detallada als escenaris d'aplicació, al disseny de disposició del procés, i al disseny del procés de la cabina prefabricada de les subestacions prefabricades en els centres de dades.
1. Visió general del projecte
El projecte del Centre de Dades No.1 es troba a la ciutat de Suzhou, província de Jiangsu. Aquest projecte és una renovació d'un antic edifici industrial. Ja hi ha 4 edificis industrials al parc, coneguts com a Edificis A, B, C i D. El contingut principal de la construcció aquesta vegada és realitzar la renovació total del parc sense canviar les condicions de planificació existents dels edificis i construir un parc de centres de dades fiables.
Aquest parc es refereix al standard de classe A de centres de dades en GB 50174 - 2017 Codi de Disseny per a Centres de Dades i planeja construir un centre de dades a nivell de parc que pugui portar més de 100.000 servidors d'alt rendiment. El parc necessita construir una subestació de 110 kV per satisfer les necessitats d'abastament d'energia del parc. La subestació introdueix 2 fonts d'energia pública de 110 kV completament independents, amb una capacitat de 80.000 kVA cadascuna, formant un sistema d'abastament d'energia 2N. En funcionament normal, la taxa de càrrega de cada línia no supera el 50% de la seva capacitat plena, és a dir, 40.000 kVA. Quan falla una font d'energia pública, l'altra pot portar totes les càrregues del centre de dades.
Com que aquest projecte és una renovació d'un edifici industrial, la major part de l'espai de terra del projecte ja està ocupat pels edificis A, B, C i D ja construïts, amb restriccions físiques d'espai relatiuament grans. Els espais exteriors principals disponibles són l'espai obert a l'esquerra de l'Edifici B i l'espai obert entre l'Edifici B i l'Edifici D. Per al pla de subestació de 110 kV tradicional, quan s'instal·len 2 transformadors principals amb una capacitat de 80.000 kVA, s'ha de disposar d'un lloc rectangular amb una longitud d'uns 70 m i una amplada de 40 m. La distància neta del lloc a l'esquerra de l'Edifici B és de 30 m, i la distància neta del lloc entre l'Edifici B i l'Edifici C és de 50 m. Considerant la distància de prevenció d'incendis entre la subestació i els edificis i els requisits de la via de prevenció d'incendis del parc, és difícil que ambdós llocs compleixin els requisits d'espai de construcció de les subestacions tradicionals.
El client del projecte del Centre de Dades No.1 és una empresa d'Internet. Com a projecte de base de centre de dades per a aquest client, aquest parc suportarà una gran quantitat d'activitats en línia del client i una gran quantitat de transmissió, operació, emmagatzematge i processament de dades darrere les activitats. El client té requisits elevats sobre la fiabilitat d'aquest centre de dades i està apretat en temps de lliurament.
En termes de temps de lliurament, degut al desenvolupament ràpid de l'activitat de dades del client, el client té una demanda molt urgente pel centre de dades, i s'ha de lliurar tot el parc de centres de dades en 6 mesos. En termes de fiabilitat, el client requereix que les dues fonts d'energia de 110 kV, que són de suport mútu, siguin completament independents des de la línia d'entrada a la línia de sortida, i que les rutes estiguin separades més de 10 m. L'equipament principal com GIS, transformadors i quadres de commutació de 10 kV es distribueixen en diferents espais físics per evitar que un accident afecti ambdues fonts d'energia i, per tant, afecti totes les activitats de tot el centre de dades.
Com que el projecte de la subestació de 110 kV del Centre de Dades No.1 té limitacions d'espai, restriccions de temps estrictes i requisits d'adaptació altes, la forma de subestació tradicional és difícil de complir amb els requisits del projecte. Després de negociacions i discussió amb la companyia de xarxa local, es va confirmar que aquest projecte adoptaria la forma d'una subestació modular prefabricada de 110 kV.
2. Disposició del procés de disseny
2.1 Espai físic
El projecte de la subestació de 110 kV del Centre de Dades No.1 té un total de 2 línies d'entrada, i l'energia prové de les fonts d'energia pública de les subestacions de 220 kV A i B respectivament. Totes dues línies d'entrada de les fonts d'energia pública A i B entren al parc des del sud a través d'enterrament soterrani. Considerant la direcció de les rutes de les línies externes d'energia pública i la situació actual de construcció del parc, la subestació de 110 kV es col·loca a l'angle sud-oest del parc. El diagrama esquemàtic de la ubicació de la subestació de 110 kV es mostra a la Figura 1.
La subestació prefabricada té 82 m de llarg, 17 m d'amplada, i una superfície total de 1.400 m². Per a una subestació tradicional en les mateixes condicions, aquests tres paràmetres són 70 m, 40 m, i 2.800 m² respectivament. Comparada amb la subestació tradicional, la superfície es redueix més del 50%, i la disposició de la subestació es pot determinar segons les condicions in situ, sent relativament flexible.
Figura 1 Diagrama esquemàtic del pla de ubicació de la subestació de 110 kV
2.2 Disposició del procés
La Figura 2 mostra el diagrama de disposició del procés de la subestació de 110 kV. L'interior de la subestació consta de dues cabins prefabricades de GIS (Aparells de Commutació Metàlica Hermeticament Tancats amb Aillament de Gas SF6), una cabina prefabricada d'equipament principal, i dos transformadors de 110 kV exteriors. La disposició es col·loca en un patró lineal.
2.3 Rutes d'energia
La subestació d'aquest projecte és fonamentalment completament simètrica. Com es pot veure a la Figura 2, prenent el mur antiincendiari al mig de les dues cabins prefabricades d'equipament principal com a límit, a l'esquerra i a la dreta es troben respectivament les cabins prefabricades de GIS, les cabins prefabricades d'equipament principal, els transformadors de 110 kV, i les cabins prefabricades de capacitadors per a les fonts d'energia de la Ruta A i la Ruta B, i l'equipament de la Ruta A i la Ruta B són completament independents.
Tota la subestació està equipada amb un mur de tancament independent i opera de manera independent del parc de centres de dades. S'ha establert una entrada independent fora del parc al costat sud. Només es permet l'entrada de personal professional a la subestació de 110 kV, i altres persones no tenen drets d'accés, el que pot assegurar la fiabilitat de l'operació de la subestació.
La cabina de GIS és una cabina prefabricada d'una sola capa. A l'interior, està principalment equipada amb aparells combinats de GIS de 110 kV amb una corrent nominal de 2.000 A. Per a cada part del disseny, el hexafluoruro de sò (SF6) és un medi important d'extinció d'arc i es pot aplicar en GIS. Estructuralment, el GIS es divideix principalment en diverses parts, incloent transformadors de tensió, paraigües, interruptors i bornes, etc. Aquestes parts necessiten estar connectades correctament, i la fiabilitat de cada component s'ha de garantir per aconseguir eficientment la funció total [8].
El transformador principal utilitza principalment un transformador trifàsic de doble bobina autorefrigerat, adoptant el mètode de terratge YN, amb un nivell de tensió de [10,5 ± (2×2,5%/0,4)] kV, i el model específic és SZ11 - 80000/110.
La cabina d'equipament principal té una estructura de dos pisos. La primera planta consta de dues cabins de quadres de sortida de 10 kV completament independents, separades per un mur antiincendiari, i equipades respectivament amb quadres de commutació de 10 kV i transformadors de servei de la plantilla corresponents a les fonts d'energia de la Ruta A i la Ruta B. Els quadres de commutació de 10 kV utilitzen quadres de commutació metàl·lics dotats d'interruptors de corrent contínua. Per als quadres de ramat, capacitadors i transformadors de servei, la seva corrent nominal i de ruptura són 1,25 kA i 25 kA respectivament; per a les línies d'entrada, són 3,15 kA i 31,5 kA respectivament. La capacitat del transformador de servei es selecciona com 100 kVA, utilitzant un transformador sec SC11, amb una tensió de [110 ± (8×1,25%/10,5)] kV, un grup de conexions Dyn11, una tensió d'impedància Uk = 4%, un recinte protector IP40, i una classe d'eficiència energètica de 2. Per millorar la fiabilitat del sistema, cada línia d'entrada de 110 kV correspon a dues seccions de barra de 10 kV, el que pot reduir l'àmbit d'un accident en cas de fal·la.
La segona planta necessita estar equipada amb un transformador de terra, una cabina prefabricada de capacitadors, etc. Es configura un banc de capacitadors a la cabina prefabricada, amb protecció de diferència de pressió, i cal aconseguir una capacitat de 6.000 kVA. A més de les parts mencionades, en aquest disseny s'ha triat un reactor de nucli de ferro, amb un percentatge de reactància del 12%. Un dispositiu complet de resistència petita de terra, amb una resistència de terra de 10 Ω i una capacitat de 400 kVA. La segona planta també té una sala secundària. La sala secundària es divideix específicament en diverses parts, incloent vigilància per vídeo, armari de comptadors de quilovatios, recol·lecció d'energia elèctrica, registre de fal·les, control de mesura públic, comunicació de telecontrol, protecció de relè, monitorització per ordinador, sistemes de control auxiliar intel·ligent, sistemes de sincronització horària, etc.
2.3 Rutes d'energia
En termes de rutes d'energia, les línies d'entrada d'energia pública de 110 kV de la Ruta A i la Ruta B entran amba les dues des del costat curt de 17 m d'amplada a la dreta. Les dues rutes entren en paral·lel, amb un espaiat superior a 10 m, i s'introdueixen respectivament a les cabins prefabricades de GIS corresponents a la Ruta A i la Ruta B. Les línies des de GIS als transformadors per a la Ruta A i la Ruta B, les barres des dels transformadors als quadres de commutació de 10 kV, i les línies de sortida dels quadres de commutació de 10 kV són totes independents, i l'espaiat és superior a 10 m.
2.4 Avantatges del disseny de disposició del procés
L'equipament principal del projecte, incloent les cabins prefabricades de GIS, els transformadors de 110 kV, les cabins prefabricades d'equipament principal, etc., estan completament aïllats entre la Ruta A i la Ruta B. Les rutes d'energia de la Ruta A i la Ruta B estan completament aïllades. Comparada amb les subestacions tradicionals, ocupa menys espai, té un grau d'adaptació elevat, és flexible i efectiva, i pot satisfer els requisits de fiabilitat dels centres de dades.
3. Tecnologia de la cabina prefabricada
Aquest projecte adopta un mètode de prefabricació modular total de la totalitat de la subestació. In situ, només cal construir facilitats auxiliars com fundaments de tirades i murs antiincendiaris. La producció i processament de les cabins prefabricades modulares es pot dur a terme simultàniament amb els treballs de construcció civil, reduint considerablement la quantitat de treballs de construcció civil. Soluciona els problemes de gran quantitat de treballs de construcció civil i llargs cicles de construcció en el mode de construcció de subestacions tradicionals, i evita la situació on el temps de construcció de la subestació està restringit pels projectes de construcció civil.
3.1 Tecnologia de la cabina
Les cabins prefabricades són produïdes i depurades a la fàbrica, assegurant una qualitat exquisida del producte i un nivell d'implementació de disseny d'alta norma, i evitant l'impacte de la qualitat de la construcció in situ en l'equipament. Estructuralment, les components de la cornisa inferior del cos de la caixa estan connectades mitjançant canal de ferro, i les portes i cobertes superiors són soldades amb fulls de lamina d'alta qualitat de 2 mm d'espessor. Té una estructura integral i una forta resistència a l'impacte.
Les característiques del cos de la caixa es reflecteixen principalment en tres aspectes: anticorrosió, estructura de tres capes, i hermètica, que poden satisfer els requisits bàsics d'operació i assegurar que cada component mantingui un estat de treball estable. La carcassa exterior ha de arribar a un nivell de protecció IP54 o superior. Les cabins prefabricades adopten un disseny de totes les condicions de treball i també tenen bones propietats de resistència al vent, sismes i càrrega de neu per assegurar la seguretat de l'operació de l'equipament.
L'equipament a l'interior de la cabina està altament integrat. A través del disseny de l'estructura de la cabina i la coordinació de diversos sistemes interns, la cabina prefabricada satisfaix les necessitats de l'operació de l'equipament. La cabina no només pren en compte l'equipament primari, secundari i de comunicació de la subestació de 110 kV, sinó que també considera sistemes auxiliars com el control ambiental, l'enllumenat, l'enllumenat d'emergència, la protecció contra incendis, i el terra.
3.2 Transport de la cabina
La cabina ha de satisfer requisits elevats, principalment involucrant propietats d'anticoloració i hermetisme, altrament, la qualitat de l'operació no es pot garantir. Considerant les restriccions de longitud i amplada per al transport viari en aquest projecte, la longitud de cada unitat de transport es limita a 14 m, l'amplada a 3,4 m, i l'alçada a 4,5 m. Les cabins prefabricades amb dimensions més grans es transporten en seccions, i altres cabins prefabricades amb dimensions relativament més petites es transporten en bloc, satisfent els requisits de transport viari. Si el lloc ha arribat a exigir l'assemblatge, es pot transportar al lloc per a l'assemblatge següent.
3.3 Instal·lació in situ
Aquest projecte adopta un mètode de prefabricació modular, amb menys treballs de construcció civil. Els continguts principals de la construcció civil inclouen dos grups de fundaments de transformadors principals nous, quatre murs antiincendiaris amb una longitud de 10 m i una alçada de 6,5 m, dos grups de fundaments de cabins de GIS, un grup de fundaments de cabinas d'equipament principal, una piscina d'oli d'accident de 20 m³, un mur de tancament buit de 198 m de llarg i 2,3 m d'alçada, 14 suports de transformadors principals, i un canal de cable de betó armat de 80 m de llarg.
Les cabins prefabricades adopten un mode de "s'ha de realitzar un ensamblat preliminar a la fàbrica per simular la situació d'operació real + transport dividit al lloc i després s'han de fer l'ensamblat i la instal·lació" in situ. Tots els mòduls ja s'han ensamblat preliminarment a la fàbrica, i els problemes es detecten prontament sense deixar problemes in situ, assegurant el període de construcció in situ i la qualitat de la construcció. El cicle d'elecció i assemblatge in situ és curt, i gairebé no hi ha accumulació de matèries primeres.
Per a l'operació d'ensamblat de parts de cabines de gran mida, s'adopta el procés d'ensamblat in situ de "utilitzar una grua per a la posició inicial de l'equipament + empenyar gradualment amb un tensor de cadena + posicionar amb precisió amb un pin de posició". Per assegurar que l'ensamblat de la cabina sigui "ajustat", es mostra la foto de l'elecció in situ a la Figura 3.
Per satisfer els requisits d'hermetisme, les juntes d'ensamblat s'han dissenyat de manera raonable, utilitzant principalment els mètodes de disseny de materials d'hermetisme i estructures mecàniques. En l'ensamblat del cos de la caixa, s'utilitzen clips impermeables i flanges impermeables. Un cop s'ha completat l'ensamblat, cal afegir cola impermeable forta a les posicions de les juntes, i després tractar amb una tira d'hermetisme. Finalment, s'instalen clips impermeables i materials de foaming en ordre. Quan tots els processos s'han completat i compleixen els requisits de qualitat elevada, es pot aconseguir l'hermetisme i l'impermeabilitat.
Un cop cada mòdul està en lloc, es duen a terme els treballs de connexió primària i secundària. Els cables interiors dels mòduls i els cables de connexió entre ells ja s'han produït i instal·lat completament a la fàbrica. Només cal instal·lar els cables de connexió i les barres de bus entre cada mòdul. Quan cada mòdul s'assembla a la fàbrica, s'han dut a terme ja una prova preliminar conjunta i tests, el que també pot acortar el temps de depuració i acceptació in situ.
El projecte de construcció de la subestació de 110 kV del Centre de Dades No.1 va començar a comunicar el pla amb la xarxa elèctrica de Suzhou i a promoure els procediments preliminars a principis de desembre. Després de passar per la licitació del projecte, la contractació d'equipament, la producció a fàbrica, la construcció de fundaments d'equipament in situ, l'assemblatge in situ, la depuració d'equipament, i l'acceptació de l'energia, va entrar oficialment en funcionament a principis de juny. Tot el procés va durar menys de 6 mesos, dels quals el temps des de la determinació de la licitació del projecte fins a la finalització del projecte i l'acceptació de l'energia va ser d'uns 100 dies, el que és el projecte amb el cicle de construcció de subestació més curt en el camp dels centres de dades. Per tant, comparada amb les subestacions tradicionals,
