Conception d'une sous-station préfabriquée de 110 kV pour centre de données
Introduction
Avec le développement rapide des technologies telles que le cloud computing et le big data, et la pénétration accélérée de l'« Internet + » dans divers secteurs, l'industrie de l'économie numérique est en plein essor dans les principaux pays et régions du monde. Elle occupe une place de plus en plus importante dans la vie quotidienne et l'économie nationale. En particulier, sous l'impact actuel de la pandémie de COVID-19 à l'échelle mondiale, la tendance baissière de l'économie mondiale s'intensifie. Seule l'économie numérique a résisté à cette tendance et maintenu un fort élan de développement.
La norme GB 50174 - 2017 Code de conception des centres de données donne une définition spécifique des centres de données. Un centre de données, en tant qu'infrastructure de base liée à la gestion et au stockage des données, peut stocker divers types d'informations de données. De plus, il soutient également des fonctions de base telles que le calcul et la transmission de données pour répondre aux besoins de la gestion de masses de données. La construction de centres de données est devenue une tendance inévitable.
Dans l'industrie des centres de données, on parle de biens immobiliers numériques, qui sont très différents des projets d'infrastructures traditionnels. Voici plusieurs caractéristiques saillantes des centres de données : une consommation d'énergie élevée, des exigences de fiabilité élevées et une demande de vitesse de construction rapide. La consommation d'énergie des centres de données est concentrée, généralement configurée avec une redondance 2N. La grande capacité de consommation d'énergie signifie que les projets de centres de données de niveau parc configurent généralement des postes de transformation 110 kV spécifiques à l'utilisateur.
Cependant, la construction de postes de transformation 110 kV présente également de nombreux points douloureux, spécifiquement reflétés dans les aspects suivants : le cycle de construction des postes de transformation 110 kV traditionnels en Chine prend généralement 12 à 24 mois, impliquant tous les travaux de planification, de sélection de site, de levés, de conception, de déclaration de projet, d'achat de matériaux, de « quatre connexions et un nivellement » (accès à l'eau, à l'électricité, aux routes, aux télécommunications et au nivellement du terrain), de construction et d'installation, de mise en service, de restauration de la végétation et d'acceptation de production. Le long cycle de construction ne correspond pas à la demande de livraison rapide des centres de données ; en raison des raisons clients et réseau, l'industrie des centres de données en Chine est principalement répartie dans la région de Beijing-Tianjin-Hebei, le delta du Yangtze et la grande région de la Baie de Guangdong-Hong Kong-Macao. La plupart de ces régions sont des villes relativement développées avec des ressources foncières rares, et des problèmes de limitation de site sont souvent rencontrés lors de la planification des projets ; les postes de transformation des centres de données doivent également s'adapter aux changements flexibles de capacité des centres de données.
Pour les points douloureux dans la construction des postes de transformation des centres de données, les postes de transformation modulaires préfabriqués sont une direction de solution importante. Basés sur le concept de conception modulaire, les postes de transformation préfabriqués ont des avantages de flexibilité et de fiabilité par rapport aux postes de transformation traditionnels en application. Tous les systèmes dans la cabine préfabriquée sont produits, installés, câblés, débogués et pré-assemblés en usine. Une fois terminés, ils peuvent être directement assemblés sur site, atteignant une haute efficacité, réduisant la difficulté de construction et ayant un degré élevé d'intégration. Ils conviennent à différents scénarios de construction de postes de transformation et montrent des avantages évidents.
Cet article prend le projet de construction du poste de transformation 110 kV du Centre de données No.1 comme exemple, et fait une introduction détaillée aux scénarios d'application, à la conception de disposition de processus et à la conception de processus de cabine préfabriquée des postes de transformation préfabriqués dans les centres de données.
1. Aperçu du projet
Le projet du Centre de données No.1 est situé à Suzhou, dans la province du Jiangsu. Ce projet est une rénovation d'un ancien bâtiment industriel. Il y a déjà 4 bâtiments industriels dans le parc, à savoir les bâtiments A, B, C et D. Le contenu principal de la construction cette fois est de réaliser la rénovation globale du parc sans modifier les conditions de planification existantes des bâtiments et de construire un parc de centres de données fiable.
Ce parc se réfère à la norme de centre de données de classe A dans la norme GB 50174 - 2017 Code de conception des centres de données et prévoit de construire un centre de données de niveau parc capable de supporter plus de 100 000 serveurs haute performance. Le parc a besoin de construire un poste de transformation 110 kV pour répondre aux besoins d'alimentation électrique du parc. Le poste de transformation introduit 2 alimentations électriques 110 kV complètement indépendantes, chacune d'une capacité de 80 000 kVA, formant un système d'alimentation 2N. En fonctionnement normal, le taux de charge de chaque ligne n'excède pas 50 % de sa capacité pleine charge, c'est-à-dire 40 000 kVA. Lorsqu'une alimentation électrique tombe en panne, l'autre peut supporter toutes les charges du centre de données.
Comme ce projet est une rénovation de bâtiment industriel, la majeure partie de l'espace foncier du projet est occupée par les bâtiments A, B, C et D déjà construits, avec des limitations physiques d'espace relativement importantes. Les principaux espaces extérieurs disponibles sont l'espace ouvert à gauche du bâtiment B et l'espace ouvert entre le bâtiment B et le bâtiment D. Pour le schéma de poste de transformation 110 kV traditionnel, lorsque deux transformateurs principaux d'une capacité de 80 000 kVA sont installés, un site rectangulaire d'environ 70 m de long et 40 m de large est nécessaire. La distance claire du site à gauche du bâtiment B est de 30 m, et la distance claire du site entre le bâtiment B et le bâtiment C est de 50 m. En tenant compte de la distance de prévention incendie entre le poste de transformation et les bâtiments et des exigences de la route de lutte contre l'incendie du parc, il est difficile pour les deux sites de répondre aux exigences d'espace de construction des postes de transformation traditionnels.
Le client du projet du Centre de données No.1 est une entreprise Internet. En tant que projet de centre de données de type base pour ce client, ce parc soutiendra un grand nombre d'activités en ligne du client et une grande quantité de transmission, d'exploitation, de stockage et de traitement de données derrière ces activités. Le client a des exigences élevées en termes de fiabilité de ce centre de données et est pressé par le délai de livraison.
En termes de délai de livraison, en raison du développement rapide des activités de données du client, le client a un besoin très urgent de centre de données, et l'ensemble du parc de centres de données doit être livré dans un délai de 6 mois. En termes de fiabilité, le client exige que les deux alimentations électriques du poste de transformation 110 kV, qui se servent de sauvegarde mutuelle, soient complètement indépendantes de la ligne d'entrée à la ligne de sortie, et que les itinéraires soient à plus de 10 mètres de distance. Les équipements principaux tels que le GIS, les transformateurs et les tableaux de distribution 10 kV sont distribués dans différents espaces physiques pour éviter qu'un accident unique n'affecte les deux alimentations électriques et ainsi affecte toutes les activités de l'ensemble du centre de données.
Comme le projet de poste de transformation 110 kV du Centre de données No.1 a des limitations d'espace, des contraintes de temps serrées et des exigences de personnalisation élevées, la forme de poste de transformation traditionnelle est difficile à satisfaire aux exigences du projet. Après des négociations et discussions avec la compagnie locale de réseau électrique, il a été confirmé que ce projet adopterait la forme d'un poste de transformation 110 kV préfabriqué modulaire.
2. Conception de la disposition de processus
2.1 Espace physique
Le projet de poste de transformation 110 kV du Centre de données No.1 a au total 2 lignes d'alimentation entrantes, et les alimentations proviennent respectivement des alimentations électriques des postes de transformation 220 kV amont A et B. Les deux lignes d'alimentation des alimentations électriques A et B entrent dans le parc par le sud via un enterré. En tenant compte de l'orientation des itinéraires des lignes d'alimentation électrique externes et de la situation actuelle des bâtiments dans le parc, le poste de transformation 110 kV est placé dans le coin sud-ouest du parc. Le schéma plan du lieu du poste de transformation 110 kV est montré à la Figure 1.
Le poste de transformation préfabriqué mesure 82 m de long, 17 m de large et a une superficie totale de 1 400 m². Pour un poste de transformation traditionnel dans les mêmes conditions, ces trois paramètres sont respectivement 70 m, 40 m et 2 800 m². Comparé au poste de transformation traditionnel, la superficie est économisée de plus de 50 %, et la disposition du poste de transformation peut être déterminée selon les conditions sur site, ce qui est relativement flexible.
Figure 1 Schéma plan de l'emplacement du poste de transformation 110 kV
2.2 Disposition de processus
La Figure 2 montre le schéma de disposition de processus du poste de transformation 110 kV. L'intérieur du poste de transformation comprend deux cabines préfabriquées de GIS (postes combinés métalliques étanches à gaz SF6), une cabine préfabriquée d'équipement principal et deux transformateurs 110 kV en extérieur. La disposition est organisée de manière linéaire.
2.3 Routage de l'énergie
Le poste de transformation de ce projet est fondamentalement complètement symétrique. Comme on peut le voir à la Figure 2, en prenant la cloison coupe-feu au milieu des deux cabines préfabriquées d'équipement principal comme limite, à gauche et à droite se trouvent respectivement les cabines préfabriquées de GIS, les cabines préfabriquées d'équipement principal, les transformateurs 110 kV et les cabines préfabriquées de condensateurs pour les alimentations de la voie A et de la voie B, et les équipements de la voie A et de la voie B sont complètement indépendants.
L'ensemble du poste de transformation est équipé d'une clôture indépendante et fonctionne indépendamment du parc de centres de données. Une entrée indépendante hors du parc est située sur le côté sud. Seuls les personnels professionnels sont autorisés à entrer dans le poste de transformation 110 kV, et les autres personnes n'ont pas d'accès, ce qui peut garantir la fiabilité du fonctionnement du poste de transformation.
La cabine GIS est une cabine préfabriquée à un étage. À l'intérieur, elle est principalement équipée d'appareils électriques combinés GIS 110 kV avec un courant nominal de 2 000 A. Pour chaque partie de la conception, l'hexafluorure de soufre (SF6) est un important milieu extincteur d'arc et peut être appliqué dans le GIS. Structuralement, le GIS est principalement divisé en plusieurs parties, y compris les transformateurs de tension, les parafoudres, les disjoncteurs et les embases, etc. Ces parties doivent être correctement connectées, et la fiabilité de chaque composant doit être assurée pour réaliser efficacement la fonction globale [8].
Le transformateur principal utilise principalement un transformateur triphasé à double enroulement auto-refroidi, adoptant la méthode de mise à la terre YN, avec un niveau de tension de [10,5 ± (2×2,5%/0,4)] kV, et le modèle spécifique est SZ11-80000/110.
La cabine d'équipement principal a une structure à deux niveaux. Le premier niveau est constitué de deux cabines de tableaux de sortie 10 kV complètement indépendantes, séparées par une cloison coupe-feu, et respectivement équipées de tableaux de distribution 10 kV et de transformateurs de station correspondant aux alimentations de la voie A et de la voie B. Les tableaux de distribution 10 kV utilisent des tableaux de distribution métalliques équipés de disjoncteurs à vide. Pour les armoires de distribution, les condensateurs et les transformateurs de station, leur courant nominal et leur courant de rupture sont respectivement 1,25 kA et 25 kA ; pour les lignes d'entrée, ils sont 3,15 kA et 31,5 kA. La puissance nominale du transformateur de station est choisie à 100 kVA, utilisant un transformateur sec de type SC11, avec une tension de [110 ± (8×1,25%/10,5)] kV, un groupe de branchements Dyn11, une tension d'impédance Uk = 4%, un boîtier de protection IP40 et une classe d'efficacité énergétique de 2. Pour améliorer la fiabilité du système, chaque ligne d'entrée 110 kV correspond à deux sections de barres de collecteur 10 kV, ce qui peut réduire l'étendue d'un incident en cas de panne.
Le deuxième niveau doit être équipé d'un transformateur de terre, d'une cabine préfabriquée de condensateurs, etc. Un banc de condensateurs est configuré dans la cabine préfabriquée, avec une protection différentielle mise en place, et une puissance de 6 000 kVA doit être atteinte. En plus des parties mentionnées ci-dessus, un réacteur à noyau ferromagnétique est choisi dans cette conception, avec un taux de réactance de 12%. Un dispositif complet de résistance de terre, avec une résistance de terre de 10 Ω et une puissance de 400 kVA. Le deuxième niveau dispose également d'une salle secondaire. La salle secondaire est spécifiquement divisée en plusieurs parties, y compris la surveillance vidéo, les armoires de comptage d'énergie, la collecte d'énergie électrique, l'enregistrement de défauts, la commande de mesure publique, la communication de télécommande, la protection relais, la surveillance informatique, les systèmes de contrôle d'aide intelligente, les systèmes de synchronisation de l'heure, etc.
2.3 Routage de l'énergie
En termes de routage de l'énergie, les lignes d'alimentation électrique 110 kV des voies A et B entrent toutes deux par le côté court de 17 m de large sur la droite. Les deux voies entrent en parallèle, avec un espacement de plus de 10 m, et sont respectivement introduites dans les cabines préfabriquées de GIS correspondant aux voies A et B. Les lignes de GIS aux transformateurs pour les voies A et B, les barres de collecteur de transformateurs aux tableaux de distribution 10 kV, et les lignes de sortie des tableaux de distribution 10 kV sont toutes indépendantes, et l'espacement est de plus de 10 m.
2.4 Avantages de la conception de la disposition de processus
Les équipements principaux du projet, y compris les cabines préfabriquées de GIS, les transformateurs 110 kV, les cabines préfabriquées d'équipement principal, etc., sont tous complètement isolés entre la voie A et la voie B. Le routage de l'énergie de la voie A et de la voie B est complètement isolé. Par rapport aux postes de transformation traditionnels, il occupe moins d'espace, a un degré élevé de personnalisation, est flexible et efficace, et peut répondre aux exigences de fiabilité des centres de données.
3. Technologie de cabine préfabriquée
Ce projet adopte une méthode de préfabrication modulaire intégrale de la station. Sur site, seules des infrastructures auxiliaires telles que les fondations en bande et les cloisons coupe-feu doivent être construites. La production et le traitement des cabines préfabriquées modulaires peuvent être réalisés simultanément avec les travaux de génie civil, réduisant considérablement la quantité de travaux de génie civil. Il résout les problèmes de grande quantité de travaux de génie civil et de long cycle de construction dans le mode de construction de postes de transformation traditionnels, et évite la situation où le temps de construction du poste de transformation est limité par les projets de génie civil.
3.1 Technologie de cabine
Les cabines préfabriquées sont produites et déboguées en usine, assurant une qualité de produit exquise et un niveau élevé de mise en œuvre de la conception standard, et évitant l'impact de la qualité de construction sur site sur les équipements. Structurellement, les composants de la base de la caisse sont reliés par des cornières, et les panneaux de porte et les couvercles supérieurs sont soudés avec des plaques laminées à froid de haute qualité d'une épaisseur de 2 mm. Il a une structure intégrale et une forte résistance aux chocs.
Les caractéristiques de la caisse sont principalement reflétées dans trois aspects : anti-corrosion, structure à trois couches et étanchéité, qui peuvent répondre aux exigences opérationnelles de base et assurer que chaque composant maintient un état de travail stable. La coque extérieure doit atteindre un niveau de protection IP54 ou supérieur. Les cabines préfabriquées adoptent une conception pour toutes les conditions de fonctionnement et ont également une bonne résistance au vent, aux séismes et à la charge de neige pour assurer le fonctionnement sûr des équipements.
Les équipements à l'intérieur de la cabine sont hautement intégrés. Grâce à la conception de la structure de la cabine et à la coordination des différents systèmes internes, la cabine préfabriquée répond aux besoins de fonctionnement des équipements. La cabine prend non seulement en compte les équipements primaires, secondaires et de communication du poste de transformation 110 kV, mais aussi les systèmes auxiliaires tels que la climatisation, l'éclairage, l'éclairage d'urgence, la protection incendie et la mise à la terre.
3.2 Transport de la cabine
La cabine doit répondre à des exigences élevées, impliquant principalement des propriétés hydrofuges et d'étanchéité, sinon la qualité de fonctionnement ne peut pas être garantie. En tenant compte des restrictions de longueur et de largeur pour le transport routier dans ce projet, la longueur de chaque unité de transport est limitée à 14 m, la largeur à 3,4 m et la hauteur à 4,5 m. Les cabines préfabriquées de grandes dimensions sont transportées en sections, et les autres cabines préfabriquées de dimensions relativement plus petites sont transportées en une seule pièce, répondant aux exigences de transport routier. Si le site a atteint les exigences d'assemblage, il peut être transporté sur site pour l'assemblage suivant.
3.3 Installation sur site
Ce projet adopte une méthode de préfabrication modulaire, avec moins de travaux de génie civil. Les principaux contenus de génie civil comprennent deux groupes de nouvelles fondations de transformateurs principaux, quatre cloisons coupe-feu de 10 m de long et 6,5 m de haut, deux groupes de fondations de cabines GIS, un groupe de fondations de cabines d'équipement principal, un bassin d'huile d'accident de 20 m³, un mur de clôture creux de 198 m de long et 2,3 m de haut, 14 supports de transformateurs principaux, et un fossé de câbles en béton armé de 80 m de long.
Les cabines préfabriquées adoptent un mode de « montage d'essai en usine doit être réalisé pour simuler la situation de fonctionnement réel + transport fractionné sur site puis assemblage et installation ». Tous les modules ont été montés en essai en usine, et les problèmes sont découverts en temps opportun sans laisser de problèmes sur site, assurant la période de construction sur site et la qualité de construction. Le levage et l'assemblage sur site ont un cycle court, et il n'y a presque pas d'accumulation de matières premières.
Pour l'opération de collage de pièces de cabine de grande taille, le processus de collage sur site de « positionnement initial de l'équipement à l'aide d'une grue + poussée progressive avec un treuil à chaîne + positionnement précis avec un broche de positionnement » est adopté. Pour assurer que le collage de la cabine est « ajusté », la photo de levage sur site est montrée à la Figure 3.
Pour répondre aux exigences d'étanchéité, les joints de collage sont conçus de manière raisonnable, en utilisant principalement les méthodes de conception des matériaux d'étanchéité et des structures mécaniques. Dans le collage de la caisse, des fermoirs étanches et des bords étanches sont utilisés. Après l'achèvement du collage, du mastic étanche doit être ajouté aux positions des joints, puis traité avec une bande d'étanchéité. Enfin, des fermoirs étanches et des matériaux de mousse sont installés en ordre. Lorsque tous les processus sont achevés et répondent à des exigences de haute qualité, l'étanchéité et l'imperméabilité peuvent être réalisées.
Après que chaque module est en place, la construction de connexion primaire et secondaire est réalisée. Les câbles à l'intérieur des modules et les câbles de connexion entre eux ont été entièrement produits et installés en usine. Seuls les câbles de connexion et les barres de collecteur entre chaque module doivent être installés. Lorsque chaque module est assemblé en usine, un débogage et un test préliminaire conjoint ont été effectués, ce qui peut également raccourcir le temps de débogage et d'acceptation sur site.
Le projet de construction du poste de transformation 110 kV du Centre de données No.1 a commencé à communiquer le plan avec le réseau électrique de Suzhou et à promouvoir les procédures préliminaires en début décembre. Après avoir passé par l'appel d'offres du projet, l'achat d'équipements, la production en usine, la construction des fondations d'équipements sur site, l'assemblage sur site, le débogage des équipements et l'acceptation de mise en service, il a été officiellement mis en service en début juin. Le processus complet a pris moins de 6 mois, dont le temps de la détermination de l'offre de projet à l'achèvement du projet et l'acceptation de mise en service était d'environ 100 jours, ce qui est le projet avec le plus court cycle de construction de poste de transformation dans le domaine des centres de données. Par conséquent, par rapport aux postes de transformation traditionnels, le temps de construction est considérablement réduit.
En plus de ces avantages, grâce à l'adoption du concept de conception modulaire, il peut être efficacement mis à niveau si nécessaire à l'avenir, ce qui aide à réduire les coûts de maintenance et d'expansion, montrant ainsi de vastes perspectives de développement.
4. Conclusion
Les postes de transformation préfabriqués ont abordé les points douloureux des postes de transformation traditionnels dans le domaine des centres de données.
Les postes de transformation préfabriqués modulaires représentent une technologie en constante évolution. Leur construction vise à mieux servir le réseau électrique et les utilisateurs. En assurant la sécurité, la fiabilité et l'efficacité économique, ils répondent aux besoins de construction rapide, d'économie d'espace et de réduction des investissements. Il est convaincu qu'avec la promotion vig
