300 MW/220 kV海上升壓站電氣一次設(shè)計(jì)研究

王建楹，郝登運(yùn)，武雪林，巴忠鐳

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

海上升壓變電站是用于將海上風(fēng)電場(chǎng)中各風(fēng)機(jī)所發(fā)電能進(jìn)行集中升壓轉(zhuǎn)換并遠(yuǎn)程傳輸?shù)桨渡系碾娏斪冸娤到y(tǒng)裝置。它既是海洋工程裝備、又是電力設(shè)備，具有高壓電氣設(shè)備和二次設(shè)備混裝、結(jié)構(gòu)空間狹小、內(nèi)外部環(huán)境惡劣等顯著特點(diǎn)。相比路基升壓站，海上升壓變電站的安全性能要求和運(yùn)維難度及成本要高得多，而且其設(shè)計(jì)技術(shù)及工程應(yīng)用情況尚需運(yùn)營(yíng)時(shí)間的檢驗(yàn)[1]。

海上風(fēng)電場(chǎng)的升壓變電站設(shè)置主要有3種形式：陸上升壓站形式、海上升壓站+陸上集控中心形式、海上升壓站+海上綜合平臺(tái)形式[2]。本設(shè)計(jì)以大連海域某300 MW海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)為應(yīng)用目標(biāo)，采用海上升壓站+陸上集控中心設(shè)置方案，將實(shí)現(xiàn)升壓主功能的設(shè)備組成電氣一次，將實(shí)現(xiàn)監(jiān)控與通信主功能的設(shè)備組成電氣二次，采用無(wú)人值守、遠(yuǎn)程值班方式運(yùn)行。以此工程案例，對(duì)海上升壓站電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化、電氣性能和技術(shù)指標(biāo)的選擇與確定、電氣設(shè)備的配置、選型與布置等進(jìn)行分析研究。

1 升壓站電氣一次技術(shù)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題研究

1.1 主變壓器選型

主變壓器是海上升壓站的核心設(shè)備，其選型影響著整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的電氣特性、安全性與經(jīng)濟(jì)性，影響升壓站的總體結(jié)構(gòu)布局，決定上部結(jié)構(gòu)的體積和重量[3]。主變選型的基本依據(jù)是相關(guān)國(guó)標(biāo)（GB）和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（DL）及IEC標(biāo)準(zhǔn)，主要是從主變相數(shù)、繞組、調(diào)壓、絕緣與冷卻方式等方面進(jìn)行分析和選擇。

1）相數(shù)選擇

主變可以采用三相變壓器，一般容量在300 MW左右的海上風(fēng)電場(chǎng)，需裝設(shè)2臺(tái)以上的變壓器以滿足運(yùn)維時(shí)可保證至少1臺(tái)主變工作，避免造成風(fēng)電場(chǎng)停運(yùn)的災(zāi)難。主變也可以采用3個(gè)單相變壓器構(gòu)成的變壓器組完成相應(yīng)的電能傳輸任務(wù)，但為滿足運(yùn)維要求，還需配置一個(gè)備用單相變壓器。因此，升壓站的內(nèi)部接線及運(yùn)行控制會(huì)比采用三相變壓器更復(fù)雜。

2）繞組數(shù)量

主變可以采用雙繞組變壓器或分裂變壓器，一般要結(jié)合短路電流校驗(yàn)來(lái)確定繞組數(shù)量。選前者優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格低，后者則有更好的電氣特性，尤其是分裂繞組的2個(gè)分支可以獨(dú)立運(yùn)行、互為備用，提高變電站運(yùn)營(yíng)的可靠性。

3）調(diào)壓方式

主變采用有載調(diào)壓方式，無(wú)論是恒磁通調(diào)壓或變磁通調(diào)壓方式，都可適當(dāng)降低無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備容量。但電網(wǎng)對(duì)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功調(diào)節(jié)響應(yīng)速度有一定的要求，如國(guó)家電網(wǎng)公司Q/GDW 1878-2013規(guī)定，風(fēng)電場(chǎng)調(diào)壓時(shí)無(wú)功補(bǔ)償裝置的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)不大于2 s，而變壓器分接頭調(diào)壓不能滿足這一要求，仍然需裝設(shè)其他類型的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備[4]。

4）冷卻方式

一般分為自然風(fēng)冷自然油循環(huán)、強(qiáng)迫風(fēng)冷自然油循環(huán)、強(qiáng)迫風(fēng)冷強(qiáng)迫油循環(huán)、強(qiáng)迫風(fēng)冷導(dǎo)向油循環(huán)4種方式。自然油循環(huán)不帶油泵，自然風(fēng)冷是最理想的全自然冷卻，但造價(jià)高；強(qiáng)迫風(fēng)冷帶風(fēng)扇，在風(fēng)扇檢修時(shí)會(huì)壓負(fù)荷。強(qiáng)迫或?qū)蛴脱h(huán)帶油泵和風(fēng)扇，油泵密封在變壓器油箱內(nèi)運(yùn)行，其可靠性有待驗(yàn)證，檢修也影響運(yùn)行。

5）絕緣方式

有油絕緣與氣體絕緣2種方式，主變應(yīng)能抵抗突發(fā)短路事故而不造成線圈損壞，絕緣結(jié)構(gòu)可靠，局放水平低。油浸式變壓器的絕緣方式與鐵芯結(jié)構(gòu)及器身結(jié)構(gòu)有關(guān)，對(duì)升壓站消防和防腐的要求高；氣體絕緣變壓器采用氣體作為絕緣介質(zhì)，降低了消防要求。

綜上，300 MW/220 kV升壓站主變初選三相、分裂繞組、有載調(diào)壓、自然風(fēng)冷自然油循環(huán)、油浸式電力變壓器。

1.2 電氣主接線

1）容量選擇

根據(jù)《風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》（DL/T5383-2007）要求，主變?nèi)萘靠梢耘c風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)容量相同。原則上無(wú)論主接線是哪種方式，主變?nèi)萘烤鶓?yīng)按風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)容量扣除集電系統(tǒng)的功率損耗及風(fēng)電場(chǎng)自用負(fù)荷后，留10%左右的裕度來(lái)確定。但風(fēng)力發(fā)電具有較大的波動(dòng)性，典型海上風(fēng)電場(chǎng)全年中的滿發(fā)時(shí)間約占10%，輸出功率低于20%裝機(jī)容量的情況占50%以上，風(fēng)電場(chǎng)的年平均輸出功率約為裝機(jī)容量的33%。因此，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量進(jìn)行升壓站容量選擇及設(shè)備配置將會(huì)導(dǎo)致主變長(zhǎng)期處于低載荷狀態(tài)[5]。為了充分利用海上風(fēng)電場(chǎng)的功率輸出特性，降低海上升壓站的建造及運(yùn)維成本，需要對(duì)主變數(shù)量及容量合理選擇。

根據(jù)既往風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，主變要設(shè)置2臺(tái)以上為宜，本設(shè)計(jì)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量為300 MW，綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性等因素，主變?cè)O(shè)置為相同的2臺(tái)。

每臺(tái)主變的容量原則上可選擇等于風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的50%，考慮10%的裕度，可按風(fēng)電場(chǎng)容量的60%配置，則單臺(tái)容量為180 MVA，是國(guó)內(nèi)變電工程中的標(biāo)準(zhǔn)容量。根據(jù)IEC相關(guān)規(guī)定，主變可以在1.3倍的自冷額定容量下過(guò)負(fù)荷運(yùn)行而不損傷壽命[6]，此時(shí)單臺(tái)主變的容量可達(dá)到風(fēng)電場(chǎng)容量的近80%，可滿足風(fēng)電場(chǎng)50%以上時(shí)間的運(yùn)行需要。

2）主接線方案

按照主接線有無(wú)匯流母線的設(shè)置情況，主接線可以分為單母線、雙母線、單元接線和多角形接線等多種形式[7]。本設(shè)計(jì)海上升壓站通過(guò)1回220 kV海纜送至岸上，登陸后經(jīng)220 kV架空線路送至陸上集控中心。根據(jù)《220 kV～750 kV變電所設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DL/T5218-2012）要求，一般性質(zhì)的220 kV變電所的配電裝置，出線回路數(shù)在4回及以下時(shí)，可采用其他簡(jiǎn)單的主接線。

升壓站安裝2臺(tái)容量均為180/90-90 MVA的220/35-35 kV分列繞組變壓器。主變低壓35 kV側(cè)為單母線4分段接線，規(guī)劃安裝35 kV開(kāi)關(guān)柜，分別為10回風(fēng)機(jī)回路進(jìn)線、4回主變出線、2回接地變進(jìn)線、2回接地變兼站變進(jìn)線、4面母線設(shè)備柜、2面分段斷路器柜及2面分段隔離柜；主變高壓側(cè)為線路變壓器組單元接線，采用220 kV SF6氣體絕緣金屬封閉式組合電器（GIS）。主變220 kV中性點(diǎn)為有效接地系統(tǒng)。

1.3 短路電流計(jì)算

本風(fēng)電場(chǎng)工程設(shè)計(jì)安裝60臺(tái)、單機(jī)容量5 MW風(fēng)機(jī)，以10路35 kV單母線方式升壓至220 kV，海上升壓站至陸上集控中心220 kV側(cè)的海纜線路長(zhǎng)度約為20 km，陸上集控中心設(shè)置于系統(tǒng)500 kV匯集站近旁；因此，取陸上集控中心220 kV母線的三相短路電流為50 kA來(lái)計(jì)算，取基準(zhǔn)容量為100 MVA，取短路點(diǎn)平均工作電壓Uj=230 kV，37 kV，0.72 kV[8]。

主變按照雙分裂繞組變壓器進(jìn)行短路電流計(jì)算校核，變壓器參數(shù)按照全穿越16%、半穿越30%、Kf=3.5考慮，短路計(jì)算時(shí)將風(fēng)機(jī)的次暫態(tài)短路電流暫按風(fēng)機(jī)額定電流的6倍計(jì)。短路電流計(jì)算電氣等值阻抗如圖1所示，短路電流計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖1 分裂繞組變壓器短路電流計(jì)算電氣等值阻抗圖Fig. 1 Electrical equivalent impedance diagram of short circuit current calculation of split winding transformer

根據(jù)表1短路電流計(jì)算結(jié)果可知，主變?yōu)榉至牙@組變壓器時(shí)，35 kV母線發(fā)生故障的短路電流為12.48 kA和14.27 kA，小于20 kA，滿足風(fēng)機(jī)配套35 kV環(huán)網(wǎng)柜額定短時(shí)耐受電流水平要求。

表1 短路電流計(jì)算結(jié)果Tab. 1 Short circuit current calculation results

2 升壓站電氣一次設(shè)備配置設(shè)計(jì)

2.1 電氣一次主要設(shè)備選擇

本升壓站工程設(shè)計(jì)，采用220 kV主變壓器，220 kV GIS設(shè)備，35 kV動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（置于岸上集控中心），35 kV高壓開(kāi)關(guān)柜，高壓電抗器，0.4 kV低壓柜，35 kV接地變壓器以及站內(nèi)用變壓器，柴油發(fā)電機(jī)組，照明系統(tǒng)等組成電氣一次，實(shí)現(xiàn)升壓主功能設(shè)計(jì)。電氣一次主要設(shè)備選擇設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 升壓站電氣一次主要設(shè)備配置Tab. 2 Configuration of primary electrical equipment in booster station

升壓站運(yùn)行電壓的波動(dòng)一般小于額定電壓的1.15倍，電氣設(shè)備允許的最高工作電壓一般可滿足要求。因此，電氣設(shè)備的額定電壓按不低于裝置地點(diǎn)電網(wǎng)額定電壓的條件選擇，容量參數(shù)則根據(jù)主接線形式和設(shè)備來(lái)考慮。

220 kV主變選用三相有載調(diào)壓分裂繞組變壓器，并采用自冷方式、散熱器分離設(shè)計(jì)安裝。為防止腐蝕，變壓器除采用耐腐蝕材料制造的部件外，全部外殼包括安裝架等都采用高質(zhì)量的外部涂層。

220 kV配電裝置選用SF6氣體絕緣、占地面積小、戶內(nèi)布置的GIS設(shè)備。

35 kV配電裝置選用結(jié)構(gòu)更加緊湊的C-GIS交流金屬封閉氣體絕緣開(kāi)關(guān)柜。

2.2 升壓站過(guò)電壓保護(hù)

海上升壓站平臺(tái)為全鋼結(jié)構(gòu)建筑，在甲板頂部設(shè)置小型避雷針和桁架式甲板支撐鋼結(jié)構(gòu)可作為直擊雷保護(hù)的接閃裝置。電氣設(shè)備除主變散熱器外均采用戶內(nèi)布置，為防止工頻過(guò)電壓以及操作過(guò)電壓對(duì)電氣設(shè)備的侵害，在升壓站的220 kV出線和220 kV中性點(diǎn)設(shè)置氧化鋅避雷器；在各風(fēng)機(jī)組開(kāi)關(guān)的進(jìn)線處設(shè)置氧化鋅避雷器，35 kV母線也均配置氧化鋅避雷器。為防止線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，因單相接地電容電流過(guò)大引起弧光過(guò)電壓，升壓站的35 kV系統(tǒng)采用小電阻接地方式。

氧化鋅避雷器的技術(shù)參數(shù)按照《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/T 50064-2014）、《交流無(wú)間隙金屬氧化鋅避雷器》（GB11032-2010）的規(guī)定確定。

2.3 接地裝置

海上升壓站接地電阻應(yīng)符合《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T50065-2011）要求。由于升壓站平臺(tái)鋼管樁插入海床深達(dá)數(shù)十余米，可將鋼結(jié)構(gòu)升壓平臺(tái)的鋼樁基礎(chǔ)作為自然接地體，其接地電阻小于0.5 Ω，不必再單獨(dú)敷設(shè)人工接地體。

升壓站35 kV及以上電纜均設(shè)置接地保護(hù)箱，采用接地銅纜按相關(guān)規(guī)范進(jìn)行金屬護(hù)層接地保護(hù)設(shè)計(jì)。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)程規(guī)定接地。升壓站內(nèi)敷設(shè)二次專用地網(wǎng)并與主接地網(wǎng)可靠連接，所有二次屏柜均按按規(guī)程規(guī)定與二次地網(wǎng)可靠連接。

2.4 照明系統(tǒng)

海上升壓站設(shè)置正常照明、應(yīng)急事故照明、臨時(shí)應(yīng)急照明和警示照明。

正常照明電源為交流220 V，在每一層不同防火分區(qū)內(nèi)裝設(shè)不同的照明配電箱進(jìn)行供電，在走道、樓梯、出入口、繼?？刂剖?、消防設(shè)備存放處、救生筏存放及登乘處均設(shè)置兩路取自不同回路的電源供電，并且相鄰燈具盡量采用不同照明回路供電。

在控制室、走道、樓梯、消防設(shè)備間、露天甲板及救生筏甲板處設(shè)置應(yīng)急事故照明系統(tǒng)，并安裝一定數(shù)量的帶獨(dú)立蓄電池的安全應(yīng)急燈作為臨時(shí)應(yīng)急照明系統(tǒng)。應(yīng)急事故照明電源為直流逆變成交流220 V，應(yīng)急事故照明時(shí)間按不小于18 h設(shè)計(jì)。臨時(shí)應(yīng)急照明時(shí)間按不小于0.5 h設(shè)計(jì)。另外，根據(jù)相關(guān)管理要求，設(shè)置直升機(jī)懸停助航照明、航標(biāo)警示照明等警示照明系統(tǒng)。

海上升壓站照明燈具均采用適用于海上潮濕及鹽霧惡劣環(huán)境條件的燈具，并加裝機(jī)械防護(hù)，防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP66，防腐等級(jí)達(dá)到WF1。照明設(shè)計(jì)除滿足《火力發(fā)電廠和變電站照明設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DL/T 5390-2007）外，還應(yīng)滿足《海洋平臺(tái)照度要求和測(cè)量方法》（CB/T 3806-1997）和《艦船用照明燈具通用規(guī)范》（CB 1246-1994）及《海上固定平臺(tái)入級(jí)及建造規(guī)范》要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

海上升壓站布置于近海海域，屬環(huán)境潮濕、重鹽霧地區(qū)，且造價(jià)昂貴；所以平臺(tái)上電氣設(shè)備應(yīng)布置緊湊合理，選擇性能優(yōu)越、可靠性高、免維護(hù)或少維護(hù)、能滿足惡劣環(huán)境條件下穩(wěn)定運(yùn)行要求的產(chǎn)品，盡量減少設(shè)備維護(hù)工作量?；诖嗽O(shè)計(jì)原則，本文對(duì)300 MW/220 kV升壓站電氣系統(tǒng)主變壓器選擇及容量確定、主接線方式、短路電流計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用需求進(jìn)行了分析研究，提出的設(shè)計(jì)方法和工程設(shè)計(jì)方案，具有實(shí)際應(yīng)用參考價(jià)值，可為我國(guó)海上風(fēng)電升壓站電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等提供借鑒。