Projeto de Subestação Pré-fabricada de 110 kV para Data Center
Introdução
Com o rápido desenvolvimento de tecnologias como computação em nuvem e big data, e a aceleração da penetração do "Internet +" em várias indústrias, a indústria da economia digital está prosperando em principais países e regiões ao redor do mundo. Ela ocupa uma posição cada vez mais importante na vida cotidiana e na economia nacional. Especialmente sob o impacto atual da pandemia de COVID-19 globalmente, a tendência de queda da economia mundial está se intensificando. Apenas a economia digital foi contrária à tendência e manteve um forte impulso de desenvolvimento.
GB 50174 - 2017 Código de Design para Centros de Dados dá uma definição específica de centros de dados. Um centro de dados, como uma infraestrutura básica relacionada à gestão e armazenamento de dados, pode armazenar vários tipos de informações de dados. Além disso, também suporta funções básicas como cálculo e transmissão de dados para atender às necessidades de gestão de grandes volumes de dados. A construção de centros de dados tornou-se uma tendência inevitável.
Na indústria de centros de dados, é conhecida como imóveis digitais, que é bastante diferente de projetos de infraestrutura tradicionais. Aqui estão algumas características proeminentes dos centros de dados: alto consumo de energia, alta exigência de confiabilidade e demanda por velocidade de construção rápida. O consumo de energia dos centros de dados é concentrado, geralmente configurado com redundância 2N. A enorme capacidade de consumo de energia significa que os projetos de centros de dados de nível de parque normalmente configuram subestações específicas de 110 kV para usuários.
No entanto, a construção de subestações de 110 kV também tem muitos pontos problemáticos, especificamente refletidos nos seguintes aspectos: o ciclo de construção de subestações de 110 kV tradicionais na China geralmente leva de 12 a 24 meses, envolvendo todo o conteúdo de trabalho em ciclo, como planejamento, seleção de local, levantamento, design, arquivamento de projeto, aquisição de materiais, "quatro conexões e um nivelamento" (acesso a água, eletricidade, estradas, telecomunicações e nivelamento de terras), construção e instalação, comissionamento, restauração de paisagismo e aceitação de produção. O longo ciclo de construção não consegue corresponder à demanda de entrega rápida de centros de dados; Devido a razões de clientes e rede, a indústria de centros de dados na China está principalmente distribuída na região de Pequim-Tianjin-Hebei, no Delta do Rio Yangtze e na Grande Área da Baía de Guangdong-Hong Kong-Macau. A maioria dessas regiões são cidades relativamente desenvolvidas com recursos de terras escassos, e problemas de limitação de localização são frequentemente encontrados durante o planejamento de projetos; As subestações de centros de dados também precisam se adaptar às mudanças flexíveis de capacidade dos centros de dados.
Para os pontos problemáticos na construção de subestações de centros de dados, as subestações modulares pré-fabricadas são uma direção de solução importante. Com base no conceito de design modular, as subestações pré-fabricadas têm as vantagens de flexibilidade e confiabilidade em comparação com as subestações tradicionais na aplicação. Todos os sistemas na cabine pré-fabricada são produzidos, instalados, conectados, depurados e pré-montados na fábrica. Após a conclusão, eles podem ser montados diretamente no local, alcançando alta eficiência, reduzindo a dificuldade de construção e tendo um alto grau de integração. São adequados para diferentes cenários de construção de subestações e mostram vantagens óbvias.
Este artigo toma o projeto de construção da subestação de 110 kV do Centro de Dados No.1 como exemplo e faz uma introdução detalhada aos cenários de aplicação, ao design de layout de processo e ao design de processo de cabine pré-fabricada de subestações em centros de dados.
1. Visão Geral do Projeto
O projeto do Centro de Dados No.1 está localizado na cidade de Suzhou, província de Jiangsu. Este projeto é uma renovação de um prédio industrial antigo. Há quatro prédios industriais no parque, nomeadamente os prédios A, B, C e D. O principal conteúdo de construção desta vez é realizar a renovação geral do parque sem alterar as condições de planejamento de edifícios existentes e construir um parque de centros de dados confiável.
Este parque refere-se ao padrão de centro de dados Classe A no GB 50174 - 2017 Código de Design para Centros de Dados e planeja construir um centro de dados de nível de parque que pode suportar mais de 100.000 servidores de alto desempenho. O parque precisa construir uma subestação de 110 kV para atender às necessidades de fornecimento de energia do parque. A subestação introduz 2 fontes de energia pública de 110 kV completamente independentes, cada uma com capacidade de 80.000 kVA, formando um sistema de fornecimento de energia 2N. Em operação normal, a taxa de carga de cada linha não excede 50% de sua capacidade total, ou seja, 40.000 kVA. Quando uma fonte de energia pública falha, a outra pode suportar todas as cargas do centro de dados.
Como este projeto é uma renovação de prédio industrial, a maior parte do espaço terrestre do projeto já foi ocupada pelos prédios A, B, C e D concluídos, com restrições espaciais físicas relativamente grandes. Os principais espaços externos disponíveis são o espaço aberto à esquerda do Prédio B e o espaço aberto entre o Prédio B e o Prédio D. Para o esquema de subestação de 110 kV tradicional, quando se instalam 2 transformadores principais com capacidade de 80.000 kVA, é necessário um local retangular com comprimento de aproximadamente 70 m e largura de 40 m. A distância clara do local à esquerda do Prédio B é de 30 m, e a distância clara do local entre o Prédio B e o Prédio C é de 50 m. Considerando a distância de prevenção contra incêndios entre a subestação e os edifícios e os requisitos da via de combate a incêndios do parque, ambos os locais têm dificuldade em atender aos requisitos de espaço de construção de subestações tradicionais.
O cliente do projeto do Centro de Dados No.1 é uma empresa de internet. Como um projeto de centro de dados de tipo base para este cliente, este parque suportará um grande número de negócios online do cliente e uma grande quantidade de transmissão, operação, armazenamento e processamento de dados por trás dos negócios. O cliente tem altas exigências de confiabilidade deste centro de dados e está apertado no prazo de entrega.
Em termos de prazo de entrega, devido ao rápido desenvolvimento dos negócios de dados do cliente, o cliente tem uma demanda muito urgente pelo centro de dados, e todo o parque de centros de dados precisa ser entregue em 6 meses. Em termos de confiabilidade, o cliente exige que as duas fontes de energia de 110 kV da subestação, que são de backup uma para a outra, sejam completamente independentes, desde a linha de entrada até a linha de saída, e as rotas estejam a mais de 10 m de distância. Equipamentos principais como GIS, transformadores e painéis de comutação de 10 kV são distribuídos em diferentes espaços físicos para evitar que um único acidente afete ambas as fontes de energia e, assim, afete todos os negócios do centro de dados inteiro.
Como o projeto de subestação de 110 kV do Centro de Dados No.1 tem restrições de espaço, prazos apertados e altos requisitos de personalização, a forma de subestação tradicional é difícil de atender aos requisitos do projeto. Após negociação e discussão com a empresa de rede elétrica local, confirmou-se que este projeto adotaria a forma de subestação modular pré-fabricada de 110 kV.
2. Design de Layout de Processo
2.1 Espaço Físico
O projeto de subestação de 110 kV do Centro de Dados No.1 tem um total de 2 linhas de alimentação, e as fontes de energia vêm das fontes de energia pública das subestações de 220 kV A e B, respectivamente. As linhas de alimentação das duas fontes de energia A e B entram no parque do sul através de enterro subterrâneo. Considerando a direção das rotas de linhas de energia externas e a situação atual de edifícios no parque, a subestação de 110 kV é colocada no canto sudoeste do parque. O diagrama esquemático do plano de localização da subestação de 110 kV é mostrado na Figura 1.
A subestação pré-fabricada tem 82 m de comprimento, 17 m de largura e uma área total de 1.400 m². Para uma subestação tradicional nas mesmas condições, esses três parâmetros são 70 m, 40 m e 2.800 m², respectivamente. Comparado com a subestação tradicional, a área é economizada em mais de 50%, e o layout da subestação pode ser determinado de acordo com as condições no local, o que é relativamente flexível.
Figura 1 Diagrama esquemático do plano de localização da subestação de 110 kV
2.2 Layout de Processo
A Figura 2 mostra o diagrama de layout de processo da subestação de 110 kV. O interior da subestação consiste em duas cabines pré-fabricadas de GIS (Dispositivo de Comutação Metálico Isolado a Gás SF6), uma cabine pré-fabricada de equipamento principal e dois transformadores de 110 kV ao ar livre. O layout é arranjado em um padrão linear.
2.3 Rotas de Energia
A subestação deste projeto é basicamente simétrica. Como pode ser visto na Figura 2, tomando o muro corta-fogo no meio das duas cabines pré-fabricadas de equipamento principal como limite, à esquerda e à direita estão, respectivamente, as cabines pré-fabricadas de GIS, cabines pré-fabricadas de equipamento principal, transformadores de 110 kV e cabines pré-fabricadas de capacitores para as rotas de energia A e B, e os equipamentos das rotas A e B são completamente independentes.
A subestação inteira está equipada com um muro de cercamento independente e opera de forma independente do parque de centros de dados. Uma entrada independente fora do parque é definida no lado sul. Apenas pessoal profissional tem permissão para entrar na subestação de 110 kV, e outras pessoas não têm acesso, o que pode garantir a confiabilidade da operação da subestação.
A cabine GIS é uma cabine pré-fabricada de camada única. Internamente, está equipada principalmente com dispositivos combinados elétricos de GIS de 110 kV com corrente nominal de 2.000 A. Para cada parte do design, o hexafluoreto de enxofre (SF6) é um importante meio extintor de arco e pode ser aplicado em GIS. Estruturalmente, o GIS é dividido principalmente em várias partes, incluindo transformadores de tensão, pára-raios, disjuntores e terminais, etc. Essas partes precisam ser conectadas corretamente, e a confiabilidade de cada componente precisa ser garantida para efetivamente alcançar a função geral [8].
O transformador principal usa principalmente um transformador trifásico duplo enrolamento a óleo auto-resfriado, adotando o método de aterramento YN, com nível de tensão de [10,5 ± (2×2,5%/0,4)] kV, e o modelo específico é SZ11-80000/110.
A cabine de equipamento principal tem uma estrutura de duas camadas. A primeira camada consiste em duas cabines de armários de saída de 10 kV completamente independentes, separadas por um muro corta-fogo, e equipadas, respectivamente, com painéis de comutação de 10 kV e transformadores de estação correspondentes às rotas de energia A e B. Os painéis de comutação de 10 kV usam painéis metálicos revestidos equipados com disjuntores a vácuo. Para armários de alimentação, capacitores e transformadores de estação, suas correntes nominais e de interrupção são 1,25 kA e 25 kA, respectivamente; para linhas de entrada, são 3,15 kA e 31,5 kA, respectivamente. A capacidade do transformador de estação é selecionada como 100 kVA, usando um transformador seco do tipo SC11, com tensão de [110 ± (8×1,25%/10,5)] kV, grupo de ligação Dyn11, tensão de impedância Uk = 4%, invólucro protetor IP40 e classe de eficiência energética 2. Para melhorar a confiabilidade do sistema, cada linha de entrada de 110 kV corresponde a duas seções de barras de 10 kV, o que pode reduzir o escopo de um acidente em caso de falha.
A segunda camada precisa ser equipada com um transformador de aterramento, uma cabine pré-fabricada de capacitores, etc. Um banco de capacitores é configurado na cabine pré-fabricada, com proteção diferencial definida, e é necessário alcançar uma capacidade de 6.000 kVA. Além das partes mencionadas acima, neste design, um reator de núcleo de ferro é selecionado, com taxa de reatância de 12%. Um conjunto completo de dispositivo de resistência pequena de aterramento, com resistência de aterramento de 10 Ω e capacidade de 400 kVA. A segunda camada também possui uma sala secundária. A sala secundária é especificamente dividida em várias partes, incluindo vigilância por vídeo, armários de medidores de quilowatt-hora, coleta de energia elétrica, gravação de falhas, medição e controle públicos, comunicação remota, proteção relé, monitoramento por computador, sistemas de controle auxiliar inteligente, sistemas de sincronização de tempo, etc.
2.3 Rotas de Energia
Em termos de rotas de energia, as linhas de entrada de energia pública de 110 kV das rotas A e B entram pela lateral curta de 17 m de largura à direita. As duas rotas entram em paralelo, com um espaçamento superior a 10 m, e são introduzidas, respectivamente, nas cabines pré-fabricadas de GIS correspondentes às rotas A e B. As linhas de GIS para transformadores das rotas A e B, as barras de transformadores para painéis de comutação de 10 kV e as linhas de saída de painéis de comutação de 10 kV são todas independentes, e o espaçamento é superior a 10 m.
2.4 Vantagens do Design de Layout de Processo
Os equipamentos principais do projeto, incluindo cabines pré-fabricadas de GIS, transformadores de 110 kV, cabines pré-fabricadas de equipamento principal, etc., estão completamente isolados entre as rotas A e B. As rotas de energia das rotas A e B estão completamente isoladas. Comparado com as subestações tradicionais, ocupa menos espaço, tem um alto grau de personalização, é flexível e eficaz, e pode atender aos requisitos de confiabilidade dos centros de dados.
3. Tecnologia de Cabine Pré-Fabricada
Este projeto adota um método de pré-fabricação modular de toda a estação. No local, apenas são necessárias a construção de instalações auxiliares, como fundações em tiras e muros corta-fogo. A produção e processamento de cabines pré-fabricadas modulares podem ser realizadas simultaneamente com o trabalho civil, reduzindo significativamente a quantidade de trabalho civil. Resolve os problemas de grandes quantidades de trabalho civil e longos ciclos de construção no modo de construção de subestações tradicionais, e evita a situação em que o tempo de construção da subestação é restrito por projetos civis.
3.1 Tecnologia de Cabine
As cabines pré-fabricadas são produzidas e depuradas na fábrica, garantindo excelente qualidade do produto e um alto nível de implementação de design, evitando o impacto da qualidade da construção no local no equipamento. Estruturalmente, os componentes da base do corpo da caixa são conectados por canais de aço, e as portas e coberturas superiores são soldadas com chapas de aço laminado a frio de 2 mm de espessura. Possui uma estrutura integral e alta resistência a impactos.
As características do corpo da caixa são principalmente refletidas em três aspectos: anticorrosão, estrutura de três camadas e vedação, que podem atender aos requisitos básicos de operação e garantir que cada componente mantenha um estado de funcionamento estável. A carcaça exterior precisa atingir um nível de proteção IP54 ou superior. As cabines pré-fabricadas adotam um design de todas as condições de trabalho e também possuem boa resistência ao vento, sismos e neve para garantir a operação segura do equipamento.
O equipamento dentro da cabine é altamente integrado. Através do design da estrutura da cabine e a coordenação de vários sistemas internos, a cabine pré-fabricada atende às necessidades de operação do equipamento. A cabine não só considera o equipamento primário, secundário e de comunicação da subestação de 110 kV, mas também considera sistemas auxiliares como controle ambiental, iluminação, iluminação de emergência, proteção contra incêndio e aterramento.
3.2 Transporte de Cabine
A cabine precisa atender a altos requisitos, principalmente envolvendo propriedades impermeáveis e vedação, caso contrário, a qualidade de operação não pode ser garantida. Considerando as restrições de comprimento e largura para o transporte rodoviário neste projeto, o comprimento de cada unidade de transporte é limitado a 14 m, a largura a 3,4 m e a altura a 4,5 m. Cabines pré-fabricadas com dimensões maiores são transportadas em seções, e outras cabines pré-fabricadas com dimensões relativamente menores são transportadas como um todo, atendendo aos requisitos de transporte rodoviário. Se o local tiver atingido os requisitos de montagem, pode ser transportado para o local para a montagem subsequente.
3.3 Instalação no Local
Este projeto adota um método modular pré-fabricado, com menos trabalho civil. Os principais conteúdos de trabalho civil incluem duas grupos de fundações de transformadores principais recém-construídas, quatro muros corta-fogo com 10 m de comprimento e 6,5 m de altura, dois grupos de fundações de cabines de GIS, um grupo de fundações de cabine de equipamento principal, uma piscina de óleo de acidente de 20 m³, uma cerca vazada de 198 m de comprimento e 2,3 m de altura, 14 suportes de transformadores principais e uma vala de cabo de concreto armado de 80 m de comprimento.
As cabines pré-fabricadas adotam um modo de "montagem experimental na fábrica deve ser realizada para simular a situação real de operação + transporte dividido para o local e, em seguida, colagem e instalação" no local. Todos os módulos foram montados experimentalmente na fábrica, e os problemas são descobertos oportunamente, sem deixar problemas no local, garantindo o prazo e a qualidade da construção no local. O içamento e a montagem no local têm um ciclo curto, e praticamente não há acumulação de matérias-primas.
Para a operação de colagem de peças de cabine de grande porte, o processo de colagem no local de "usar uma guindaste para posicionar inicialmente o equipamento + empurrar gradualmente com um bloco de corrente + posicionar com precisão com um pino de posicionamento" é adotado. Para garantir que a colagem da cabine seja "justa", a foto de içamento no local é mostrada na Figura 3.
Para atender aos requisitos de vedação, as juntas de colagem são projetadas de maneira razoável, principalmente usando os métodos de design de materiais de vedação e estruturas mecânicas. Na colagem do corpo da caixa, são usados fechos à prova d'água e flanges à prova d'água. Após a colagem ser concluída, é necessário adicionar cola à prova d'água forte nas posições das juntas, e então tratá-las com uma faixa de vedação. Finalmente, fechos à prova d'água e materiais expansivos são instalados em sequência. Quando todos os processos são concluídos e atendem a altos requisitos de qualidade, a vedação e a impermeabilização podem ser alcançadas.
Depois que cada módulo está no lugar, a construção de conexões primárias e secundárias é realizada. Os cabos dentro dos módulos e os cabos de conexão entre eles já foram totalmente produzidos e instalados na fábrica. Apenas os cabos de conexão e barras de distribuição entre cada módulo precisam ser instalados. Quando cada módulo é montado na fábrica, a depuração e teste conjuntos preliminares já foram realizados, o que também pode encurtar o tempo de depuração e aceitação no local.
O projeto de construção da subestação de 110 kV do Centro de Dados No.1 começou a comunicar o plano com a rede elétrica de Suzhou e a promover os procedimentos iniciais no início de dezembro. Depois de passar por licitação de projeto, aquisição de equipamentos, produção na fábrica, construção de fundações de equipamentos no local, montagem no local, depuração de equipamentos e aceitação de energização, foi oficialmente posto em operação no início de junho. Todo o processo levou menos de 6 meses, sendo que o tempo de determinação da licitação do projeto até a conclusão do projeto e aceitação de energização foi de aproximadamente 100 dias, o que é o projeto com o menor ciclo de construção de subestação no campo de centros de dados. Portanto, comparado com as subestações tradicionais, o tempo de construção é drasticamente reduzido.
Além dessas vantagens, devido à adoção do conceito de design modular, pode ser atualizado de forma eficiente quando necessário no futuro, o que ajuda a reduzir os custos de manutenção e expansão, portanto, também apresenta amplas perspectivas de desenvolvimento.
4. Conclusão
As subestações pré-fabricadas resolveram os pontos problemáticos das subestações tradicionais no campo de centros de dados.
As subestações modulares pré-fabricadas representam uma tecnologia em constante evolução. Sua construção visa melhor atender à rede elétrica e aos usuários. Ao garantir a segurança, confiabilidade e eficiência econômica, atendem às necessidades de construção rápida, economia de espaço e redução de investimentos. Acredita-se que, com a forte promoção da construção de novas infraestruturas, como centros de dados, pelo país e a contínua maturação da tecnologia de subestações modulares pré-fabricadas, mais e mais subestações modulares pré-fabricadas serão concluídas e entregues em centros de dados no futuro.
