Deseño de Subestación Prefabricada de 110 kV para Centro de Datos
Introducción
Coa rápida desenvolvemento de tecnoloxías como o cómputo en nube e os datos en masa, e a aceleración da penetración do "Internet +" en diversos sectores, a industria da economía digital está en pleno auge nos principais países e rexións do mundo. Ocupa unha posición cada vez máis importante na vida diaria e na economía nacional. Especialmente baixo o impacto actual da pandemia de COVID-19 a nivel mundial, a tendencia a baixada da economía mundial está intensificándose. Só a economía digital ha invertido a tendencia e manteu un forte impulso de desenvolvemento.
O GB 50174 - 2017 Código de Diseño para Centros de Datos dá unha definición específica dos centros de datos. Un centro de datos, como instalación básica relacionada coa xestión e almacenamento de datos, pode almacenar varios tipos de información de datos. Ademais, tamén soporta funcións básicas como o cálculo e transmisión de datos para satisfacer as necesidades da xestión de enormes cantidades de datos. A construción de centros de datos xa se converteu nunha tendencia inevitábel.
Na industria dos centros de datos, coñécense como bens inmobiliarios digitais, que son bastante diferentes dos proxectos de infraestrutura tradicionais. Aquí están varias características destacadas dos centros de datos: alto consumo de enerxía, elevados requisitos de fiabilidade e unha demanda de velocidade de construción rápida. O consumo de enerxía nos centros de datos está concentrado, xeralmente configurado con redundancia 2N. A enorme capacidade de consumo de enerxía significa que os proxectos de centros de datos ao nivel de parque suelen configurar subestacións de 110 kV específicas para o usuario.
No entanto, a construción de subestacións de 110 kV tamén ten moitos puntos dolorosos, que se reflejan específicamente nos seguintes aspectos: o ciclo de construción de subestacións de 110 kV tradicionais en China xeralmente leva entre 12-24 meses, implicando todo o ciclo de traballo desde a planificación, selección do emplazamento, levantamento, deseño, presentación do proxecto, adquisición de materiais, "as catro conexións e un nivelado" (acceso a auga, electricidade, camiños e telecomunicacións e nivelación do terreo), construción e instalación, axuste, restauración da xardinería e aceptación da produción. O longo ciclo de construción non pode coincidir coa demanda de entrega rápida de centros de datos; debido a razóns de cliente e rede, a industria de centros de datos en China está principalmente distribuída na rexión de Beijing-Tianjin-Hebei, o Delta do Xangai e a Gran Área da Baía de Guangdong-Hong Kong-Macao. A maioría destas rexións son ciudades relativamente desenvolvidas con recursos de terreo escasos, e os problemas de limitación de emplazamento adoitan aparecer durante a planificación do proxecto; as subestacións de centros de datos tamén teñen que adaptarse ás cambios flexibles de capacidade dos centros de datos.
Para os puntos dolorosos na construción de subestacións de centros de datos, as subestacións modulares prefabricadas son unha dirección de solución importante. Basándose no concepto de deseño modular, as subestacións prefabricadas teñen vantaxes de flexibilidade e fiabilidade en comparación coas subestacións tradicionais na aplicación. Todos os sistemas na cabina prefabricada son producidos, instalados, cableados, depurados e pre-montados na fábrica. Despois de completar, poden ser montados directamente no local, logrando alta eficiencia, reduciendo a dificultade de construción e tendo un alto grao de integración. Son adecuadas para diferentes escenarios de construción de subestacións e mostran ventaxes evidentes.
Este artigo toma o proxecto de construción de subestacións de 110 kV do Centro de Datos No.1 como exemplo, e fai unha introdución detallada aos escenarios de aplicación, deseño de disposición de proceso e deseño de proceso de cabina prefabricada das subestacións en centros de datos.
1. Visión xeral do proxecto
O proxecto do Centro de Datos No.1 está situado na cidade de Suzhou, provincia de Jiangsu. Este proxecto é unha renovación dun antigo edificio industrial. Hai xa 4 edificios industriais no parque, nomeadamente os edificios A, B, C e D. O principal contido de construción desta vez é realizar a renovación integral do parque sen cambiar as condicións existentes de planificación de edificios e construír un parque de centros de datos confiable.
Este parque segue o estándar de centro de datos de clase A no GB 50174 - 2017 Código de Diseño para Centros de Datos e planea construír un centro de datos ao nivel de parque que pode albergar máis de 100.000 servidores de alto rendemento. O parque necesita construír unha subestación de 110 kV para satisfacer as necesidades de suministro eléctrico do parque. A subestación introduce 2 suministros eléctricos utilitarios de 110 kV completamente independentes, cada un con unha capacidade de 80.000 kVA, formando un sistema de suministro de enerxía 2N. En funcionamento normal, a taxa de carga de cada liña non supera o 50% da súa capacidade total, é dicir, 40.000 kVA. Cando falla un suministro eléctrico utilitario, o outro pode sostener todas as cargas do centro de datos.
Dado que este proxecto é unha renovación de edificio industrial, a maior parte do espazo terreo do proxecto xa está ocupado polos edificios A, B, C e D completados, con restriccións físicas de espazo relativamente grandes. Os principais espazos exteriores dispoñibles son o espazo aberto ao lado esquerdo do edificio B e o espazo aberto entre o edificio B e o edificio D. Para o esquema de subestación de 110 kV tradicional, cando se instalen 2 transformadores principais con una capacidade de 80.000 kVA, requirese un emplazamento rectangular con unha lonxitude de aproximadamente 70 m e un ancho de 40 m. A distancia clara do emplazamento ao lado esquerdo do edificio B é de 30 m, e a distancia clara do emplazamento entre o edificio B e o edificio C é de 50 m. Considerando a distancia de prevención de incendios entre a subestación e os edificios e os requisitos do anel de combate contra incendios do parque, é difícil que ambos os emplazamentos cumpran cos requisitos de espazo de construción de subestacións tradicionais.
O cliente do proxecto do Centro de Datos No.1 é unha empresa de Internet. Como proxecto de centro de datos tipo base para este cliente, este parque apoiará un gran número de negocios en liña do cliente e unha gran cantidade de transmisión, operación, almacenamento e procesamiento de datos detrás dos negocios. O cliente ten altos requisitos de fiabilidade para este centro de datos e está apertado no tempo de entrega.
En termos de tempo de entrega, debido ao rápido desenvolvemento dos datos de negocio do cliente, o cliente ten unha demanda moi urgente para o centro de datos, e todo o parque de centros de datos debe entregarse dentro de 6 meses. En termos de fiabilidade, o cliente requiere que os dous suministros eléctricos de 110 kV, que son de apoio mutuo, sexan completamente independentes desde a liña de entrada ata a liña de saída, e as rutas estean máis de 10 m separadas. O equipamento principal como GIS, transformadores e armarios de conmutación de 10 kV están distribuídos en diferentes espazos físicos para evitar que un único accidente afecte a ambos os suministros eléctricos e, polo tanto, afecte a todos os negocios do centro de datos completo.
Dado que o proxecto de subestación de 110 kV do Centro de Datos No.1 ten restriccións de espazo, un calendario apertado e altos requisitos de personalización, a forma de subestación tradicional é difícil de cumprir cos requisitos do proxecto. Despois de negociar e discutir coa compañía local de rede eléctrica, confirmouse que este proxecto adoptaría a forma de subestación modular prefabricada de 110 kV.
2. Deseño de disposición de proceso
2.1 Espazo físico
O proxecto de subestación de 110 kV do Centro de Datos No.1 ten un total de 2 liñas de entrada, e os suministros eléctricos proceden dos suministros eléctricos utilitarios das subestacións de 220 kV A e B respectivamente. As liñas de entrada dos dous suministros eléctricos utilitarios A e B entran no parque desde o sur a través de soterramento. Considerando a dirección das rutas de liñas externas de suministro eléctrico utilitario e a situación actual de edificios no parque, a subestación de 110 kV está situada no rincón suroeste do parque. O diagrama esquemático do plano da ubicación da subestación de 110 kV amósase na Figura 1.
A subestación prefabricada ten 82 m de lonxitude, 17 m de ancho e unha superficie total de 1.400 m². Para unha subestación tradicional nas mesmas condicións, estes tres parámetros son 70 m, 40 m e 2.800 m² respectivamente. En comparación coa subestación tradicional, a superficie está salvagardada en máis do 50%, e a disposición da subestación pode determinarse segundo as condicións no local, sendo relativamente flexible.
Figura 1 Diagrama esquemático do plano de ubicación da subestación de 110 kV
2.2 Disposición de proceso
A figura 2 amosa o diagrama de disposición de proceso da subestación de 110 kV. O interior da subestación consta de dúas cabinas prefabricadas de GIS (interruptor metálico aislado a gas SF6), unha cabina prefabricada de equipamento principal e dous transformadores de 110 kV ao aire libre. A disposición está organizada en patrón linear.
2.3 Ruteo de enerxía
A subestación deste proxecto é basicamente perfectamente simétrica. Como se pode ver na figura 2, tomando o muro cortafuegos no medio das dúas cabinas prefabricadas de equipamento principal como límite, á esquerda e dereita están respectivamente as cabinas prefabricadas de GIS, as cabinas prefabricadas de equipamento principal, os transformadores de 110 kV e as cabinas prefabricadas de capacitores para as liñas de suministro A e B, e o equipamento de as liñas A e B son completamente independentes.
A subestación completa está equipada con un muro de cercado independente e funciona de forma independente do parque de centros de datos. Está establecida unha entrada independente fóra do parque no lado sur. Só o persoal profesional pode entrar na subestación de 110 kV, e o resto do persoal non ten permiso de acceso, o que pode asegurar a fiabilidade da operación da subestación.
A cabina de GIS é unha cabina prefabricada de unha sola capa. No interior, está principalmente equipada con interruptores combinados eléctricos de 110 kV con corrente nominal de 2.000 A. Para cada parte do deseño, o hexafluoruro de azoto (SF6) é un importante medio de extinción de arco e pode aplicarse en GIS. Estructuralmente, o GIS está dividido principalmente en varias partes, incluíndo transformadores de tensión, pararrayos, interruptores e tubos, etc. Estas partes deben conectarse correctamente, e a fiabilidade de cada compoñente debe asegurarse para lograr efectivamente a función global [8].
O transformador principal usa principalmente un transformador trifásico de dobre bobinado auto-refrixerado, adoptando o método de aterramento YN, con un nivel de tensión de [10,5 ± (2×2,5%/0,4)] kV, e o modelo específico é SZ11 - 80000/110.
A cabina de equipamento principal ten unha estrutura de dúas capas. A primeira capa consiste en dúas cabinas de armarios de saída de 10 kV completamente independentes, separadas por un muro cortafuegos, e equipadas respectivamente con armarios de conmutación de 10 kV e transformadores de servicio de estación correspondientes ás liñas de suministro A e B. Os armarios de conmutación de 10 kV usan armarios metálicos equipados con interruptores de vacío. Para os armarios de alimentación, condensadores e transformadores de servicio de estación, a corrente nominal e a corrente de interrupción son 1,25 kA e 25 kA respectivamente; para as liñas de entrada, son 3,15 kA e 31,5 kA respectivamente. A capacidade do transformador de servicio de estación está seleccionada como 100 kVA, usando un transformador seco do tipo SC11, con unha tensión de [110 ± (8×1,25%/10,5)] kV, un grupo de conexión Dyn11, unha tensión de impedancia Uk = 4%, un recinto protexido IP40 e unha clasificación de eficiencia energética de 2. Para mellorar a fiabilidade do sistema, cada liña de entrada de 110 kV corresponde a dúas seccións de barras de 10 kV, o que pode reducir o alcance dun accidente en caso de fallo.
A segunda capa debe estar equipada con un transformador de aterramento, unha cabina prefabricada de condensadores, etc. Un banco de condensadores está configurado na cabina prefabricada, coa protección de diferencial de presión establecida, e é necesario lograr unha capacidade de 6.000 kVA. Ademais das partes mencionadas anteriormente, neste deseño se selecciona un reactor de núcleo de ferro, con unha taxa de reactancia do 12%. Un dispositivo completo de resistencia de aterramento pequena, con unha resistencia de aterramento de 10 Ω e unha capacidade de 400 kVA. A segunda capa tamén ten unha sala secundaria. A sala secundaria está dividida especificamente en varias partes, incluíndo videovixilancia, armarios de medidor de kilovatios, recolexión de enerxía eléctrica, rexistro de fallos, medida e control público, comunicación de telecontrol, protección relé, monitorización por ordenador, sistemas de control auxiliar inteligente, sistemas de sincronización de tempo, etc.
2.3 Ruteo de enerxía
En termos de ruteo de enerxía, as liñas de entrada de suministro eléctrico utilitario de 110 kV das liñas A e B entran ambos polo lado curto de 17 m de ancho á dereita. As dúas liñas entran en paralelo, con un espazo superior a 10 m, e son introducidas respectivamente nas cabinas prefabricadas de GIS correspondentes ás liñas A e B. As liñas de GIS a transformadores para as liñas A e B, as barras de transformadores a armarios de conmutación de 10 kV, e as liñas de saída de armarios de conmutación de 10 kV son todas independentes, e o espazo é superior a 10 m.
2.4 Ventaxes do deseño de disposición de proceso
O equipamento principal do proxecto, incluíndo cabinas prefabricadas de GIS, transformadores de 110 kV, cabinas prefabricadas de equipamento principal, etc., están completamente aislados entre as liñas A e B. O ruteo de enerxía das liñas A e B está completamente aislado. En comparación coas subestacións tradicionais, ocupa menos espazo, ten un alto grao de personalización, é flexible e eficaz, e pode satisfacer os requisitos de fiabilidade dos centros de datos.
3. Tecnoloxía de cabina prefabricada
Este proxecto adopta un método de prefabricación modular de toda a estación. No local, só se requiren construír instalacións auxiliares como fundamentos de cinta e muros cortafuegos. A produción e procesamento de cabinas prefabricadas modulares pode realizarse simultaneamente coa obra civil, reducindo en gran medida a cantidade de obra civil. Soluciona os problemas de grande cantidade de obra civil e ciclos de construción longos no modo de construción de subestacións tradicionais, e evita a situación de que o tempo de construción da subestación estea restrinxido por obras civís.
3.1 Tecnoloxía de cabina
As cabinas prefabricadas son producidas e depuradas na fábrica, garantindo unha calidade exquisita do produto e un nivel de implementación de deseño de alto estándar, e evitando o impacto da calidade da construción no local no equipamento. Estructuralmente, os componentes de marco inferior do corpo de caixa están conectados por canal de acero, e as portas e cubrimentos superiores están soldados con placas de acero laminado a frio de alta calidade de 2 mm de espesor. Ten unha estrutura integral e unha forza de impacto forte.
As características do cuerpo de caixa maniféstanse principalmente en tres aspectos: anticorrosión, estructura de tres capas e hermeticidade, que poden satisfacer os requisitos básicos de operación e garantir que cada compoñente mantenga un estado de funcionamento estable. O recubrimiento exterior debe alcanzar un nivel de protección de IP54 ou superior. As cabinas prefabricadas adoptan un deseño de todas as condicións de traballo e tamén teñen unha boa resistencia ao vento, aos terremotos e á carga de neve para garantizar a operación segura do equipamento.
O equipamento no interior da cabina está altamente integrado. Através do deseño da estrutura da cabina e a coordinación de varios sistemas internos, a cabina prefabricada satisfai as necesidades de operación do equipamento. A cabina non só ten en conta o equipamento primario, secundario e de comunicación da subestación de 110 kV, senón que tamén considera sistemas auxiliares como o control ambiental, iluminación, iluminación de emergencia, protección contra incendios e aterramento.
3.2 Transporte de cabina
A cabina debe cumprir con altos requisitos, principalmente implicando propiedades de resistencia á humidade e hermeticidade, de lo contrario, non se pode garantir a calidade de operación. Considerando as restriccións de lonxitude e anchura para o transporte por carretera neste proxecto, a lonxitude de cada unidade de transporte está limitada a menos de 14 m, o ancho a menos de 3,4 m, e a altura a menos de 4,5 m. As cabinas prefabricadas de maiores dimensións son transportadas en seccións, e outras cabinas prefabricadas de dimensións relativamente menores son transportadas de forma integral, satisfaciendo os requisitos de transporte por carretera. Se o local xa atingiu os requisitos de montaxe, pode ser transportado ao local para o seguinte paso de montaxe.
3.3 Instalación no local
Este proxecto adopta un método de prefabricación modular, con menos obra civil. Os principais contidos de obra civil inclúen dous grupos de fundamentos de transformador principal novos, catro muros cortafuegos de 10 m de lonxitude e 6,5 m de altura, dous grupos de fundamentos de cabina de GIS, un grupo de fundamentos de cabina de equipamento principal, un pozo de aceite de accidente de 20 m³, un muro de cerca oca de 198 m de lonxitude e 2,3 m de altura, 14 soportes de transformador principal e unha zanja de cable de hormigón armado de 80 m de lonxitude.
As cabinas prefabricadas adoptan un modo de "debe realizarse un ensamblaxe de proba na fábrica para simular a situación real de operación + transporte dividido ao local e despois empalmar e instalar" no local. Todos os módulos xa foron ensamblados de proba na fábrica, e os problemas foron descubertos a tempo sen deixar problemas no local, garantindo o período de construción no local e a calidade da construción. O izado e ensamblaxe no local teñen un ciclo curto, e case non hai acumulación de materias primas.
Para a operación de empalme de pezas de cabina de gran tamaño, adoptase o proceso de empalme no local de "usar un guindaste para posicionar inicialmente o equipamento + empurrar gradualmente con unha cadea de tracción + posicionar con precisión con un pino de posicionamento". Para garantizar que o empalme da cabina sexa "justo", amóusase a foto do izado no local na Figura 3.
Para cumprir coas exigencias de hermeticidade, os xuntes de empalme están deseñados de xeito razonable, utilizando principalmente os métodos de deseño de materiais de hermeticidade e estruturas mecánicas. No empalme do corpo de caixa, úsanse enganches impermeables e flanges impermeables. Despois de completar o empalme, é necesario engadir cola impermeable forte nas posicións de xunte, e despois tratarse con unha tira de hermeticidade. Finalmente, instálanse en secuencia enganches impermeables e materiais de expansión. Cando todos os procesos están completados e cumpren coas altas exigencias de calidade, pódese lograr a hermeticidade e a impermeabilización.
Despois de colocar cada módulo, realiza-se a construción de conexións primarias e secundarias. Os cables dentro dos módulos e os cables de conexión entre eles xa foron completamente producidos e instalados na fábrica. Só se necesitan instalar os cables de conexión e as barras de distribución entre cada módulo. Cando cada módulo foi ensamblado na fábrica, realizáronse preliminarmente a depuración e a proba de xunto, o que tamén pode acortar o tempo de depuración e aceptación no local.
O proxecto de construción da subestación de 110 kV do Centro de Datos No.1 comezou a comunicar o plan coa rede eléctrica de Suzhou e promover os trámites preliminares a principios de decembro. Despois de pasar polo licitación do proxecto, aquisición de equipos, produción na fábrica, construción de fundamentos de equipos no local, montaxe no local, depuración de equipos e aceptación de puesta en marcha, foi oficialmente posto en servizo a principios de xuño. Todo o proceso levou menos de 6 meses, dos cales o tempo desde a determinación da licitación do proxecto ata a finalización do proxecto e a aceptación de puesta en marcha foi de aproximadamente 100 días, sendo o proxecto co ciclo de construción de subestación máis curto no campo de centros de datos. Polo tanto, en comparación coas subestacións tradicionais, o tempo de construción está enormemente reducido.
Ademais destas ventaxes, debido á adopción do concepto de deseño modular, pode ser eficientemente actualizado cando sexa necesario no futuro, o que axuda a reducir os custos de manutención e ampliación, polo que tamén mostra amplias perspectivas de desenvolvemento.
4. Conclusión
As subestacións prefabricadas han solucionado os puntos dolorosos das subestacións tradicionais no campo dos centros de datos.
