DQZHAN技術訊：海上升壓變電站設計及建造研究
摘 要：針對我國海上風電的發(fā)展特點，對國內(nèi)外現(xiàn)有海上升壓站的設計、建造進行了簡要分析，旨在為后續(xù)類似項目設計、建造提供指導。
早在20世紀**十年代，歐洲就開始陸續(xù)修建海上風電場項目，在海上風電場輸變電技術方面積累了不少工程經(jīng)驗。而我國2000年以前的項目均沒有設置海上升壓站，隨著我國海上風電的發(fā)展， “十三五”期間，我國將進入海上風電規(guī)模化發(fā)展期，要開發(fā)建設離岸距離遠(大于12 km)、容量較大(200～400 MW)的海上風電場，而這些風電工程均需設置海上升壓站 。
1、設計概況
1.1 海上升壓站類型
根據(jù)風電場選址，針對不同的施工水平及環(huán)境條件，形成了兩種模式的海上升壓站結構——模塊裝配式海上升壓站結構和整體式海上升壓站結構。模塊裝配式海上升壓站是將升壓站分為若干個模塊，如變壓器模塊、高壓模塊、中壓模塊、站用電模塊、輔助系統(tǒng)模塊、控制模塊等，每個模塊都采用鋼結構，在陸上組裝廠制作，在陸上完成模塊內(nèi)的設備安裝調(diào)試，然后各模塊單獨運至現(xiàn)場起吊并就位，各模塊安裝完成后現(xiàn)場再進行各模塊之間的連接。整體式海上升壓站是將整個升壓站上部結構作為一個整體，在陸上組裝廠完成整個升壓站的制造、設備安裝和調(diào)試，然后整體運至現(xiàn)場，采用大型起重船安裝。選擇何種方式取決于工程的實際施工、運輸條件和能力。
上海振華重工(集團)股份有限公司負責建造的**座中廣核如東150 MW海上風電場示范項目海上升壓站、華能如東300 MW海上風電場工程110 kV海上升壓站以及江蘇濱海300 MW海上風電場項目工程220 kV海上升壓站均為整體式海上升壓站。
1.2 設計總則說明
根據(jù)《Offshore substations for wind farms》(DNV-OS-J201)的分類，海上升壓站一般分為無人操作的海上升壓站(A類)、臨時或者長期有人操作駐守的海上升壓站(B類)以及無人操作的海上升壓站平臺加一個生活平臺(C類)。通常情況下，離岸距離近一些的中小型交流海上升壓站選擇A類，離岸距離近一些的大型交流海上升壓站或者直流海上升壓站選擇B類，海上風電場連續(xù)分期建設時可選擇C類。
2、結構設計方案
海上升壓站結構設計包括上部結構、下部支撐結構設計。以220 kV海上升壓站為例，目前國內(nèi)建成的或者是在建的項目，220 kV海上升壓站均由上部組塊和下部基礎(單樁或?qū)Ч芗芑A)組成。
2.1 上部結構布置
一層(甲板層)主要作為電纜層及結構轉換層，主要布置有事故油池、救生裝置、樓梯間等。
二層為整個海上升壓站主要核心區(qū)域，布置主變、主變散熱器、開關室、接地變室、低壓配電室、應急配電室、GIS室以及水泵房等輔助房間。
三層為主變室和GIS室上部挑空，同時布置蓄電池室、通信繼保室、避難室、柴油機房及暖通機房等。
頂層一般布置懸臂吊、空調(diào)外機、通信天線、氣象側風雷達、避雷針;另外，可根據(jù)實際需要，布置直升機懸停區(qū)。
2.2 下部結構布置
海上升壓站的基礎形式根據(jù)地質(zhì)條件、水深條件、上部結構尺寸重量等條件，可以考慮單樁基礎、多樁基礎、導管架基礎或高樁承臺基礎。導管架基礎的適用范圍較廣，對于水深較深的區(qū)域采用導管架基礎。
2.3 防腐設計
海上風力發(fā)電機的使用壽命一般為25年，海上升壓站考慮在正常維護的情況下，其防腐設計年限也應不小于25年。大氣區(qū)宜采用滿足C5-M腐蝕性環(huán)境要求的防腐涂層進行保護，在浪濺區(qū)、水位變動區(qū)、水下區(qū)宜采用滿足Im2腐蝕性環(huán)境要求的防腐涂層結合犧牲陽極進行防護，在泥下區(qū)宜采用犧牲陽極進行防護。
3、電氣設計方案
按照目前的廠址規(guī)劃方案和項目開展情況，300 MW是一個海上風電場項目較為常見的裝機容量。本文擬在此容量的基礎上考慮電氣設計方案，為以后的項目設計提供參考。
目前投產(chǎn)或者已經(jīng)在建的海上升壓站，風電場均采用二級升壓方式，機組升壓變高壓側選擇35 kV電壓等級，場內(nèi)集電線路采用35 kV海底電纜方案，風電場經(jīng)過海上升壓站升壓到220 kV后，通過海底電纜送至陸上集控中心，轉架空線后接入系統(tǒng)。兩級升壓的方案能快速升壓，減少升壓環(huán)節(jié)，減少損耗。
3.1 主要電氣設備選型(電氣一次)
總結歐洲海上風電場的運行經(jīng)驗，海上升壓站設備宜布置在全密封、微正壓的屋內(nèi)結構物中，并配置帶有海風處理裝置的暖通空調(diào)系統(tǒng)。另一方面，電氣設備和其他設備本身的防腐能力要加強和提高，防腐等級符合ISO 14922，達到相應的C4級或C5級要求。
3.1.1 220 kV主變壓器
海上升壓站主變采用三相、低壓雙分裂、自然油循環(huán)自冷卻型，油浸式、有載調(diào)壓升壓式電力變壓器。海上升壓站選址一般位于潮濕、重鹽霧的地區(qū)，所以電氣設計方案一般采用主變、散熱器分體布置，高壓側采用戶內(nèi)GIS，低壓側采用戶內(nèi)SF 6 氣體絕緣金屬封閉開關柜。本體戶內(nèi)布置，散熱器戶外布置，以控制海上腐蝕環(huán)境對設備的影響。
3.1.2 220 kV主變中性點設備
主變220 kV側中性點采用經(jīng)隔離開關接地方式，配置一套中性點成套設備。
3.1.3 220 kV配電裝置
采用GIS實現(xiàn)。
3.1.4 35 kV配電裝置
35 kV配電裝置主要涉及40.5 kV開關柜、站用變兼接地變壓器以及35 kV中性點設備。海上升壓站40.5 kV配電裝置采用SF 6 充氣絕緣型，為箱式型式，戶內(nèi)單列布置，主變35 kV進線及接地變出線均采用電纜方式。35 kV系統(tǒng)采用小電阻接地，每段35 kV母線配置一臺接地變(其中兩臺兼場變)及一面接地電阻柜。
3.1.5 0.4 kV配電裝置
0.4 kV配電裝置主要包括柴油機及0.4 kV低壓配電屏。
海上升壓站采用柴油發(fā)電機作為站用電源的應急備用電源，當全站停電時，需啟動柴油機，供重要負荷運行。海上升壓站內(nèi)通信電源、遠動電源、監(jiān)控電源、事故照明及事故通風、消防火災系統(tǒng)、導航設備等為**負荷，設備操作電源為二級負荷，其他均為三級負荷。海上升壓站中，所有一、二級負荷設計有兩回線路供電。
低壓配電屏配置分工作配電屏和應急配電屏，采用戶內(nèi)單列布置。
3.2 電氣二次
海上升壓站和陸上集控中心統(tǒng)一配置計算機監(jiān)控系統(tǒng)，設備配置和功能要求按照海上升壓站“無人值守”方案設計。通過海底電纜中的復合光纖，由陸上集控中心實現(xiàn)對海上升壓站目標及海上風機的實時遠程監(jiān)控，*大限度地優(yōu)化了海上升壓站整體運行方式。
4、**系統(tǒng)設計
4.1 防雷接地設計
為了保證升壓站設備的**運行和值班人員的人身**，結合海上升壓站平臺的特點，遵照IEEE std.80標準《IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding》和國家標準GB/T50065—2011《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》、GB 50169—2006《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規(guī)范》等規(guī)定的原則，依照大電流接地系統(tǒng)的方式進行設計。
4.2 直擊雷保護
海上升壓站內(nèi)需要進行直擊雷保護的設備有頂部平臺甲板、VAST天線、氣象站、VHF天線、GPS天線、NAVTEX天線、暖通室外設備、空調(diào)室外機、變壓器戶外散熱器。
根據(jù)設備布置及吊機上避雷針位置，海上升壓站頂部需設置一定數(shù)量的針式接閃器，與吊機避雷針形成聯(lián)合保護，主要保護VAST天線、氣象站、VHF天線、GPS天線、NAVTEX天線、通信天線、暖通室外設備、空調(diào)室外機。頂部平臺甲板和變壓器戶外散熱器通過針式接閃器、避雷針、保護圍欄聯(lián)合保護。
4.3 配電裝置的侵入雷電波保護
在配電裝置的適當部位配置氧化鋅避雷器，以防止雷電侵入波對電氣設備的損害。海上升壓站的220 kV GIS與海底電纜連接處、與主變連接處，35 kV進出線處均設置氧化鋅避雷器，以保護站內(nèi)設備。400 V低壓配電系統(tǒng)裝設防浪涌保護器。
4.4 接地網(wǎng)布置
海上升壓站以4根基礎大鋼管樁作為自然接地體，平臺內(nèi)所有接地裝置*終均連接至鋼管樁上。鋼結構平臺應焊接成整體，形成完好的電氣通路。
海上升壓站內(nèi)各層設置接地網(wǎng)，主接地網(wǎng)沿房間墻壁明敷布置，支線接地網(wǎng)沿地面明敷布置。不同層之間通過結構鋼立柱形成電氣聯(lián)系，至少保證主網(wǎng)和2根不同立柱可靠連接。
所有電氣設備均應進行接地，電氣設備每個接地部分應以單獨的接地線與接地干線相連，嚴禁在一個接地線中串聯(lián)幾個需要接地的部分。
5、給排水和暖通方案
海上升壓站上主變壓器、柴油發(fā)電機等容易引發(fā)B類火災的設備及其設置場所均采用高壓細水霧滅火系統(tǒng)。400 V主配電盤、應急配電盤、蓄電池、繼電保護裝置、40.5 kV高壓開關柜、電阻柜等柜室設備中使用火探管式氣體滅火系統(tǒng)。應急避難室、暖通用房、GIS室、40.5 kV開關室等設備用房及所有電氣用房架空地板下采用高壓細水霧系統(tǒng)進行保護。
6、建造施工原則
海上升壓站施工建造應遵循“先陸上后海上”、 “先水上后水下”的原則。建造過程中，應根據(jù)結構、電氣、暖通、管系、舾裝各專業(yè)特點，合理制定施工工序，減少各專業(yè)之間的交叉及相互干擾。
海上升壓站上部組塊宜在陸上完成全部設備安裝、調(diào)試后，整體吊裝裝船，發(fā)運至海上升壓站站址安裝就位。
7、結語
海上升壓站集中體現(xiàn)了電力工程與海洋工程的結合，是集功能性、環(huán)保性、**性、經(jīng)濟性于一體的集成產(chǎn)物。在吸收消化歐洲海上風電場的建造經(jīng)驗的基礎上，將上述成果充分應用到實際工程中，可為后續(xù)項目提供更多的經(jīng)驗積累和技術儲備。
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