Diseño de Subestación Prefabricada de 110 kV para Centro de Datos
Introducción
Con el rápido desarrollo de tecnologías como la computación en la nube y los datos masivos, y la acelerada penetración de "Internet +" en diversos sectores, la industria de la economía digital está floreciendo en los principales países y regiones del mundo. Ocupa una posición cada vez más importante en la vida cotidiana y la economía nacional. Especialmente bajo el impacto actual de la pandemia de COVID-19 a nivel global, la tendencia a la baja de la economía mundial se intensifica. Solo la economía digital ha ido en contra de la tendencia y ha mantenido un fuerte impulso de desarrollo.
GB 50174 - 2017 Código de Diseño para Centros de Datos da una definición específica de los centros de datos. Un centro de datos, como una instalación básica relacionada con la gestión y almacenamiento de datos, puede almacenar diversos tipos de información de datos. Además, también soporta funciones básicas como el cálculo y transmisión de datos para satisfacer las necesidades de la gestión de datos masivos. La construcción de centros de datos se ha convertido en una tendencia inevitable.
En la industria de los centros de datos, se les conoce como bienes inmuebles digitales, lo cual es bastante diferente de los proyectos de infraestructura tradicional. Aquí hay varias características prominentes de los centros de datos: alto consumo de energía, altos requisitos de confiabilidad y una demanda de velocidad de construcción rápida. El consumo de energía de los centros de datos es concentrado, generalmente configurado con redundancia 2N. El enorme consumo de energía significa que los proyectos de centros de datos a nivel de parque suelen configurar subestaciones de 110 kV específicas para el usuario.
Sin embargo, la construcción de subestaciones de 110 kV también tiene muchos puntos problemáticos, específicamente reflejados en los siguientes aspectos: el ciclo de construcción de las subestaciones de 110 kV tradicionales en China suele tomar de 12 a 24 meses, involucrando todo el contenido de trabajo del ciclo, como planificación, selección de sitio, levantamiento, diseño, registro del proyecto, adquisición de materiales, "cuatro conexiones y un nivelado" (acceso a agua, electricidad, carreteras y telecomunicaciones y nivelación del terreno), construcción e instalación, puesta en marcha, restauración de la vegetación y aceptación de producción. El largo ciclo de construcción no puede coincidir con la demanda de entrega rápida de los centros de datos; debido a razones de clientes y redes, la industria de los centros de datos en China se distribuye principalmente en la región de Beijing-Tianjin-Hebei, el Delta del Río Yangtze y la Gran Área de la Bahía de Guangdong-Hong Kong-Macao. La mayoría de estas regiones son ciudades relativamente desarrolladas con recursos de tierra escasos, y los problemas de limitación de sitio se encuentran a menudo durante la planificación del proyecto; las subestaciones de los centros de datos también necesitan adaptarse a los cambios flexibles en la capacidad de los centros de datos.
Para los puntos problemáticos en la construcción de subestaciones de centros de datos, las subestaciones modulares prefabricadas son una dirección de solución importante. Basadas en el concepto de diseño modular, las subestaciones prefabricadas tienen ventajas de flexibilidad y confiabilidad en comparación con las subestaciones tradicionales en la aplicación. Todos los sistemas en la cabina prefabricada se producen, instalan, cablean, depuran y preensamblan en la fábrica. Una vez completados, pueden ensamblarse directamente en el sitio, logrando alta eficiencia, reduciendo la dificultad de construcción y teniendo un alto grado de integración. Son adecuadas para diferentes escenarios de construcción de subestaciones y muestran ventajas obvias.
Este artículo toma como ejemplo el proyecto de construcción de la subestación de 110 kV del Centro de Datos No.1 y hace una introducción detallada a los escenarios de aplicación, al diseño de disposición de procesos y al diseño de procesos de la cabina prefabricada de las subestaciones prefabricadas en los centros de datos.
1. Visión General del Proyecto
El proyecto del Centro de Datos No.1 está ubicado en la ciudad de Suzhou, provincia de Jiangsu. Este proyecto es una renovación de un edificio industrial antiguo. Ya existen 4 edificios industriales en el parque, a saber, los edificios A, B, C y D. El contenido principal de la construcción esta vez es realizar la renovación integral del parque sin cambiar las condiciones de planificación de los edificios existentes y construir un parque de centros de datos confiable.
Este parque se rige por el estándar de centro de datos de Clase A en GB 50174 - 2017 Código de Diseño para Centros de Datos y planea construir un centro de datos a nivel de parque que pueda alojar más de 100,000 servidores de alto rendimiento. El parque necesita construir una subestación de 110 kV para satisfacer los requisitos de suministro de energía del parque. La subestación introduce 2 suministros de energía de 110 kV completamente independientes, cada uno con una capacidad de 80,000 kVA, formando un sistema de suministro de energía 2N. En operación normal, la tasa de carga de cada línea no excede el 50% de su capacidad a plena carga, es decir, 40,000 kVA. Cuando falla un suministro de energía, el otro puede cargar todas las cargas del centro de datos.
Dado que este proyecto es una renovación de un edificio industrial, la mayor parte del espacio terrestre del proyecto ya ha sido ocupada por los edificios A, B, C y D terminados, con restricciones físicas de espacio relativamente grandes. Los espacios exteriores principales disponibles son el espacio abierto a la izquierda del Edificio B y el espacio abierto entre el Edificio B y el Edificio D. Para el esquema de subestación de 110 kV tradicional, al instalar 2 transformadores principales con una capacidad de 80,000 kVA, se requiere un sitio rectangular con una longitud de aproximadamente 70 m y un ancho de 40 m. La distancia clara del sitio a la izquierda del Edificio B es de 30 m, y la distancia clara del sitio entre el Edificio B y el Edificio C es de 50 m. Considerando la distancia de prevención de incendios entre la subestación y los edificios y los requisitos del camino de lucha contra incendios del parque, ambos sitios tienen dificultades para cumplir con los requisitos de espacio de construcción de las subestaciones tradicionales.
El cliente del proyecto del Centro de Datos No.1 es una empresa de Internet. Como un proyecto de centro de datos base para este cliente, este parque apoyará una gran cantidad de negocios en línea del cliente y una gran cantidad de transmisión, operación, almacenamiento y procesamiento de datos detrás de los negocios. El cliente tiene altos requisitos de confiabilidad para este centro de datos y un plazo de entrega ajustado.
En cuanto al plazo de entrega, debido al rápido desarrollo de los negocios de datos del cliente, el cliente tiene una demanda muy urgente del centro de datos, y se requiere que todo el parque de centros de datos se entregue dentro de 6 meses. En términos de confiabilidad, el cliente requiere que los dos suministros de energía de 110 kV de la subestación, que se respaldan mutuamente, sean completamente independientes desde la línea de entrada hasta la línea de salida, y que las rutas estén separadas por más de 10 m. Los equipos principales como GIS, transformadores y gabinetes de interruptores de 10 kV se distribuyen en diferentes espacios físicos para evitar que un solo accidente afecte a ambos suministros de energía y, por lo tanto, a todos los negocios del centro de datos completo.
Dado que el proyecto de subestación de 110 kV del Centro de Datos No.1 tiene limitaciones de espacio, plazos ajustados y altos requisitos de personalización, la forma de subestación tradicional es difícil de cumplir con los requisitos del proyecto. Después de consultas y discusiones con la compañía de red eléctrica local, se confirmó que este proyecto adoptaría la forma de una subestación modular prefabricada de 110 kV.
2. Diseño de Disposición de Procesos
2.1 Espacio Físico
El proyecto de subestación de 110 kV del Centro de Datos No.1 tiene un total de 2 líneas de alimentación entrantes, y los suministros de energía provienen de los suministros de energía de las subestaciones superiores de 220 kV A y B respectivamente. Ambas líneas de alimentación de los suministros de energía A y B entran al parque desde el sur a través de enterrado subterráneo. Considerando la dirección de las rutas de las líneas de suministro de energía externas y la situación actual de los edificios en el parque, la subestación de 110 kV se establece en la esquina suroeste del parque. El diagrama esquemático del plano de la ubicación de la subestación de 110 kV se muestra en la Figura 1.
La subestación prefabricada tiene 82 m de largo, 17 m de ancho y un área total de 1,400 m². Para una subestación tradicional en las mismas condiciones, estos tres parámetros son 70 m, 40 m y 2,800 m² respectivamente. En comparación con la subestación tradicional, se ahorra más del 50% del área, y la disposición de la subestación se puede determinar según las condiciones en el sitio, lo que es relativamente flexible.
Figura 1 Diagrama esquemático del plano de ubicación de la subestación de 110 kV
2.2 Disposición de Procesos
La Figura 2 muestra el diagrama de disposición de procesos de la subestación de 110 kV. El interior de la subestación consta de dos cabinas prefabricadas de GIS (Interruptor Gas-Aislado de Metal Cerrado con SF6), una cabina prefabricada de equipo principal y dos transformadores de 110 kV al aire libre. La disposición se organiza en un patrón lineal.
2.3 Enrutamiento de Energía
La subestación de este proyecto es básicamente simétrica en su totalidad. Como se puede ver en la Figura 2, tomando el muro cortafuego en el medio de las dos cabinas prefabricadas de equipo principal como límite, a la izquierda y derecha están respectivamente las cabinas prefabricadas de GIS, las cabinas prefabricadas de equipo principal, los transformadores de 110 kV y las cabinas prefabricadas de capacitores para los suministros de energía de la Ruta A y la Ruta B, y el equipo de la Ruta A y la Ruta B son completamente independientes.
Toda la subestación está equipada con un muro perimetral independiente y opera de manera independiente del parque de centros de datos. Se establece una entrada independiente fuera del parque en el lado sur. Solo se permite la entrada de personal profesional a la subestación de 110 kV, y otros no tienen derechos de acceso, lo que puede garantizar la confiabilidad de la operación de la subestación.
La cabina de GIS es una cabina prefabricada de una sola capa. En su interior, está principalmente equipada con dispositivos combinados eléctricos de GIS de 110 kV con una corriente nominal de 2,000 A. Para cada parte del diseño, el hexafluoruro de azufre (SF6) es un medio de extinción de arco importante y se puede aplicar en GIS. Estructuralmente, el GIS se divide principalmente en varias partes, incluyendo transformadores de voltaje, pararrayos, interruptores y tubos, etc. Estas partes deben conectarse correctamente, y se debe garantizar la confiabilidad de cada componente para lograr efectivamente la función general [8].
El transformador principal utiliza principalmente un transformador trifásico de doble bobinado de aceite autoenfriado, adoptando el método de conexión YN, con un nivel de tensión de [10.5 ± (2×2.5%/0.4)] kV, y el modelo específico es SZ11 - 80000/110.
La cabina de equipo principal tiene una estructura de dos capas. La primera capa consta de dos cabinas de gabinetes de salida de 10 kV completamente independientes, separadas por un muro cortafuego, y equipadas respectivamente con gabinetes de interruptores de 10 kV y transformadores de servicio de planta correspondientes a los suministros de energía de la Ruta A y la Ruta B. Los gabinetes de interruptores de 10 kV utilizan gabinetes metálicos recubiertos equipados con interruptores de vacío. Para los gabinetes de alimentación, capacitores y transformadores de servicio de planta, sus corrientes nominales y de interrupción son 1.25 kA y 25 kA respectivamente; para las líneas de entrada, son 3.15 kA y 31.5 kA respectivamente. La capacidad del transformador de servicio de planta se selecciona como 100 kVA, utilizando un transformador seco de tipo SC11, con una tensión de [110 ± (8×1.25%/10.5)] kV, un grupo de conexión Dyn11, un voltaje de impedancia Uk = 4%, un recinto protector IP40 y una clase de eficiencia energética de 2. Para mejorar la confiabilidad del sistema, cada línea de entrada de 110 kV corresponde a dos secciones de barras de 10 kV, lo que puede reducir el alcance de un accidente en caso de fallo.
La segunda capa necesita estar equipada con un transformador de tierra, una cabina prefabricada de capacitores, etc. Se configura un banco de capacitores en la cabina prefabricada, con protección de presión diferencial, y se necesita alcanzar una capacidad de 6,000 kVA. Además de las partes mencionadas anteriormente, en este diseño se selecciona un reactor de núcleo de hierro, con una tasa de reactancia del 12%. Un conjunto de dispositivo de resistencia de tierra completa, con una resistencia de tierra de 10 Ω y una capacidad de 400 kVA. La segunda capa también tiene una sala secundaria. La sala secundaria se divide específicamente en varias partes, incluyendo vigilancia por video, gabinetes de medidores de kilovatios-hora, recolección de energía eléctrica, registro de fallas, control de medición público, comunicación de telecontrol, protección relé, supervisión por computadora, sistemas de control auxiliar inteligente, sistemas de sincronización de tiempo, etc.
2.3 Enrutamiento de Energía
En términos de enrutamiento de energía, las líneas de entrada de suministro de energía de 110 kV de la Ruta A y la Ruta B entran desde el lado corto de 17 m de ancho a la derecha. Las dos rutas entran en paralelo, con un espacio de más de 10 m, y se introducen respectivamente en las cabinas prefabricadas de GIS correspondientes a la Ruta A y la Ruta B. Las líneas desde GIS a los transformadores de la Ruta A y la Ruta B, las barras desde los transformadores a los gabinetes de interruptores de 10 kV y las líneas de salida de los gabinetes de interruptores de 10 kV son todas independientes, y el espacio es de más de 10 m.
2.4 Ventajas del Diseño de Disposición de Procesos
El equipo principal del proyecto, incluyendo cabinas prefabricadas de GIS, transformadores de 110 kV, cabinas prefabricadas de equipo principal, etc., están completamente aislados entre la Ruta A y la Ruta B. El enrutamiento de energía de la Ruta A y la Ruta B está completamente aislado. En comparación con las subestaciones tradicionales, ocupa menos espacio, tiene un alto grado de personalización, es flexible y eficaz, y puede cumplir con los requisitos de confiabilidad de los centros de datos.
3. Tecnología de Cabina Prefabricada
Este proyecto adopta un método de prefabricación modular de toda la estación. En el sitio, solo se necesitan construir instalaciones auxiliares como cimentaciones de zanja y muros cortafuego. La producción y procesamiento de las cabinas prefabricadas modulares se pueden llevar a cabo simultáneamente con el trabajo de ingeniería civil, reduciendo en gran medida la cantidad de trabajo de ingeniería civil. Soluciona los problemas de grandes cantidades de ingeniería civil y largos ciclos de construcción en el modo de construcción de subestaciones tradicionales, y evita la situación en la que el tiempo de construcción de la subestación se vea restringido por los proyectos de ingeniería civil.
3.1 Tecnología de Cabina
Las cabinas prefabricadas se producen y depuran en la fábrica, asegurando una calidad de producto exquisita y un alto nivel de implementación de diseño, y evitando el impacto de la calidad de la construcción en el sitio en el equipo. Estructuralmente, los componentes de la base de la caja están conectados por canal de acero, y los paneles de puerta y las cubiertas superiores están soldados con placas de acero laminado en frío de alta calidad de 2 mm de grosor. Tiene una estructura integral y una resistencia al impacto fuerte.
Las características de la caja se reflejan principalmente en tres aspectos: anticorrosión, estructura de tres capas y sellado, lo que puede cumplir con los requisitos básicos de operación y garantizar que cada componente mantenga un estado de trabajo estable. La carcasa exterior necesita alcanzar un nivel de protección de IP54 o superior. Las cabinas prefabricadas adoptan un diseño de todas las condiciones de trabajo y también tienen una buena resistencia al viento, sismo y carga de nieve para garantizar la operación segura del equipo.
El equipo dentro de la cabina está altamente integrado. A través del diseño de la estructura de la cabina y la coordinación de varios sistemas internos, la cabina prefabricada cumple con las necesidades de operación del equipo. La cabina no solo considera el equipo primario, secundario y de comunicación de la subestación de 110 kV, sino que también considera sistemas auxiliares como control ambiental, iluminación, iluminación de emergencia, protección contra incendios y puesta a tierra.
3.2 Transporte de Cabinas
La cabina necesita cumplir con altos requisitos, principalmente involucrando propiedades de protección contra la humedad y sellado, de lo contrario, no se puede garantizar la calidad de la operación. Considerando las restricciones de longitud y ancho para el transporte por carretera en este proyecto, la longitud de cada unidad de transporte se limita a 14 m, el ancho a 3.4 m y la altura a 4.5 m. Las cabinas prefabricadas de dimensiones mayores se transportan por secciones, y otras cabinas prefabricadas de dimensiones relativamente menores se transportan como un todo, cumpliendo con los requisitos de transporte por carretera. Si el sitio ha alcanzado los requisitos de montaje, se puede transportar al sitio para el siguiente paso de montaje.
3.3 Instalación en Sitio
Este proyecto adopta un método de prefabricación modular, con menos trabajo de ingeniería civil. Los contenidos principales de ingeniería civil incluyen dos grupos de cimentaciones de transformadores principales nuevas, cuatro muros cortafuego de 10 m de longitud y 6.5 m de altura, dos grupos de cimentaciones de cabinas de GIS, un grupo de cimentaciones de cabinas de equipo principal, un pozo de aceite de accidente de 20 m³, un muro perimetral hueco de 198 m de largo y 2.3 m de alto, 14 soportes de transformadores principales y un canal de cables de hormigón armado de 80 m de largo.
Las cabinas prefabricadas adoptan un modo de "ensamblaje de prueba en fábrica debe realizarse para simular la situación de operación real + transporte dividido al sitio y luego empalme e instalación" en el sitio. Todos los módulos se han ensamblado de prueba en la fábrica, y los problemas se descubren a tiempo sin dejar problemas en el sitio, garantizando el período y la calidad de la construcción en el sitio. El ciclo de izaje e instalación en el sitio es corto, y casi no hay acumulación de materias primas.
Para la operación de empalme de piezas de cabina de gran tamaño, se adopta el proceso de empalme en el sitio de "usar una grúa para posicionar inicialmente el equipo + empujar gradualmente con un bloque de cadena + posicionar con precisión con un pasador de posicionamiento". Para garantizar que el empalme de la cabina sea "ajustado", se muestra la foto de izaje en el sitio en la Figura 3.
Para cumplir con los requisitos de sellado, las juntas de empalme se diseñan de manera razonable, principalmente utilizando los métodos de diseño de materiales de sellado y estructuras mecánicas. En el empalme de la caja, se utilizan abrazaderas impermeables y flanges impermeables. Después de completar el empalme, se necesita agregar pegamento impermeable fuerte a las posiciones de las juntas, y luego tratarlas con una tira de sellado. Finalmente, se instalan en secuencia abrazaderas impermeables y materiales de espuma. Cuando se completan todos los procesos y cumplen con altos requisitos de calidad, se puede lograr el sellado y la impermeabilización.
Después de que cada módulo está en su lugar, se realiza la construcción de conexión primaria y secundaria. Los cables dentro de los módulos y los cables de conexión entre ellos ya se han producido e instalado en la fábrica. Solo se necesitan instalar los cables de conexión y las barras colectoras entre cada módulo. Cuando cada módulo se ensambla en la fábrica, se han realizado pruebas y pruebas de conexión preliminar, lo que también puede acortar el tiempo de depuración y aceptación en el sitio.
El proyecto de construcción de la subestación de 110 kV del Centro de Datos No.1 comenzó a comunicar el plan con la red eléctrica de Suzhou y a promover los procedimientos preliminares a principios de diciembre. Después de pasar por la licitación del proyecto, la adquisición de equipos, la producción en fábrica, la construcción de cimentaciones de equipos en el sitio, el ensamblaje en el sitio, la depuración de equipos y la aceptación de encendido, se puso en operación oficialmente a principios de junio. Todo el proceso tomó menos de 6 meses, de los cuales el tiempo desde la determinación de la licitación del proyecto hasta la finalización del proyecto y la aceptación de encendido fue de aproximadamente 100 días, lo que es el proyecto con el ciclo de construcción de subestación más corto en el campo de los centros de datos. Por lo tanto, en comparación con las subestaciones tradicionales, el tiempo de construcción se reduce significativamente.
Además de estas ventajas, debido a la adopción del concepto de diseño modular, se puede actualizar de manera eficiente cuando sea necesario en el futuro, lo que ayuda a reducir los costos de mantenimiento y expansión, por lo que también muestra amplias perspectivas de desarrollo.
4. Conclusión
Las subestaciones prefabricadas han abordado los puntos problemáticos de las subestaciones tradicionales en el campo de los centros de datos.
Las subestaciones modulares prefabricadas representan una tecnología en constante evolución. Su construcción tiene como objetivo servir mejor a la red eléctrica y a los usuarios. Mientras se asegura la seguridad, confiabilidad y eficiencia económica, cumplen con las necesidades de construcción rápida, ahorro de espacio y reducción de la inversión. Se cree que, con la fuerte promoción de la construcción de nueva infraestructura como los centros de datos por parte del país y la madurez continua de la tecnología de subestaciones modulares prefabricadas, en el futuro se completarán y se entregarán cada vez más subestaciones modulares prefabricadas en los centros de datos.
