Entwurf einer 110 kV vorgefertigten Umspannstation für Rechenzentren
Einführung
Mit der rasanten Entwicklung von Technologien wie Cloud Computing und Big Data sowie der beschleunigten Durchdringung von „Internet +“ in verschiedenen Branchen boomt die digitale Wirtschaft in den wichtigsten Ländern und Regionen weltweit. Sie nimmt einen zunehmend wichtigen Platz im täglichen Leben und in der nationalen Wirtschaft ein. Besonders unter dem aktuellen Einfluss der COVID-19-Pandemie weltweit verstärkt sich der Abwärtstrend der Weltwirtschaft. Nur die digitale Wirtschaft hat gegen den Trend angekämpft und eine starke Entwicklungs Dynamik aufrechterhalten.
GB 50174 - 2017 Design Code for Data Centers gibt eine spezifische Definition von Rechenzentren. Als grundlegende Einrichtung, die mit der Verwaltung und Speicherung von Daten verbunden ist, kann ein Rechenzentrum verschiedene Arten von Dateninformationen speichern. Darüber hinaus unterstützt es auch grundlegende Funktionen wie Datenberechnung und -übertragung, um den Bedarf an massiver Datenaufbewaltung zu erfüllen. Der Bau von Rechenzentren ist zu einer unvermeidlichen Tendenz geworden.
In der Rechenzentrum-Branche wird es als digitale Immobilie bezeichnet, was sich deutlich von traditionellen Infrastrukturprojekten unterscheidet. Hier sind einige auffällige Merkmale von Rechenzentren: hoher Energieverbrauch, hohe Anforderungen an Zuverlässigkeit und ein Bedarf an schneller Bauzeit. Der Energieverbrauch von Rechenzentren ist konzentriert, normalerweise mit 2N-Redundanz ausgestattet. Die enorme Energiekapazität bedeutet, dass Park-Rechenzentrum-Projekte in der Regel benutzerdefinierte 110 kV-Umspannwerke konfigurieren.
Der Bau von 110 kV-Umspannwerken hat jedoch viele Schmerzpunkte, die sich in folgenden Aspekten widerspiegeln: Der Bauzyklus traditioneller 110 kV-Umspannwerke in China dauert in der Regel 12-24 Monate, einschließlich aller zyklischen Arbeitsinhalte wie Planung, Standortauswahl, Vermessung, Design, Projektregistrierung, Materialbeschaffung, „vier Verbindungen und eine Nivellierung“ (Zugang zu Wasser, Strom, Straßen, Telekommunikation und Grundstücksnivellierung), Bau und Installation, Justage, Grünanlagen-Restaurierung und Produktionsannahme. Der lange Bauzyklus passt nicht zum Bedarf an schneller Lieferung von Rechenzentren; Aufgrund von Kunden- und Netzwerkgründen ist die Rechenzentrum-Branche in China hauptsächlich in der Beijing-Tianjin-Hebei-Region, dem Jangtse-Delta und dem Guangdong-Hongkong-Macau-Greater Bay Area verteilt. Die meisten dieser Gebiete sind relativ entwickelte Städte mit knappen Landressourcen, und bei der Projektplanung treten oft Standortbeschränkungen auf; Umspannwerke für Rechenzentren müssen sich auch an die flexiblen Kapazitätsänderungen von Rechenzentren anpassen.
Für die Schmerzpunkte beim Bau von Umspannwerken für Rechenzentren sind vorgefertigte modulare Umspannwerke eine wichtige Lösungsrichtung. Basierend auf dem modularen Designkonzept bieten vorgefertigte Umspannwerke im Vergleich zu traditionellen Umspannwerken Vorteile in Bezug auf Flexibilität und Zuverlässigkeit in der Anwendung. Alle Systeme in der vorgefertigten Kabine werden in der Fabrik hergestellt, installiert, verdrahtet, getestet und vorassembliert. Nach Fertigstellung können sie direkt am Ort montiert werden, wodurch eine hohe Effizienz erreicht, der Bauschwierigkeit reduziert und eine hohe Integrationsstufe erreicht wird. Sie eignen sich für verschiedene Umspannwerksbau-Szenarien und zeigen klare Vorteile.
Dieser Artikel nimmt das 110 kV-Umspannwerksbau-Projekt des Rechenzentrums Nr. 1 als Beispiel und stellt detailliert die Anwendungsszenarien, Prozesslayout-Design und vorgefertigte Kabine-Designprozesse von vorgefertigten Umspannwerken in Rechenzentren vor.
1. Projektübersicht
Das Rechenzentrum Nr. 1-Projekt befindet sich in der Stadt Suzhou, Provinz Jiangsu. Dieses Projekt ist eine Sanierung eines alten Fabrikgebäudes. Im Park gibt es bereits vier Fabrikgebäude, nämlich Gebäude A, B, C und D. Der Hauptbauinhalt dieses Mal besteht darin, die Gesamtsanierung des Parks ohne Änderung der bestehenden Gebäuderegelungen durchzuführen und einen zuverlässigen Rechenzentrum-Park zu errichten.
Dieser Park bezieht sich auf den Klass-A-Rechenzentrum-Standard in GB 50174 - 2017 Design Code for Data Centers und plant, ein parkweites Rechenzentrum zu bauen, das mehr als 100.000 Hochleistungsserver tragen kann. Der Park muss ein 110 kV-Umspannwerk bauen, um die Stromversorgungsanforderungen des Parks zu erfüllen. Das Umspannwerk führt zwei vollständig unabhängige 110 kV-Stromversorgungen ein, jede mit einer Kapazität von 80.000 kVA, was ein 2N-Stromversorgungssystem bildet. Bei normaler Betriebsweise übersteigt die Lastquote jeder Leitung nicht 50% ihrer Volllastkapazität, also 40.000 kVA. Wenn eine Stromversorgung ausfällt, kann die andere alle Lasten des Rechenzentrums tragen.
Da dieses Projekt eine Fabrikgebäudesanierung ist, ist der Großteil des Projektplatzes bereits von den fertiggestellten Gebäuden A, B, C und D besetzt, was relativ große physische Raumgrenzen aufweist. Die Hauptnutzbaren Freiflächen sind der offene Bereich links von Gebäude B und der offene Bereich zwischen Gebäude B und D. Für das traditionelle 110 kV-Umspannwerk-Schema, bei der Installation von zwei Haupttransformatoren mit einer Kapazität von 80.000 kVA, ist ein rechteckiger Standort mit einer Länge von etwa 70 m und einer Breite von 40 m erforderlich. Der freie Abstand des Standorts links von Gebäude B beträgt 30 m, und der freie Abstand des Standorts zwischen Gebäude B und C beträgt 50 m. Berücksichtigung der Feuerabstandsanforderungen zwischen dem Umspannwerk und den Gebäuden sowie der Anforderungen des Feuerlöschringwegs des Parks, ist es schwierig, dass beide Standorte die Bauflächenanforderungen traditioneller Umspannwerke erfüllen.
Der Kunde des Rechenzentrum Nr. 1-Projekts ist ein Internetunternehmen. Als Basis-Rechenzentrum-Projekt für diesen Kunden wird dieser Park eine große Anzahl der Onlinegeschäfte des Kunden und eine große Menge an Datenübertragung, -betrieb, -speicherung und -verarbeitung hinter den Geschäften unterstützen. Der Kunde hat hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit dieses Rechenzentrums und ist zeitlich eng gebunden.
Hinsichtlich der Lieferfrist, aufgrund der raschen Entwicklung der Datenaktivitäten des Kunden, hat der Kunde eine sehr dringende Nachfrage nach dem Rechenzentrum, und der gesamte Rechenzentrum-Park muss innerhalb von 6 Monaten geliefert werden. Hinsichtlich der Zuverlässigkeit verlangt der Kunde, dass die beiden 110 kV-Umspannwerk-Stromversorgungen, die gegenseitig als Reserve dienen, vollständig unabhängig vom Eingangs- bis zum Ausgangskabel sind, und die Wege mehr als 10 m voneinander entfernt liegen. Die Hauptgeräte wie GIS, Transformator und 10 kV-Schaltanlagen sind in verschiedenen physischen Räumen verteilt, um zu vermeiden, dass ein einzelnes Unglück beide Stromversorgungen beeinflusst und damit alle Geschäftsvorfälle des gesamten Rechenzentrums beeinträchtigt.
Da das 110 kV-Umspannwerk-Projekt des Rechenzentrums Nr. 1 räumliche Begrenzungen, enge Zeitvorgaben und hohe Anforderungen an die Anpassung hat, ist die traditionelle Umspannwerkform schwer in der Lage, die Projektanforderungen zu erfüllen. Nach Verhandlungen und Diskussionen mit dem lokalen Stromnetzunternehmen wurde bestätigt, dass dieses Projekt die Form eines vorgefertigten modularen 110 kV-Umspannwerks annehmen wird.
2. Prozesslayout-Design
2.1 Physischer Raum
Das 110 kV-Umspannwerk-Projekt des Rechenzentrums Nr. 1 hat insgesamt 2 Eingangsleitungen, und die Stromversorgungen stammen jeweils von den Stromversorgungen der oberstromliegenden 220 kV-Umspannwerke A und B. Beide Eingangsleitungen der beiden Stromversorgungen A und B betreten den Park von Süden durch Unterirdische Verlegung. Angesichts der Richtung der externen Stromversorgungsleitungswege und der aktuellen Gebäudebedingungen im Park, wird das 110 kV-Umspannwerk im Südwestwinkel des Parks platziert. Das ebene Schemadiagramm des Standorts des 110 kV-Umspannwerks ist in Abbildung 1 gezeigt.
Das vorgefertigte Umspannwerk ist 82 m lang, 17 m breit und hat eine Gesamtfläche von 1.400 m². Für ein traditionelles Umspannwerk unter gleichen Bedingungen sind diese drei Parameter 70 m, 40 m und 2.800 m². Im Vergleich zum traditionellen Umspannwerk wird die Fläche um mehr als 50 % gespart, und das Umspannwerk-Layout kann gemäß den vor Ort herrschenden Bedingungen bestimmt werden, was relativ flexibel ist.
Abbildung 1 Schematische Darstellung des Standortplanes des 110 kV-Umspannwerks
2.2 Prozesslayout
Abbildung 2 zeigt das Prozesslayoutdiagramm des 110 kV-Umspannwerks. Das Innere des Umspannwerks besteht aus zwei vorgefertigten GIS-Kabinen (SF6-Gas-isolierte Metall-umhüllte Schaltanlagen), einer vorgefertigten Hauptausrüstungskabine und zwei Außen-110 kV-Transformator. Das Layout ist in linearer Anordnung angeordnet.
2.3 Stromrouten
Das Umspannwerk dieses Projekts ist im Wesentlichen vollständig symmetrisch. Wie aus Abbildung 2 zu sehen ist, mit der Brandwand in der Mitte der beiden vorgefertigten Hauptausrüstungskabinen als Grenze, sind auf der linken und rechten Seite jeweils die vorgefertigten GIS-Kabinen, vorgefertigten Hauptausrüstungskabinen, 110 kV-Transformator und vorgefertigte Kondensatorkabinen für die Stromversorgungswege A und B, und die Ausrüstungen für die Stromversorgungswege A und B sind vollständig unabhängig.
Das gesamte Umspannwerk ist mit einer eigenständigen Umzäunung ausgestattet und operiert unabhängig vom Rechenzentrum-Park. Ein eigenständiger Eingang außerhalb des Parks ist auf der südlichen Seite eingerichtet. Nur Fachpersonal darf das 110 kV-Umspannwerk betreten, und andere Personen haben keine Zugriffsrechte, was die Zuverlässigkeit des Umspannwerk-Betriebs sicherstellen kann.
Die GIS-Kabine ist eine einstufige vorgefertigte Kabine. Im Inneren ist sie hauptsächlich mit 110 kV GIS-Kombischaltanlagen mit einem Nennstrom von 2.000 A ausgestattet. Für jeden Teil des Designs ist Schwefelhexafluorid (SF6) ein wichtiges Löschmedium und kann in GIS angewendet werden. Strukturell ist GIS hauptsächlich in mehrere Teile unterteilt, einschließlich Spannungswandler, Blitzableiter, Schalter und Buchsen usw. Diese Teile müssen korrekt verbunden sein, und die Zuverlässigkeit jedes Komponenten muss gewährleistet sein, um die gesamte Funktion effektiv zu erfüllen [8].
Der Haupttransformator verwendet hauptsächlich einen dreiphasigen Doppelspulen-Ölgetränkten Selbstkühlungstransformator, mit YN-Erdung, mit einer Spannungsebene von [10,5 ± (2×2,5%/0,4)] kV, und das spezifische Modell ist SZ11-80000/110.
Die Hauptausrüstungskabine hat eine zweistufige Struktur. Die erste Ebene besteht aus zwei vollständig unabhängigen 10 kV-Ausgangsschrankkabinen, getrennt durch eine Brandwand, und jeweils mit 10 kV-Schaltanlagen und Stationsdiensttransformator, die den Stromversorgungswege A und B entsprechen. Die 10 kV-Schaltanlagen verwenden metallummantelte Schaltanlagen mit Vakuumschaltern. Für Speise- und Kompensationsanlagen sowie Stationsdiensttransformator beträgt der Nennstrom und der Bruchstrom 1,25 kA und 25 kA; für Eingangslinien sind es 3,15 kA und 31,5 kA. Die Kapazität des Stationsdiensttransformators wird auf 100 kVA festgelegt, mit einem SC11-Trockentransformator, mit einer Spannung von [110 ± (8×1,25%/10,5)] kV, einer Verkabelungsgruppe von Dyn11, einer Widerstandsspannung Uk = 4%, einer IP40-Schutzhülle und einer Energieeffizienzklasse von 2. Um die Zuverlässigkeit des Systems zu verbessern, entspricht jeder 110 kV-Eingangsleitung zwei Abschnitte von 10 kV-Mutterleitern, was den Umfang eines Unfalls im Falle eines Fehlers reduzieren kann.
Die zweite Ebene muss mit einem Erdungstransformator, einer vorgefertigten Kondensatorkabine usw. ausgestattet sein. In der vorgefertigten Kabine ist ein Kondensatorenbank konfiguriert, mit Differentialdruckschutz eingestellt, und eine Kapazität von 6.000 kVA muss erreicht werden. Neben den oben genannten Teilen wurde in diesem Design ein Eisenkernreaktor ausgewählt, mit einer Reaktanzrate von 12%. Ein komplettes Erdungswiderstandsgerät, mit einem Erdungswiderstand von 10 Ω und einer Kapazität von 400 kVA. Die zweite Ebene hat auch einen Sekundärraum. Der Sekundärraum ist speziell in mehrere Teile unterteilt, einschließlich Videoüberwachung, Kilowattstundenzähler-Schränke, elektrischer Energiensammlung, Fehleraufzeichnung, öffentlicher Mess- und Steuerung, Fernmelde- und Fernmeldetechnik, Relais- und Schutzsystem, Computermontage, intelligente Hilfskontrollsysteme, Zeitsynchronisationssysteme usw.
2.3 Stromrouten
Was die Stromrouten betrifft, so betreten die 110 kV-Netzstrom-Eingangsleitungen für die Stromversorgungswege A und B beide von der 17-m-breiten kurzen Seite rechts. Die beiden Wege betreten parallel, mit einem Abstand von mehr als 10 m, und werden jeweils in die vorgefertigten GIS-Kabinen für die Stromversorgungswege A und B eingeführt. Die Leitungen von GIS zu Transformator für die Stromversorgungswege A und B, die Mutterleiter von Transformator zu 10 kV-Schaltanlagen und die Ausgangsleitungen der 10 kV-Schaltanlagen sind alle unabhängig, und der Abstand beträgt mehr als 10 m.
2.4 Vorteile des Prozesslayout-Designs
Die Hauptausrüstung des Projekts, einschließlich vorgefertigter GIS-Kabinen, 110 kV-Transformator, vorgefertigter Hauptausrüstungskabinen usw., sind alle vollständig isoliert zwischen den Stromversorgungswege A und B. Die Stromrouten für die Stromversorgungswege A und B sind vollständig isoliert. Im Vergleich zu traditionellen Umspannwerken beansprucht es weniger Platz, hat einen hohen Grad an Anpassungsfähigkeit, ist flexibel und effektiv, und kann die Zuverlässigkeitsanforderungen von Rechenzentren erfüllen.
3. Vorgefertigte Kabintechnologie
Dieses Projekt verwendet eine vollständig modular vorgefertigte Methode für den gesamten Standort. Vor Ort müssen nur Hilfsanlagen wie Streifenfundamente und Brandwände gebaut werden. Die Produktion und Verarbeitung von modularen vorgefertigten Kabinen kann gleichzeitig mit den Bauarbeiten durchgeführt werden, was die Bauarbeiten erheblich reduziert. Es löst die Probleme großer Bauarbeiten und langer Bauzeiträume im traditionellen Umspannwerk-Baubetrieb und vermeidet, dass die Bauzeit des Umspannwerks durch Bauarbeiten eingeschränkt wird.
3.1 Kabintechnologie
Die vorgefertigten Kabinen werden in der Fabrik hergestellt und getestet, was eine exzellente Produktqualität und ein hochwertiges Design-Implementierungsniveau gewährleistet, und vermeidet den Einfluss der Bauqualität vor Ort auf die Ausrüstung. Strukturell sind die Bodenrahmenkomponenten des Gehäuses durch U-Profil verbunden, und die Türpaneele und Deckplatten sind mit 2-mm-dicken hochwertigen kalten Walzplatten verschweißt. Es hat eine integrale Struktur und eine starke Stoßfestigkeit.
Die Eigenschaften des Gehäuses spiegeln sich hauptsächlich in drei Aspekten wider: Korrosionsschutz, dreischichtiges Design und Abdichtung, die die grundlegenden Betriebsanforderungen erfüllen und sicherstellen, dass jedes Komponenten einen stabilen Arbeitszustand beibehält. Die Außenschale muss einen Schutzgrad von IP54 oder höher erreichen. Die vorgefertigten Kabinen verwenden ein Design für alle Betriebszustände und haben auch eine gute Wind-, Erdbeben- und Schneebelastung, um den sicheren Betrieb der Ausrüstung zu gewährleisten.
Die Ausrüstung im Inneren der Kabine ist stark integriert. Durch das Design der Kabine und die Koordination verschiedener internen Systeme erfüllt die vorgefertigte Kabine die Anforderungen des Ausrüstungsbetriebs. Die Kabine berücksichtigt nicht nur die primären, sekundären und Kommunikationseinrichtungen des 110 kV-Umspannwerks, sondern auch Hilfssysteme wie Umweltsteuerung, Beleuchtung, Notbeleuchtung, Brandschutz und Erdung.
3.2 Kabine-Transport
Die Kabine muss hohen Anforderungen gerecht werden, hauptsächlich bezüglich Feuchtigkeitsschutz und Abdichtung, andernfalls kann die Betriebsqualität nicht gewährleistet werden. Angesichts der Einschränkungen der Länge und Breite für den Straßentransport in diesem Projekt ist die Länge jeder Transporteinheit auf 14 m, die Breite auf 3,4 m und die Höhe auf 4,5 m begrenzt. Vorgefertigte Kabinen mit größeren Maßen werden in Abschnitten transportiert, und andere vorgefertigte Kabinen mit vergleichsweise kleineren Maßen werden als Ganzes transportiert, um die Anforderungen des Straßentransports zu erfüllen. Wenn der Standort die Montageanforderungen erreicht hat, kann es zum Standort transportiert werden, um die nächste Montage durchzuführen.
3.3 Ortsmontage
Dieses Projekt verwendet eine modulare vorgefertigte Methode, mit weniger Bauarbeiten. Die Hauptbauinhalte umfassen zwei neue Gruppen von Haupttransformator-Fundamenten, vier Brandwände mit einer Länge von 10 m und einer Höhe von 6,5 m, zwei Gruppen von GIS-Kabinen-Fundamenten, eine Gruppe von Hauptausrüstungskabinen-Fundamenten, einen 20-m³-Unfallölpool, eine 198-m-lange und 2,3-m-hohe hohle Umzäunung, 14 Haupttransformator-Unterstützungen und einen 80-m-langen Stahlbeton-Kabelschacht.
Die vorgefertigten Kabinen verwenden ein Modell, bei dem „Fabrikprobemontage zur Simulation der tatsächlichen Betriebsbedingungen + geteilter Transport zum Standort und anschließendes Verschweißen und Installieren“ vor Ort durchgeführt wird. Alle Module wurden in der Fabrik probeweise montiert, und Probleme wurden rechtzeitig entdeckt, ohne Probleme vor Ort zu hinterlassen, was die Bauzeit und -qualität vor Ort sicherstellt. Die Ortsmontage und -verschweißung haben einen kurzen Zyklus, und es gibt fast keine Rohstoffanhäufung.
Für die Verschweißoperation von großformatigen Kabinteilen wird der Ortsverschweißprozess „Verwendung eines Krans zur vorläufigen Positionierung der Ausrüstung + schrittweise Schieben mit einer Kettenwinde + präzise Positionierung mit einer Positionierungsstift“ verwendet. Um sicherzustellen, dass die Verschweißung der Kabine „eng anliegend“ ist, wird das Ortsmontagefoto in Abbildung 3 gezeigt.
Um den Abdichtungsanforderungen gerecht zu werden, sind die Verschweißnahts sorgfältig gestaltet, hauptsächlich mit den Designmethoden von Abdichtungsmaterialien und mechanischen Strukturen. Bei der Verschweißung des Gehäuses werden wasserdichte Schnappverschlüsse und wasserdichte Flansche verwendet. Nach Abschluss der Verschweißung muss starke wasserdichte Kleber an den Nahtstellen hinzugefügt und dann mit einem Abdichtungsband behandelt werden. Schließlich werden nacheinander wasserdichte Schnappverschlüsse und Schaumstoffmaterialien installiert. Wenn alle Prozesse abgeschlossen und hohe Qualitätsanforderungen erfüllt sind, kann Abdichtung und Wasserdichtigkeit erreicht werden.
Nachdem jedes Modul an Ort und Stelle ist, wird die Primär- und Sekundärverbindungsbau durchgeführt. Die Kabel innerhalb der Module und die Verbindungskabel zwischen ihnen wurden vollständig in der Fabrik hergestellt und installiert. Nur die Verbindungskabel und Mutterleiter zwischen jedem Modul müssen installiert werden. Wenn jedes Modul in der Fabrik zusammengebaut wird, wurden vorläufige gemeinsame Tests und Prüfungen durchgeführt, was auch die Ortsdebugging- und Akzeptanzzeit verkürzen kann.
Das 110 kV-Umspannwerk-Bau-Projekt des Rechenzentrums Nr. 1 begann im Dezember frühzeitig, den Plan mit dem Stromnetz Suzhou zu kommunizieren und die vorbereitenden Verfahren voranzutreiben. Nach der Durchführung des Projektbids, der Ausrüstungsbeschaffung, der Fabrikproduktion, der Ortsausrüstungsgrundbau, der Ortsmontage, der Ausrüstungsjustage und der Stromversorgungsannahme wurde es im Juni offiziell in Betrieb genommen. Der gesamte Prozess dauerte weniger als 6 Monate, wobei die Zeit vom Bestimmung des Projektbids bis zur Projektabschluss- und Stromversorgungsannahme etwa 100 Tage betrug, was das Projekt mit dem kürzesten Umspannwerk-Bauzyklus im Rechenzentrum-Bereich ist. Daher wird im Vergleich zu traditionellen Umspannwerken die Bauzeit erheblich reduziert.
Neben diesen Vorteilen ermöglicht das modulare Designkonzept eine effiziente Aktualisierung, wenn dies in Zukunft erforderlich ist, was dazu beiträgt, die Kosten für Wartung und Erweiterung zu senken, und bietet daher auch weitreichende Entwicklungsprospekte.
4. Schlussfolgerung
Vorgefertigte Umspannwerke haben die Schmerzpunkte traditioneller Umspannwerke im Bereich der Rechenzentren gelöst.
