近海升壓站電氣系統(tǒng)的設計研究

李童

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東 青島 266520）

近年來作為可再生能源的風能以其清潔的優(yōu)勢得到了國內(nèi)外的高度重視。近海的風力資源不占用陸地面積，風力持續(xù)穩(wěn)定，現(xiàn)已成為國內(nèi)行業(yè)關注的焦點。海上風機裝機容量在不斷增大，數(shù)量在不斷增多，保證電能輸送的可靠性已成為關鍵，其中海上升壓站是電能輸送的核心。目前我國風電應用仍處于初級階段，很多技術細節(jié)需進一步完善。

本文以實際項目為例介紹近海升壓站的概況，分析了防雷接地、照明系統(tǒng)、電纜敷設、防火封堵及電氣節(jié)能設計等方面的問題，可為升壓站的研究提供理論支撐，具有一定學術意義[1]。

1 升壓站簡介

1.1 海上升壓站概況

現(xiàn)以華東某升壓站項目為例作電力系統(tǒng)介紹。此項目的風電場離岸距離約10km，沿海岸線方向長約14km，垂直于海岸線方向寬約3km，場區(qū)面積35km2，場區(qū)水深8～12m。風電場配套建設的220kV海上升壓站位置水深8.1m，升壓站距登陸點的直線距離12km。

220kV 海上升壓站主體平面尺寸為30.3m×31.5m，高27m，為一整體式鋼平臺，上部組塊總重約2050t。

一層平臺最大平面尺寸為23m×28m，層高為6m，平臺面高程為11m。底部高層位于極端高潮位下最大波高時波峰以上，靠近甲板邊緣處布置有救生設備，主變下布置事故油池，同時也作為電纜層使用。

二層平臺最大平面尺寸為30.3m×31.5m，層高為5.5m，平臺面高程為17m。二層北側布置主變室，主變室南側布置GIS室、40.5kV開關柜室，主變室東西側布置樓梯間。

三層平臺最大平面尺寸為24.8m×31.5m，層高為4.5m，平臺面高程為22.5m。三層中間為主變室和GIS室上部挑空，另側布置繼電保護室、低壓配電室。

四層平臺最大平面尺寸為23m×31.5m，層高為4.5m，平臺面高程為27m。四層北側為主變室屋頂，主變室屋頂設置主變檢修孔，南側布置柴油機房、暖通房間、給排水房間、蓄電池室、應急配電室、避難室等。

圖1 220kV海上升壓站

1.2 海上升壓站場用電接線及主要設備

該工程海上升壓站0.4kV配電裝置共設三段母線，1#場變兼接地變連接I段母線，2#場變兼接地變連接Ⅱ段母線，柴油發(fā)電機連接Ⅲ段母線（應急母線），Ⅲ段母線采用環(huán)形接線方式。正常工作時，1#場變兼接地變供電Ⅰ段母線，2#場變兼接地變供電Ⅱ段、Ⅲ段母線；當某一場變兼接地變供電回路故障時，則合上母聯(lián)開關，由另一電源回路供電；如兩個供電回路均故障時，則啟動柴油發(fā)電機組并斷開Ⅰ、Ⅱ段母線，僅由Ⅲ段母線對重要負荷供電。

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)、導航設備等為一級負荷，設備操作電源為二級負荷，其他均為三級負荷。所有一、二級負荷有兩回路供電。

主要電氣系統(tǒng)設備如下：

（1）主變壓器

主變采用220kV、120MVA、三相、雙繞組、自然油循環(huán)自冷卻型、油浸式、低損耗、有載調(diào)壓升壓式電力變壓器，本體戶內(nèi)布置，散熱器戶外布置。

（2）六氟化硫組合電器GIS

220kVGIS設備型號：252kV3150A50kA；35kVGIS設備型號：40.5kV1250A31.5kA。

（3）35kV配電裝置

35kV配電裝置采用SF6絕緣金屬成套開關柜，采用真空斷路器，戶內(nèi)單列布置。

2 升壓站防雷接地設計

2.1 直擊雷及侵入雷保護

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、空調(diào)室外機、變壓器戶外散熱器。根據(jù)設備布置及吊車上避雷針位置，設1根針式接閃器，其與吊車避雷針形成聯(lián)合保護，主要保護VAST天線、氣象站、VHF天線、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。直擊雷保護范圍采用滾球法方式計算。

在252kVGIS進線及出線處，35kV充氣柜進線及母線處均設有避雷器，以避免雷電波侵入。400V低壓配電系統(tǒng)裝設防浪涌保護器。低壓配電屏設置Ⅰ類試驗的浪涌保護器。

2.2 接地網(wǎng)布置方式

2.2.1 接地裝置設置總體原則

接地裝置以4根基礎大鋼管樁作為自然接地體，平臺內(nèi)所有接地裝置最終均連接至鋼管樁上。整體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。法蘭片間采用跨接線連接，保證良好的電氣通路。

2.2.2 接地材料

海上升壓站主接地體采用50×4銅排，分支接地體采用25×4銅排。

根據(jù)接入系統(tǒng)報告及短路電流計算，220kV側短路電流為15.44kA，35kV側短路電流為16.1kA。按照繼電保護220kV后備保護時間1.2s，35kV后備保護時間0.9s考慮，經(jīng)熱穩(wěn)定計算，220kV側引下線銅排截面不小于106mm2，35kV側引下線銅排截面不小于95mm2，主接地體銅排截面不小于80mm2。

通過基礎鋼管樁進行連接，單根鋼管樁為Ф2000，壁厚40mm，截面積為251.2mm2。經(jīng)熱穩(wěn)定計算，主接地體鋼材截面不小于182mm2。

為加強主設備接地，主接地體以及主變室，GIS室內(nèi)支線接地體采用50×4銅排，其余支線接地體采用25×4銅排。

2.2.3 接地布置方案

主接地體與鋼管樁或結構鋼立柱連接處設置接地符號且可視。

沿房間墻壁敷設角鋼支撐，角鋼上打孔，主接地體通過銅螺栓與角鋼連接，主接地體離墻距離約50mm，中心離地面距離約220mm。角鋼間距約1.5m，轉角、過門、過柱處可適當加密，約0.3～0.5m。主接地體銅排之間采用放熱焊接連接。

支線接地體與主接地體采用銅螺栓連接。支線接地體引下后在敷料層上引至設備引上點。引上設備長度根據(jù)設備不同而專項設置。

一層設海纜接地箱，其接地端均應采用電纜引至主接地體接地，采用銅鼻子連接[2]。

3 升壓站照明系統(tǒng)設計

（1）照明種類分為正常工作照明和應急照明，且應急照明也作為正常照明使用。正常工作照明由Ⅰ段母線供電；應急照明分別由Ⅲ段母線和UPS進行供電，正常時由Ⅲ段母線供電，事故時可通過切換裝置調(diào)整到UPS供電。

（2）照明配電箱為明裝，箱體底部距地0.8m；照明開關底邊距地1.3m；插座底邊距地0.3m；疏散指示燈底邊距地0.3m；出口指示燈底邊距門0.1m；照明開關的安裝位置靠近門邊；應急燈應單獨采用一個回路，接應急燈的線路在應急燈前不經(jīng)過開關；照明燈具的安裝高度滿足電氣安全距離。

（3）照明配電箱、照明燈具、接線盒、開關及插座的金屬外殼、鎮(zhèn)流器、金屬保護管等外殼均接地，PE線完好導通，PE線在各分電箱處接地。

（4）所有燈具選用船用燈具，有爆炸危險區(qū)域的燈具采用防爆型。戶外通道等場所的燈具為吊裝、壁裝、吸頂或高壓鈉燈、熒光燈柱裝，較大的敞開區(qū)域如甲板層采用泛光燈。室內(nèi)照明采用投光燈或熒光燈，采用吸頂安裝、吊裝或壁裝方式。

（5）逃生通道內(nèi)的應急照明燈具及疏散指示燈均自帶蓄電池，蓄電池容量滿足120min照明時間。

（6）每個房間和重要通道內(nèi)均設置長明燈，以便遠方監(jiān)控。照明燈具照射方向根據(jù)攝像頭位置確定，保證遠方監(jiān)控設備能清晰地看到設備相關部位。

（7）戶外燈具防護等級選擇IP65，甲板上燈具的防護等級選擇IP56，疏散指示燈選擇IP66型，戶內(nèi)燈具防護等級選擇IP43型，燈具安全等級為二類。

（8）柴油發(fā)電機室和蓄電池室內(nèi)燈具采用防爆型，開關裝于門外側，以免發(fā)生火災或爆炸。

（9）插座僅在繼保室和避難所內(nèi)安裝，由于其回路易發(fā)生觸漏電事故，故加裝高靈敏度、快速動作型的電子式漏電保護器[3]。

4 升壓站電纜敷設及防火封堵設計

4.1 電纜敷設設計

（1）電纜在任何敷設方式及其全部路徑條件的上下左右改變部位，都應滿足電纜允許彎曲半徑要求。

（2）電纜一般不允許設置中間接頭。屏蔽電纜和鎧裝電纜的屏蔽層，應可靠接地。

（3）各種不同用途的電纜，用不同形狀的標志牌表示，掛在電纜兩端，豎井兩端及電纜轉彎處；動力電纜和通訊電纜各自歸類，分開敷設，減少干擾。

（4）所有外部或不通風區(qū)域的電纜敷設使用不銹鋼扎帶。當切斷電纜時，在斷開處的端頭應為一個不尖銳的斷口。

（5）當電纜交叉不可避免時，單根電纜相互之間或數(shù)根電纜之間的交叉應在單根電纜的始端或終端進行，即在配電裝置間隔下部、控制屏、保護屏的下部及各設備的引出線處進行交叉；成排交叉宜在豎井上部進行。

（6）為減小電纜交叉，將路徑最遠的電纜敷設在下面托架上，路徑近的敷設在上面托架，屏間聯(lián)絡電纜敷設在頂層。

（7）單芯電纜的敷設不單獨穿過由磁性材料包圍的通道，宜采用磁性材料或進行磁路分隔。

（8）選擇電纜走向，避免濕度大和有滴水的地方。電纜遠離熱源并保護其避免受到機械損傷。

4.2 防火封堵設計

（1）海上升壓站所有甲板開孔、主變室至三層走廊的開孔、四層走廊至戶外的開孔都進行防火封堵，防火封堵材料采用防火防水封堵材料。其他墻板上開孔采用防火套管型電纜密封膨脹堵料進行封堵。

（2）海上升壓站接地中穿墻處采用電纜密封膨脹堵料進行封堵。

（3）海上升壓站盤柜中不帶鐵蓋板的盤柜及下方的樓板孔洞，用上下兩層防火隔板，阻火包、有機堵料組合封堵，樓板下防火隔板用M8膨脹螺栓固定。

（4）電纜進入配電箱、燈具、開關等設備需采用電纜填料函，并采取電纜防火措施。

（5）敷設在電纜梯架、橋架或槽盒上的電纜每隔60m處，進行防火分隔處理，阻火段用2m長的防火槽盒設置，槽盒兩端頭用阻火包和有機堵料進行封堵，封堵厚度320mm。

（6）對于220kV電纜和35kV電纜安裝開孔應在電纜終端完成連接后進行封堵。對需在海上升壓站就位后進行封堵的開孔，應在運輸前包裹密封，以防潮濕空氣進入室內(nèi)。

5 升壓站電氣節(jié)能設計

此項目的主要能耗為電力，因此，降低產(chǎn)品的綜合能耗需要在電氣工程設計、電氣設備選型方面采取有效的節(jié)能措施。電氣節(jié)能措施主要有以下特點：

（1）選用兩級升壓方式，即風電機出口0.69kV升壓至35kV，升壓站內(nèi)35kV升壓至220kV。該方案能快速升壓，減少升壓環(huán)節(jié)，減少損耗。本工程規(guī)劃總裝機容量為202MW，主變壓器選擇兩臺120MVA，考慮當一臺主變或相應間隔的高低壓配電裝置故障或檢修時，另外1臺主變?nèi)钥奢斔惋L場所發(fā)的大部分電力，可以減少棄風。220kV配電裝置采用的是單母線接線，35kV配電裝置采用的是單母線分段接線，可靠性較高，采用的接線方式均屬于簡單的接線方式，能有效地減少占地面積、減少相關設備，以達到減少損耗的目的。

（2）主要電氣設備均選用低損耗設備，耗能參數(shù)選擇合理。

（a）主變壓器

主變壓器采用SZ11型油變，對照常規(guī)變壓器，屬于低損耗產(chǎn)品。

（b）場變兼接地變器

場變兼接地變器采用S10型干變，能效等級為1級，屬于低損耗產(chǎn)品。

（3）配電系統(tǒng)節(jié)能措施

（a）根據(jù)用電性質(zhì)、用電容量，選擇合理供電電壓和供電方式。

（b）選用節(jié)能型配電變壓器，以減少變壓器的損耗。

（c）各輔助系統(tǒng)采用節(jié)能型電動機，提高電動機效率，采用變頻裝置，節(jié)省電能。

（d）在滿足照明質(zhì)量的前提下，一般房間優(yōu)先采用高效發(fā)光的熒光燈及緊湊型熒光燈。根據(jù)照明使用場所采取分區(qū)控制燈光。

（e）優(yōu)化用電設備的工作狀態(tài)，合理分配與平衡負荷，使用電均衡化，提高項目負荷率。

（4）升壓站采用先進的計算機監(jiān)控自動化系統(tǒng)，利用先進的網(wǎng)絡控制技術，最大限度地優(yōu)化了電氣路線，達到了預期的節(jié)能效果[4]。

6 結語

風能不污染環(huán)境，屬于新型清潔能源，應加快發(fā)展。江蘇近海風電項目已具備了一定規(guī)模，在國內(nèi)處于領先地位。但我國近海升壓站的設計水平還處于初級階段，有較大提升空間。應在不同工況，不同的潮汐、洋流、氣象等自然條件下有針對性的設計。本文可為近海升壓站的設計工作提供一定的借鑒意義。

◆參考文獻

[1] 黃玲玲，符楊，郭曉明. 大型海上風電場電氣接線方案優(yōu)化研究[J].電網(wǎng)技術，2008，(8)：77-81.

[2] GB/T 19963-2011，風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定[S].

[3] 鄭明. 300MW海上風電場電氣主接線設計[J].南方能源建設，2015，2(3)：62-66.

[4] 袁兆祥，仇衛(wèi)東，齊立忠. 大型海上風電場并網(wǎng)接入方案研究[J].電力建設，2015，36(4)：123-128.