Design af 110 kV forfabrikeret understation til datacenter
Introduktion
Med den hurtige udvikling af teknologier som cloud computing og big data, og den accelererende penetration af "Internet +" i forskellige sektorer, blomstrer digital økonomi-industrien i de største lande og regioner verden over. Den spiller en stadig vigtigere rolle i dagligdag og den nationale økonomi. Særligt under den nuværende globale påvirkning af COVID-19-pandemien, hvor den nedadgående tendens for verdensøkonomien intensiveres, har kun den digitale økonomi brydt tendensen og opretholdt et stærkt udviklingsmoment.
GB 50174 - 2017 Designkodeks for datacentre giver en specifik definition af datacentre. Et datacenter, som er en grundlæggende infrastruktur relateret til dataforvaltning og -lagring, kan lagre forskellige typer dataoplysninger. Desuden understøtter det også grundlæggende funktioner som dataudregning og -overførsel for at imødekomme behovene for massiv dataforvaltning. Opbygningen af datacentre er blevet en uundgåelig tendens.
I datacenterindustrien kaldes det for digital ejendom, hvilket er ganske anderledes fra traditionelle infrastrukturprojekter. Her er nogle fremherskende karakteristika ved datacentre: høj strømforbrug, høje krav til pålidelighed, og et behov for hurtig konstruktionstid. Strømforbruget i datacentre er koncentreret, normalt konfigureret med 2N-redundans. Det enorme strømforbrugskapacitet betyder, at parkniveau-datacenterprojekter normalt konfigurerer bruger-specifikke 110 kV-transformatorstationer.
Dog har opbygningen af 110 kV-transformatorstationer mange smertepunkter, specifikt afspejlet i følgende aspekter: Konstruktionscyklussen for traditionelle 110 kV-transformatorstationer i Kina tager normalt 12-24 måneder, der involverer alle cyklusarbejdsgange som planlægning, lokalitetsvalg, undersøgelser, design, projektregistrering, materialeinkøb, "fire forbindelser og én jævning" (tilgang til vand, elektricitet, veje, og telekommunikation samt jordjævning), konstruktion og installation, justering, grøn gentagelse, og produktionsaccept. Den lange konstruktionscyklus kan ikke matche behovet for hurtig levering af datacentre; På grund af kundebetingede og netværksrelaterede årsager, er datacenterindustrien i Kina mest fordelt i Beijing-Tianjin-Hebei-regionen, Yangtze-floddeltaet, og Guangdong-Hong Kong-Macao Store Bugt-området. De fleste af disse regioner er relativt udviklede byer med knappe jordressourcer, og lokalitetsbegrænsninger mødes ofte under projektplanlægningen; Transformatorstationer til datacentre skal også kunne tilpasse sig de fleksible kapacitetsændringer i datacentre.
For smertepunkterne i opbygningen af datacentertransformatorstationer, er forfabrikerede modulære transformatorstationer en vigtig løsningsretning. Baseret på modulært designkoncept, har forfabrikerede transformatorstationer fordele som fleksibilitet og pålidelighed sammenlignet med traditionelle transformatorstationer i anvendelsen. Alle systemer i forfabrikerede kabineproduceres, monteres, ledningsmonteres, justeres, og for-montages i fabrikken. Efter færdiggørelse kan de direkte monteres på stedet, hvilket opnår høj effektivitet, reducerer konstruktionsvanskeligheder, og har en høj grad af integration. De passer til forskellige transformatorstationskonstruktionscenarer og viser klare fordele.
Denne artikel tager 110 kV-transformatorstationskonstruktionsprojektet for Data Center No.1 som eksempel, og laver en detaljeret introduktion til anvendelsesscener, processlayoutdesign, og forfabrikeret kabinedesign af forfabrikerede transformatorstationer i datacentre.
1. Projektoversigt
Data Center No.1-projektet er beliggende i Suzhou City, Jiangsu Province. Dette projekt er en ombygning af et gammelt fabriksbygning. Der er allerede fire fabriksbygninger i parken, nemlig Bygninger A, B, C, og D. Hovedkonstruktionsindholdet denne gang er at realisere en helhedsmæssig ombygning af parken uden at ændre de eksisterende bygningsplanlægningsbetingelser og bygge et pålideligt datacenterpark.
Denne park refererer til Klasse A datacenterstandard i GB 50174 - 2017 Design Code for Data Centers og planlægger at bygge en park-niveau datacenter, der kan bære mere end 100.000 højytende servere. Parken skal bygge en 110 kV-transformatorstation for at imødekomme strømforsyningsbehovene i parken. Transformatorstationen introducerer 2 helt uafhængige 110 kV offentlige strømforsyninger, hver med en kapacitet på 80.000 kVA, danner et 2N-strømforsyningsystem. Under normal drift overstiger hver linjes lastprocent ikke 50% af dens fuldlastkapacitet, altså 40.000 kVA. Når en offentlig strømforsyning fejler, kan den anden bære alle laster i datacentret.
Eftersom dette projekt er en fabriksombygning, er de fleste jordrum af projektet optaget af de færdigbyggede Bygninger A, B, C, og D, med relativt store fysiske rumsbegrænsninger. De primære tilgængelige udendørs områder er det åbne område til venstre for Bygning B og det åbne område mellem Bygning B og Bygning D. For den traditionelle 110 kV-transformatorstationsløsning, når der installeres 2 hovedtransformatorer med en kapacitet på 80.000 kVA, er et rektangulært område med en længde på ca. 70 m og en bredde på 40 m nødvendigt. Det klare afstand på området til venstre for Bygning B er 30 m, og det klare afstand på området mellem Bygning B og Bygning C er 50 m. Med hensyn til brandforebyggelsesafstanden mellem transformatorstationen og bygningerne og kravene til parkens brandslukningsringvej, er det svært for begge områder at opfylde konstruktionsrumskravene for traditionelle transformatorstationer.
Kunden for Data Center No.1-projektet er en internetvirksomhed. Som et basistype datacenterprojekt for denne kunde, vil denne park støtte en stor mængde af kundens online-virksomheder og en stor mængde dataoverførsel, drift, lagring, og behandling bag virksomhederne. Kunden har høje krav til pålideligheden af dette datacenter og er stram på leveringstiden.
Med hensyn til leveringstid, på grund af den hurtige udvikling af kundens databehandlingsvirksomheder, har kunden en meget presserende efterspørgsel på datacentret, og hele datacenterparken skal leveres inden for 6 måneder. Med hensyn til pålidelighed, kræver kunden, at de to 110 kV-transformatorstations offentlige strømforsyninger, der er backup til hinanden, være helt uafhængige fra indkomstlinjen til udgangslinjen, og ruterne er mere end 10 m fra hinanden. Hovedudstyr som GIS, transformatorer, og 10 kV skifter er fordelt i forskellige fysiske rum for at undgå, at en enkelt ulykke påvirker begge offentlige strømforsyninger og dermed påvirker alle virksomheder i hele datacentret.
Da 110 kV-transformatorstationsprojektet for Data Center No.1 har rumsbegrænsninger, stram tid, og høje tilpasningskrav, er den traditionelle transformatorstationsform svær at opfylde projektkravene. Efter forhandlinger og diskussioner med den lokale kraftnetvirksomhed, blev det bekræftet, at dette projekt ville bruge formen for en forfabrikeret modulær 110 kV-transformatorstation.
2. Processlayoutdesign
2.1 Fysisk rum
110 kV-transformatorstationsprojektet for Data Center No.1 har i alt 2 indkomstlinjer, og strømforsyningerne kommer fra de offentlige strømforsyninger fra de ovenstående 220 kV-transformatorstationer A og B. Begge indkomstlinjerne for de to offentlige strømforsyninger A og B kommer ind i parken fra syd gennem jordbegravning. Med hensyn til retningen af de eksterne offentlige strømlinjer og den nuværende bygningsstatus i parken, er 110 kV-transformatorstationen placeret i den sydvestlige hjørne af parken. Planen for placeringen af 110 kV-transformatorstationen er vist i figur 1.
Den forfabrikerede transformatorstation er 82 m lang, 17 m bred, og har en samlet gulvareal på 1.400 m². For en traditionel transformatorstation under de samme betingelser, er disse tre parametre henholdsvis 70 m, 40 m, og 2.800 m². I forhold til den traditionelle transformatorstation, er gulvarealen sparet med mere end 50%, og layoutet af transformatorstationen kan bestemmes efter stedets forhold, hvilket er relativt fleksibelt.
Figur 1 Skematisk diagram af placeringen af 110 kV-transformatorstationen
2.2 Processlayout
Figur 2 viser processlayoutdiagrammet for 110 kV-transformatorstationen. Indeni transformatorstationen består den af to forfabrikerede GIS (SF6 Gas-isoleret Metal-indkapslet Afbryder) kabine, en forfabrikeret hovedudstyrskabine, og to udendørs 110 kV-transformatorer. Layoutet er arrangeret i en lineær mønster.
2.3 Strømrouting
Transformatorstationen i dette projekt er i princippet helt symmetrisk. Som ses i figur 2, med brandmur i midten af de to forfabrikerede hovedudstyrskabiner som grænse, er der henholdsvis de forfabrikerede GIS-kabine, forfabrikerede hovedudstyrskabiner, 110 kV-transformatorer, og forfabrikerede kondensatorkabiner til rute A og rute B strømforsyninger på venstre og højre side, og udstyret til rute A og rute B er helt uafhængigt.
Hele transformatorstationen er udstyret med en uafhængig omhegning og opererer uafhængigt fra datacenterparken. En uafhængig indgang ud af parken er sat på sydsiden. Kun professionelle personer tillades at komme ind i 110 kV-transformatorstationen, og andre personer har ingen adgangsrettigheder, hvilket kan sikre pålideligheden af transformatorstationens drift.
GIS-kabinen er en enkeltlags forfabrikeret kabine. Indeni er den hovedsageligt udstyret med 110 kV GIS kombineret apparater med en nominel strøm på 2.000 A. For hvert del af designet, er seksfluorid (SF6) et vigtigt buelokningsmedium, der kan anvendes i GIS. Strukturelt, er GIS hovedsageligt delt i flere dele, herunder spændingsomformer, lynnedslagere, afbrydere, og bussoer, osv. Disse dele skal korrekt forbundes, og pålideligheden af hvert komponent skal sikres for at effektivt opnå den samlede funktion [8].
Hovedtransformatoren bruger hovedsageligt en trefas-dobbeltvinding oliebaseret selvkølet transformator, ved hjælp af YN-jordmetode, med en spændingsniveau på [10.5 ± (2×2.5%/0.4)] kV, og den specifikke model er SZ11 - 80000/110.
Hovedudstyrskabinen har en tolagsstruktur. Det første lag består af to helt uafhængige 10 kV-udgangskabinetkabiner, adskilt af en brandmur, og henholdsvis udstyret med 10 kV skifter og stationsomformer, der svarer til rute A og rute B strømforsyninger. 10 kV-skifter anvender metalbelagt skifter udstyret med vakuumafbrydere. For fodercabinet, kondensatorer, og stationsomformer, er deres nominelle strøm og afbrydelsesstrøm henholdsvis 1.25 kA og 25 kA; for indkomstlinjer, er de henholdsvis 3.15 kA og 31.5 kA. Kapaciteten af stationsomformer er valgt til 100 kVA, ved hjælp af en SC11-type tørtransformator, med en spænding på [110 ± (8×1.25%/10.5)] kV, en koblingsgruppe af Dyn11, en impedansespænding Uk = 4%, en IP40 beskyttelseskab, og en energieffektivitetsklasse på 2. For at forbedre systemets pålidelighed, svarer hver 110 kV indkomstlinje til to sectioner 10 kV busser, hvilket kan reducere omfanget af en ulykke i tilfælde af en fejl .
Det andet lag skal udstyres med en jordtransformator, en forfabrikeret kondensatorkabine, osv. En kondensatorbank er konfigureret i den forfabrikerede kabine, med differentialtrykbeskyttelse sat, og en kapacitet på 6.000 kVA skal opnås. Ud over de ovenfor nævnte dele, er en jernkerner reaktor valgt i dette design, med en reaktancerate på 12%. En jord lille-modstand komplettanlæg, med en jordmodstand på 10 Ω og en kapacitet på 400 kVA. Det andet lag har også en sekundærlokale. Sekundærlokale er specifikt delt i flere dele, herunder videoovervågning, kilowatt-time meterkabinet, elektrisk energiindsamling, fejlrecord, offentlig måling og kontrol, fjernkontrol kommunikation, relæbeskyttelse, computerovervågning, intelligente hjælpekontrolsystemer, tidssynkroniserings-systemer, osv.
2.3 Strømrouting
Med hensyn til strømrouting, går 110 kV offentlige strøm indkomstlinjer for rute A og rute B begge ind fra den 17 m brede korte side til højre. De to ruter går parallelt, med en afstand på mere end 10 m, og indføres henholdsvis i de forfabrikerede GIS-kabiner, der svarer til rute A og rute B. Linjerne fra GIS til transformatorer for rute A og rute B, busserne fra transformatorer til 10 kV skifter, og udgangslinjerne af 10 kV skifter er alle uafhængige, og afstanden er mere end 10 m.
2.4 Fordele af processlayoutdesign
Hovedudstyret i projektet, herunder forfabrikerede GIS-kabiner, 110 kV-transformatorer, forfabrikerede hovedudstyrskabiner, osv., er alle helt isoleret mellem rute A og rute B. Strømroutingen for rute A og rute B er helt isoleret. I forhold til traditionelle transformatorstationer, optager det mindre plads, har en høj grad af tilpasning, er fleksibelt og effektivt, og kan opfylde pålidelighedsbehovene for datacentre.
3. Forfabrikeret kabintechnologi
Dette projekt anvender en hel-station fuldt modulær forfabrikeret metode. På stedet, behøves kun hjælpefaciliteter som stripfundament og brandmure at konstrueres. Produktion og bearbejdning af modulære forfabrikerede kabine kan foregå samtidigt med civilingeniørarbejde, hvilket reducerer mængden af civilingeniørarbejde betydeligt. Det løser problemerne med store mængder af civilingeniørarbejde og lange konstruktionscykluser i den traditionelle transformatorstationskonstruktionsmetode, og undgår situationen, hvor konstruktionsperioden for transformatorstationen begrænses af civilingeniørprojekter.
3.1 Kabintechnologi
De forfabrikerede kabine produceres og justeres i fabrikken, hvilket sikrer præcis produktkvalitet og en højt standardiseret designimplementeringsniveau, og undgår påvirkningen af kvaliteten af konstruktion på stedet på udstyret. Strukturelt, er bundramkomponenterne af kassen forbundet ved hjælp af kanalstål, og dørepaneler og topcovers er sodded med 2 mm tyk højkvalitet koldtrukket plade. Det har en integreret struktur og stærk påslagsresistens.
Karakteristikkerne af kassen er hovedsageligt afspejlet i tre aspekter: korrosionsbestandighed, tre-lags struktur, og tæthed, hvilket kan imødekomme de grundlæggende driftsbetingelser og sikre, at hvert komponent opretholder en stabil arbejdsstand. Skallen skal nå et beskyttelsesniveau på IP54 eller højere. De forfabrikerede kabine anvender et fullt arbejdskonditionsdesign og har også god vind-, jordskælv- og snefasthed for at sikre sikker drift af udstyret.
Udstyret inde i kabine er højt integreret. Gennem designet af kabinestrukturen og koordineringen af de forskellige interne systemer, opfylder den forfabrikerede kabine behovene for udstyrsdrift. Kabine tager ikke blot højde for 110 kV-transformatorstations primære, sekundære, og kommunikationsudstyr, men tager også højde for hjælpesystemer som miljøkontrol, belysning, nødbelysning, brandbekæmpelse, og jord.
3.2 Kabine transport
Kabine skal opfylde høje krav, hovedsageligt vedrørende fugtbestandighed og tæthed, ellers kan driftskvaliteten ikke garanteres. Med hensyn til begrænsningerne på længde og bredde for vejtransport i dette projekt, er længden af hvert transportenhed begrænset til inden for 14 m, bredde til inden for 3.4 m, og højde til inden for 4.5 m. Forfabrikerede kabine med større dimensioner transporteres i sektioner, og andre forfabrikerede kabine med relativt mindre dimensioner transporteres som helhed, hvilket opfylder kravene for vejtransport. Hvis stedet har nået monteringstilladeligheder, kan det transporteres til stedet for næste-trins montering .
3.3 Montering på stedet
Dette projekt anvender en modulær forfabrikeret metode, med mindre civilingeniørarbejde. Hovedcivilingeniørindhold inkluderer to grupper af nyst byggede hovedtransformatorfundament, fire brandmure med en længde på 10 m og en højde på 6.5 m, to grupper af GIS-kabinefundament, en gruppe hovedudstyrskabinefundament, en 20 m³ ulykkesoliepool, en 198 m lang og 2.3 m høj tom omhegning, 14 hovedtransformatorstøtter, og en 80 m lang armeret betonkabelgrøft.
De forfabrikerede kabine anvender en metode af "fabrikprøvemontering skal udføres for at simulere den faktiske driftssituation + splittet transport til stedet og derefter splicing og installation" på stedet. Alle moduler er prøvemonteret i fabrikken, og problemer opdages i tide uden at efterlade problemer på stedet, hvilket sikrer konstruktionsperioden og konstruktionskvaliteten på stedet. Opstilling og montering på stedet har en kort cyklus, og der er næsten ingen råmaterialopsamling.
For splicingsoperationen af store kabinekomponenter, anvendes en on-site splicingproces af "brug en kran til at initielt positionere udstyret + gradvist skub med en kædeblok + præcis positionering med en positionspindel". For at sikre, at splicingen af kabine er "tæt", er billedet af opstilling på stedet vist i figur 3.
For at opfylde tæthedskrav, er splicingsforbindelserne fornuftigt designet, hovedsageligt ved hjælp af designmetoder for tætningsmaterialer og mekaniske strukturer. I kassens splicing, anvendes vandtætte snap-faste og vandtætte flange. Efter splicingen er fuldført, skal stærk vandtæt lim tilføjes til forbindelsespositionerne, og derefter behandles med en tætningsstribe. Til sidst installeres vandtætte snap-faste og skummaterialer i rækkefølge. Når alle processer er fuldført og opfylder høje kvalitetskrav, kan tæthed og vandtæthed opnås.
Efter hver modul er på plads, udføres primær og sekundær forbindelseskonstruktion. Kablerne inde i modulerne og forbindelseskablerne mellem dem er fuldt produceret og installeret i fabrikken. Kun forbindelseskablerne og busserne mellem hver modul skal installeres. Når hver modul er monteret i fabrikken, er præliminære sammenkoblingjustering og test udført, hvilket også kan forkorte justeringstiden og accepttid på stedet.
110 kV-transformatorstationskonstruktionsprojektet for Data Center No.1 begyndte at kommunikere planen med Suzhou kraftnet og fremme de foreløbige procedurer i begyndelsen af december. Efter at have gennemgået projektbuds, udstyrskøb, fabrikproduktion, fundamentkonstruktion af udstyr på stedet, montering på stedet, udstyrjustering, og strømtilslutning og accept, blev det officielt taget i drift i begyndelsen af juni. Hele processen tog mindre end 6 måneder, hvor tiden fra projektbudsbestemmelse til projektgennemførelse og strømtilslutning var omkring 100 dage, hvilket er projektet med den korteste transformatorstationskonstruktionscyklus i datacenterfeltet. Derfor, i forhold til traditionelle transformatorstationer, er konstruktionsperioden betydeligt reduceret.
Ud over disse fordele, på grund af anvendelsen af modulært designkoncept, kan det effektivt opgraderes, når det er nødvendigt i fremtiden, hvilket hjælper med at reducere omkostningerne til vedligeholdelse og udvidelse, så det viser også bredt udviklingspotentiale.
4. Konklusion
Forfabrikerede transformatorstationer har løst smertepunkterne for traditionelle transformatorstationer i datacenterfeltet.
