引言

海上風(fēng)電場(chǎng)升壓站用于對(duì)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的電能進(jìn)行匯集和傳送,隨著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,海上升壓站建設(shè)更加廣泛。海上升壓站建設(shè)具有一定的特殊性,由于其需要在惡劣的海洋環(huán)境中工作運(yùn)行,因此,需要加強(qiáng)對(duì)海上升壓站的電氣設(shè)計(jì)研究,以滿(mǎn)足海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)要求,重視電氣系統(tǒng)方案設(shè)計(jì),保證設(shè)備、設(shè)施能夠長(zhǎng)久穩(wěn)定運(yùn)行。

1海上升壓站特點(diǎn)

海上擁有豐富的風(fēng)能資源,風(fēng)能開(kāi)發(fā)對(duì)環(huán)境影響小,且能量密度高。作為大型海上風(fēng)電場(chǎng)的關(guān)鍵組成部分,海上升壓站可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電匯集和傳送,由于使用的電氣設(shè)備需要長(zhǎng)期在海上環(huán)境中工作,所以要滿(mǎn)足防鹽霧、防生物霉菌和防濕熱要求,還要應(yīng)對(duì)高紫外線輻射、臺(tái)風(fēng)、狂浪等問(wèn)題,需要對(duì)其實(shí)施嚴(yán)格防護(hù)。在復(fù)雜的海洋水文地質(zhì)條件下,升壓站建設(shè)施工需要解決設(shè)備運(yùn)輸、安裝問(wèn)題,通常采用專(zhuān)用的大型海上安裝運(yùn)輸船舶運(yùn)輸設(shè)備,還要掌握設(shè)備施工時(shí)機(jī)和方法。此外,由于海上升壓站距離大陸較遠(yuǎn),交通不便,無(wú)法隨時(shí)巡視或檢修,因此需要采取"無(wú)人值守"的方式進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程操控。

2海上升壓站電氣設(shè)計(jì)要求

2.1并網(wǎng)要求

在電氣設(shè)計(jì)方面,海上升壓站系統(tǒng)和設(shè)備配置首先要達(dá)到并網(wǎng)要求,按照國(guó)標(biāo)《風(fēng)電廠接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》(GB/T19963—2011）等規(guī)范要求接入電網(wǎng)。目前,海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)基本處于電網(wǎng)末端,想要保證風(fēng)電接入不會(huì)給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)影響,需要結(jié)合網(wǎng)點(diǎn)附近電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行升壓站的電氣設(shè)計(jì),確保風(fēng)電接入能夠滿(mǎn)足電力系統(tǒng)要求。在海上風(fēng)電項(xiàng)目較多的地區(qū),需要對(duì)裝機(jī)規(guī)模、風(fēng)機(jī)位置等因素進(jìn)行綜合考量,使電纜通道得到統(tǒng)一規(guī)劃,以免在接入陸上并網(wǎng)點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)資源競(jìng)爭(zhēng)或浪費(fèi)情況。

2.2配置要求

現(xiàn)階段海上風(fēng)電場(chǎng)海上升壓站的設(shè)計(jì)方案需參照國(guó)標(biāo)《海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T51308—2019）、《風(fēng)電場(chǎng)工程110～220kV海上升壓變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T31115—2017）等專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在電氣設(shè)備、設(shè)施配置方面,需要對(duì)海上電力工程施工、運(yùn)行維護(hù)等特點(diǎn)進(jìn)行綜合考慮,保證電氣平面布置合理,各功能區(qū)域采用合理的設(shè)備布置方式。選用的電氣設(shè)備應(yīng)當(dāng)便于安裝與維修,并具備集約化、無(wú)油化、自動(dòng)化、小型化等特征,能夠滿(mǎn)足設(shè)備布置緊湊和荷載均勻等要求,保證設(shè)備連接穩(wěn)固。按照功能和電壓等級(jí),可以完成各功能室模塊劃分,如變壓器模塊、輔助系統(tǒng)模塊等,可以先單獨(dú)試驗(yàn)和安裝,然后運(yùn)輸?shù)胶Ｉ线M(jìn)行就位和連接。而設(shè)備性能應(yīng)達(dá)到優(yōu)越水平,具有較高的可靠性,能夠滿(mǎn)足少維護(hù)或免維護(hù)要求。海上升壓站采用"無(wú)人值守"方式進(jìn)行設(shè)備配置,需要保證設(shè)備具備實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。在電纜敷設(shè)方面,應(yīng)盡量減少回路冗余,在保證接線可靠的同時(shí),降低施工成本。

2.3防腐要求

在海洋環(huán)境中,電氣設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足防腐要求,設(shè)備盡可能布置在微正壓、全密封結(jié)構(gòu)物中,配置海風(fēng)處理空調(diào)系統(tǒng)。針對(duì)發(fā)熱量大的設(shè)備,需要布置冷卻器進(jìn)行降溫,防止設(shè)備受到腐蝕。針對(duì)設(shè)備本身,需要達(dá)到ISo14922防腐標(biāo)準(zhǔn)中的C4或C5-M級(jí)。

3海上升壓站電氣設(shè)計(jì)方法

3.1項(xiàng)目概況

某海上風(fēng)電場(chǎng)總規(guī)劃容量為400Mw,實(shí)際裝機(jī)容量達(dá)406Mw。結(jié)合風(fēng)電機(jī)組布置情況,需要完成220kV升壓站設(shè)計(jì),海上升壓站主接線采用線路-變壓器組單元接線,35kV側(cè)實(shí)現(xiàn)4段母線接線,并利用母線實(shí)現(xiàn)不同主變聯(lián)絡(luò)。在與陸上開(kāi)關(guān)站連接時(shí),采用雙回220kV三芯3×500mm2xLPE絕緣海底電纜,陸上配置220kV高壓配電裝置,采用3進(jìn)1出單母線接線。

3.2設(shè)計(jì)方案

在電氣一次設(shè)計(jì)方面,升壓站電氣主接線方案將影響風(fēng)電場(chǎng)的安全可靠運(yùn)行,對(duì)設(shè)備選擇及布置起著決定性作用,應(yīng)滿(mǎn)足可靠性、靈活性、經(jīng)濟(jì)性3項(xiàng)基本要求。220kV配電裝置與陸上集控中心的連接方案擬采用雙回3×500mm2海纜,海上升壓站220kV側(cè)共2回主變進(jìn)線、2回出線。綜合技術(shù)及經(jīng)濟(jì)比較,考慮到線路變壓器組接線形式較簡(jiǎn)單、靈活,操作方便,且繼電保護(hù)配置清晰,同時(shí)經(jīng)濟(jì)性好,故海上升壓站主接線采用線路變壓器組接線。220kV系統(tǒng)為直接接地系統(tǒng),主變220kV側(cè)中性點(diǎn)采用直接接地或不接地方式,為使運(yùn)行調(diào)度靈活選擇,裝設(shè)了接地隔離開(kāi)關(guān),此外中性點(diǎn)還裝設(shè)有避雷器及放電間隙。35kV系統(tǒng)因風(fēng)機(jī)之間通過(guò)35kV海底電纜連接,電纜數(shù)量大,單相接地電容電流較大,需防止在35kV系統(tǒng)單相接地時(shí)出現(xiàn)弧光過(guò)電壓,造成電氣設(shè)備損傷乃至絕緣對(duì)地?fù)舸?。?5kV系統(tǒng)擬采用接地變加小電阻接地方式,在35kV每段母線上裝設(shè)一套接地變壓器(兼做站用變壓器）和電阻柜,在風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生單相接地時(shí),快速跳閘故障回路,保護(hù)風(fēng)電場(chǎng)電氣設(shè)備。站用380V系統(tǒng)采用中性點(diǎn)直接接地方式。海上升壓站站用電采用380/220V,采用單母線分段的接線方式,兩段工作段電源分別取自?xún)膳_(tái)互為備用的站用變壓器,另外設(shè)一段應(yīng)急段,升壓站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組接入應(yīng)急段。工作負(fù)荷由工作段供電,應(yīng)急負(fù)荷由應(yīng)急段供電,正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)急段母線與其中一段工作段母線聯(lián)絡(luò)閉合,當(dāng)全站停電,啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組供應(yīng)急負(fù)荷運(yùn)行。

在電氣二次設(shè)計(jì)方面,海上升壓站按照"無(wú)人值守"方式設(shè)計(jì),需要完成風(fēng)電場(chǎng)升壓站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的配置,監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu),主要由站控層設(shè)備、間隔層設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等構(gòu)成。升壓站監(jiān)控系統(tǒng)需要完成對(duì)升壓站內(nèi)220kV線路、220kV變壓器、35kV集電線路、站用變、中低壓開(kāi)關(guān)柜、直流系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)等設(shè)備的集中監(jiān)控。同時(shí)也可以對(duì)風(fēng)電機(jī)組、陸上集控中心的電氣設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控,海上升壓站二次設(shè)備設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)/操作員站,升壓站與陸上集控中心監(jiān)控設(shè)備經(jīng)2回220kV海纜中的復(fù)合光纖進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)和后臺(tái)設(shè)備共享。在繼電保護(hù)設(shè)計(jì)方面,220kV海上升壓站和陸上集控中心2回海底電纜兩側(cè)各配置兩套光纖電流差動(dòng)保護(hù),每套保護(hù)采用兩路專(zhuān)用光纖通道。220kV主變壓器保護(hù)按雙重化設(shè)計(jì),主保護(hù)為兩套微機(jī)型縱差保護(hù)和本體非電量保護(hù),后備保護(hù)設(shè)置過(guò)流保護(hù)、復(fù)合電壓閉鎖過(guò)流保護(hù)和零序過(guò)流保護(hù)。35kV母線配置母線差動(dòng)保護(hù)。海上升壓站采用交直流一體化電源系統(tǒng)。將海上升壓站直流系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)和逆變電源系統(tǒng)合并為交直流一體化電源系統(tǒng)。此外,需要完成火災(zāi)報(bào)警、視頻監(jiān)控、設(shè)備在線監(jiān)測(cè)、通信等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3.3設(shè)備選型

本工程本期海上升壓站配置按400Mw考慮,對(duì)于主變?nèi)萘康倪x擇,根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)工程110～220kV海上升壓變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T31115一2017）中"5.2.2主變壓器的選擇應(yīng)遵循下列原則:海上升壓變電站內(nèi)設(shè)置兩臺(tái)及以上主變壓器時(shí),單臺(tái)主變壓器容量宜考慮冗余,當(dāng)一臺(tái)主變壓器故障退出運(yùn)行時(shí),剩余的主變壓器可送出風(fēng)電場(chǎng)60%及以上的容量"的要求,故選用兩臺(tái)240MVA主變壓器。

選擇兩臺(tái)240MVA主變壓器時(shí),單臺(tái)主變低壓側(cè)的電流大于2500A,而目前市場(chǎng)上成熟的SF6充氣柜最大額定電流為2500A。對(duì)于主變型式的選擇,分裂繞組變壓器投資較高,但具有限制短路電流,短路故障時(shí)維持非故障分支運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn),在歐洲已投產(chǎn)的海上風(fēng)電項(xiàng)目中應(yīng)用較多,積累了一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),在我國(guó)也有一些項(xiàng)目應(yīng)用?？紤]到變壓器容量在240MVA時(shí),需限制短路電流。故主變低壓側(cè)采用分裂接線,主變采用雙分裂變壓器。

3.4防雷接地

海上升壓站過(guò)電壓保護(hù)設(shè)計(jì)總體應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T50064）的要求;接地設(shè)計(jì)總體應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T50065）的要求。

在防雷設(shè)計(jì)方面,考慮到升壓站平臺(tái)為鋼結(jié)構(gòu),需要在屋頂金屬結(jié)構(gòu)上進(jìn)行直擊雷保護(hù)設(shè)備配置,針對(duì)主變冷卻器等戶(hù)外設(shè)備采用避雷針提供保護(hù)。在母線側(cè),需要完成避雷器布置,提供雷電過(guò)電壓保護(hù)。針對(duì)操作過(guò)電壓,需要在高壓海纜末端、海上升壓站母線側(cè)、主變低壓側(cè)和35kV電纜集電海纜末端等位置完成避雷器的安裝,根據(jù)實(shí)際工況采用220kV和35kV的氧化鋅避雷器。

在接地設(shè)計(jì)方面,海上升壓站基礎(chǔ)主要采用鋼材,鋼管樁插入海床達(dá)數(shù)十米深,可作為接地系統(tǒng)的自然接地體,鋼管樁、連接件及過(guò)渡段均為鋼構(gòu)件并經(jīng)可靠的電氣連接,其接地電阻一般可以滿(mǎn)足相關(guān)要求。升壓站各層設(shè)置專(zhuān)用的接地線,考慮采用接地銅排,接地銅排引出至各設(shè)備接地,接地銅排與平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)可靠連接。海上升壓站內(nèi)所有配電裝置及電氣設(shè)備的金屬外殼、底座及電纜支架等金屬部分均按規(guī)定接地;升壓站內(nèi)敷設(shè)二次專(zhuān)用地網(wǎng)并與主接地網(wǎng)可靠連接,所有二次屏柜、就地控制箱的二次接地銅排均按規(guī)定與二次地網(wǎng)可靠連接。

3.5防腐與防護(hù)等級(jí)設(shè)計(jì)

結(jié)合歐洲建設(shè)經(jīng)驗(yàn),海上使用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)壽命通常在25年左右,按照正常維護(hù)周期進(jìn)行升壓站電氣設(shè)計(jì),防腐設(shè)計(jì)年限應(yīng)達(dá)到25年以上。

海上升壓站因其特殊的環(huán)境,電氣設(shè)備的選擇需考慮防腐、震動(dòng)、潮濕、鹽霧等因素。防護(hù)等級(jí)應(yīng)不小于海上升壓站電氣設(shè)備防護(hù)等級(jí)要求(表1）的規(guī)定。電氣設(shè)備防腐應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《色漆和清漆防護(hù)涂料體系對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕保護(hù)》(GB/T30790）的規(guī)定。暴露在海洋大氣區(qū)的電氣設(shè)備腐蝕等級(jí)應(yīng)為C5-M級(jí),其余戶(hù)內(nèi)布置設(shè)備應(yīng)滿(mǎn)足C4或C5-I等級(jí)。設(shè)備外殼、連接部件、裸露金屬部分、與大氣長(zhǎng)時(shí)間直接接觸部分,應(yīng)進(jìn)行防腐蝕特殊處理。

表1海上升壓站電氣設(shè)備防護(hù)等級(jí)要求

4結(jié)語(yǔ)

考慮到海上升壓站在站址環(huán)境、運(yùn)行維護(hù)等方面具有一定特殊性,本文結(jié)合規(guī)范分析了海上升壓站相關(guān)的并網(wǎng)、配置、防腐方面的要求,以某個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)工程為例,提出了海上升壓站具體的電氣一次和電氣二次設(shè)計(jì)方案,從設(shè)備選型、防雷接地、防腐與防護(hù)等級(jí)方面闡述了相關(guān)設(shè)計(jì)思路,對(duì)未來(lái)海上風(fēng)電場(chǎng)升壓站的電氣設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。