淺談海上升壓站和海工船舶電氣系統(tǒng)的差異與共性

曹偉萍

（上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200120）

海上升壓站在設(shè)計和建造方面綜合了陸上發(fā)變電設(shè)施、船舶及海工平臺等相關(guān)規(guī)范，本文作者先后從事過海工船舶和海上升壓站的電氣建造管理，結(jié)合上述工作經(jīng)驗，淺談海上升壓站和海工船舶電氣系統(tǒng)的差異與共性。

1 不同點

1.1 設(shè)計依據(jù)不同

海上升壓站和海工船舶的電氣系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)是截然不同的，通常情況下，海上升壓站依據(jù)的是相關(guān)國家標(biāo)準和行業(yè)規(guī)范，而海工船舶需要滿足相關(guān)國際航運標(biāo)準和船級社規(guī)范，具體區(qū)別已在下方列出。

（1）海上升壓站的電氣系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)主要采用如下規(guī)范和標(biāo)準：《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》GB/T 19963、《風(fēng)力發(fā)電場設(shè)計規(guī)范》GB 51096、《海上風(fēng)力發(fā)電場設(shè)計標(biāo)準》GB/T 51308、《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》GB/T 50065、《繼電保護及安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》GB/T 14285、《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》GB 50116、《電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》DL/T 5044、《220～500kV變電所計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)范》DL/T 5149、《風(fēng)電場工程110～220kV海上升壓變電站設(shè)計規(guī)范》NB/T 31115、《工程建設(shè)標(biāo)準強制性條文電力工程部分》。

（2）入級CCS船舶的電氣系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)主要采用如下規(guī)范和標(biāo)準：《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》《1974年國際海上人命安全公約》《MARPOL73/78防污公約》《1972年國際海上避撞規(guī)則》《船舶電氣設(shè)備安裝工藝》CB/T 3909、《船舶電纜敷設(shè)工藝》CB/T 3908。

1.2 使用功能不同

（1）海上升壓站位于風(fēng)電場的中心，作為風(fēng)電場的現(xiàn)場控制中心，同時也作為風(fēng)電場的應(yīng)急避難場所，將整個風(fēng)場的電能集中升壓通過海纜傳輸至陸地，最終并入電網(wǎng)，簡言之，海上升壓站就是一座靜止的、坐落在海上的變電站。海上升壓站一般以無人值守的標(biāo)準來設(shè)計，但是，通常會設(shè)置幾間臨時休息室，用于前期調(diào)試和后期運維人員使用。主結(jié)構(gòu)通常會設(shè)置四層，用于安裝布置兩大類設(shè)備，一類是用于實現(xiàn)升壓功能的系統(tǒng)設(shè)備，含35kV開關(guān)柜、35kV/220kV變壓器、220kV配電裝置及自動化監(jiān)控系統(tǒng)；另一類是用于升壓站本體運行、通信和安全保障的系統(tǒng)設(shè)備，含站用變壓器、應(yīng)急柴油機、消防設(shè)備、通風(fēng)空調(diào)設(shè)備及通信設(shè)備等。

（2）船舶分為兩大類，即帶動力推進和不帶動力推進，帶動力推進的船是有自航能力的，除此之外，還附有其他功能，例如，常規(guī)的油田守護供應(yīng)船有以下用途：①供應(yīng)海上平臺物資（供應(yīng)泥漿、散料、燃油、淡水、鉆井水及生活用品等）；②提油支持，并能對儲油輪及提油輪進行拖帶、頂推和撈取油管作業(yè)；③協(xié)助平臺移位及就位；④對外消防；⑤為海上平臺提供守護、救援等服務(wù)；⑥回收海面浮油和消除海面油污。因此，船舶是在圍繞自身功能和屬性要求下，配置相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)備。

1.3 高壓系統(tǒng)不同

（1）為了節(jié)約成本，縮短海纜長度，升壓站通常會設(shè)在風(fēng)場內(nèi)偏向登陸點處，整個風(fēng)場的風(fēng)機組先通過35kV海纜接入海上升壓站，升壓至220kV后，再經(jīng)220kV海纜接入陸上集控中心，最后由陸上集控中心并入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，圖1為升壓站高壓系統(tǒng)圖。

圖1 升壓站高壓系統(tǒng)圖

風(fēng)場的規(guī)劃裝機容量決定了海上升壓站的輸送容量，進而決定了升壓站上高壓系統(tǒng)設(shè)備配置，例如，風(fēng)場的規(guī)劃裝機容量為400MW，那么通常會安裝單機容量為4～6MW的風(fēng)機，每4～5臺風(fēng)機串聯(lián)在一起形成風(fēng)機組，風(fēng)機組通過35kV海纜分別連接至升壓站上的35kV開關(guān)柜，因目前市場上成熟的SF6充氣柜最大額定電流為2500A，根據(jù)計算出的工作電流，需在35kV側(cè)設(shè)置2組單母線分段接線，每組單母線分段接線中的兩段母線分別連接至不同的220kV主變低壓側(cè)，正常運行時母聯(lián)開關(guān)斷開，在任何一臺主變發(fā)生故障或檢修時，母聯(lián)開關(guān)閉合，根據(jù)規(guī)范要求，裝機容量大于150MVA，宜安裝2臺主變壓器，因此配置2臺200～220MVA（220/36.75-36.75kV）三相油浸式電力變壓器，主變220kV高壓側(cè)中性點經(jīng)隔離開關(guān)接地，主變35kV低壓側(cè)經(jīng)接地變加小電阻接地。

（2）根據(jù)CCS規(guī)范定義，船舶高壓系統(tǒng)是指額定電壓大于1kV但不超過15kV的交流系統(tǒng)，或者是最高瞬時電壓超過1.5kV的直流系統(tǒng)。常規(guī)燃油船舶的供電是通過柴油發(fā)電機，然后柴油發(fā)電機與主配電板通過船用電纜連接，主配電板對全船設(shè)備進行直接或間接送電，主配電板至少分成2個獨立的分段，每個分段至少由1臺發(fā)電機供電，全船高壓系統(tǒng)設(shè)備選型跟配置主要由以下三點決定：①全船最大負載工況下的電力負荷值；②主配電板銅排上最大短路電流值；③母聯(lián)開關(guān)的檔位選擇，圖2為船舶高壓系統(tǒng)圖。

圖2 船舶高壓系統(tǒng)圖

1.4 接地系統(tǒng)不同

（1）海上升壓站是一座位于海上的變電站，為了確保人身和低壓電氣裝置的安全，因此它的接地系統(tǒng)設(shè)計參照的是《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》。升壓站上接地系統(tǒng)分為工作接地、保護接地、防雷接地、防靜電接地及二次等電位接地，它們共用一個接地極，首先，利用鋼管樁主立柱作為自然接地極，該鋼管樁貫穿升壓站底部至頂部，并與下部導(dǎo)管架焊接連接；其次，在升壓站各層設(shè)置接地網(wǎng)，該接地網(wǎng)一般由銅排組成，所有用電設(shè)備均應(yīng)通過接地電纜或銅排連接至就近的接地網(wǎng)；最后，接地網(wǎng)與鋼管樁進行連接，形成完整的電氣通路，升壓站上的接地電流通過鋼管樁直接引入大海。

低壓系統(tǒng)采用三相五線制，接地類型為TN-S，PE線和N線分開，用電設(shè)備需雙重接地，具體見圖3升壓站低壓系統(tǒng)接地圖。

圖3 升壓站低壓系統(tǒng)接地圖

海上雷電活動頻繁，且升壓站頂部布置很多通信天線以及吊機等設(shè)備，因此，為了保護頂部設(shè)備，設(shè)置多根避雷針形成聯(lián)合保護，避雷針底部通過銅纜或銅排連接至鋼管樁。

（2）船舶的接地系統(tǒng)相對簡單，根據(jù)船舶行業(yè)標(biāo)準CB/Z 132，所有用電設(shè)備的金屬本體需根據(jù)實際情況進行有效接地，額定電壓不超過AC30V和DC50V的除外。接地分為金屬連接和導(dǎo)線連接，金屬連接可采用齒形墊圈，以此實現(xiàn)金屬本體和船體之間的有效接地，導(dǎo)線連接可采用銅線，以此實現(xiàn)金屬本體與船體之間的有效接地。常規(guī)船舶上的低壓系統(tǒng)采用三相四線制，接地類型為TN-C，PE線和N線是合并的。電纜兩端都要進行有效接地，最終分支電路由供電端接地，通信、儀表及本質(zhì)安全電路的電纜只要一端接地，具體見圖4船舶低壓系統(tǒng)接地圖。

圖4 船舶低壓系統(tǒng)接地圖

2 共同點

2.1 供電方式

（1）海上升壓站的主電源是風(fēng)機組，常規(guī)燃油動力船舶的主電源是柴油發(fā)電機組，它們的主電源應(yīng)至少由兩路風(fēng)機組或發(fā)電機組組成，當(dāng)其中任何一路斷電或者故障，另外一路能夠合閘供電，保證設(shè)備正常運行。兩路主配電段分別通過變壓器降壓至低壓，形成低壓配電段，同時設(shè)置應(yīng)急發(fā)電機提供應(yīng)急電源，形成應(yīng)急配電段。當(dāng)任意一低壓配電段斷電或者故障，則合上母聯(lián)開關(guān)，由另一低壓配電段供電，如兩個低壓配電段均失電時，則啟動應(yīng)急發(fā)電機組，由應(yīng)急配電段對應(yīng)急負荷及重要負荷供電，圖5為低壓配電系統(tǒng)圖。

圖5 低壓配電系統(tǒng)圖

（2）在以上配電裝置基礎(chǔ)上，還應(yīng)設(shè)置至少兩套互為備用的蓄電池組和一套UPS不間斷電源，用來保證在所有配電段失電時，控制、通信、火警和應(yīng)急照明等重要系統(tǒng)能夠正常工作，因此，無論是海上升壓站還是常規(guī)燃油動力船舶，它們的供電方式是基本一致的。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)

（1）海上風(fēng)電場一體化監(jiān)控系統(tǒng)在控制方面分四級控制：第一級為各風(fēng)機、主變、柴發(fā)等設(shè)備本地控制，第二級為海上升壓站內(nèi)控制室監(jiān)控系統(tǒng)控制，第三級為陸上控制中心的海上風(fēng)電場一體化監(jiān)控系統(tǒng)，第四級為遠程中心集中監(jiān)控。級別依次為第一級優(yōu)先，第二級次之，第三級再次之，第四級再次之。

（2）有“AUT-0”標(biāo)志的船舶，在正常航行時，推進機械裝置由駕駛室控制站進行遙控，若駕駛室操縱系統(tǒng)發(fā)生故障，可轉(zhuǎn)至集控室控制站進行遙控，若集控室操縱系統(tǒng)發(fā)生故障或需在機旁操縱時，可轉(zhuǎn)至機旁進行應(yīng)急操縱。級別依次是本地機旁優(yōu)先，集控室操作次之，駕駛室遙控再次之。

綜上所述，海上升壓站和自動化等級高的船舶，它們的監(jiān)控邏輯是一致的，均是本地優(yōu)先，遠程次之，從而滿足無人值守和無人值班駕駛的需求。

2.3 無線通信、應(yīng)急通信

海上升壓站和船舶均要滿足GMDSS規(guī)則的各項要求，至少需要配置以下設(shè)備，即2臺雙向甚高頻（VHF）無線電話設(shè)備、2臺雷達應(yīng)答器、1套能發(fā)送和接收的VHF無線電裝置、1套能在VHF-70頻道上保持連續(xù)DSC值班的無線電裝置、1臺NAVTEX航行警告接收機、1臺EPIRB衛(wèi)星應(yīng)急無線電示位標(biāo)、若干只手持式對講機。在滿足以上配置外，還要根據(jù)海上升壓站坐落的海域位置和船舶航行的海區(qū)及自身噸位大小，結(jié)合GMDSS規(guī)則中的規(guī)范標(biāo)準和用戶使用需求，額外配置相應(yīng)數(shù)量的無線電和應(yīng)急通信設(shè)備。

2.4 照明系統(tǒng)

（1）照明系統(tǒng)分為正常工作照明和應(yīng)急照明，通常情況下，應(yīng)急照明作為正常工作照明使用。正常工作照明由主配電段一路供電，而應(yīng)急照明分別由主配電段和應(yīng)急配電段雙路供電，在重要場所、房間及通道處均設(shè)置應(yīng)急照明，同時應(yīng)急照明燈具自帶蓄電池，當(dāng)失電時先通過自身蓄電池進行供電，待柴發(fā)啟動后自動切換到應(yīng)急配電段供電。

（2）海上升壓站和船舶上的燈具均選用船用型燈具，其中應(yīng)急燈具需有應(yīng)急標(biāo)識，類似柴油發(fā)電機室、蓄電池室有爆炸危險區(qū)域的燈具應(yīng)采用防爆型。

2.5 低壓電纜敷設(shè)及防火封堵

（1）海上升壓站的電壓等級一般分為35kV以上和1kV以下，而船舶的電壓等級一般不超過15kV，對于海上升壓站1kV以下的低壓電纜和船舶電纜均采用船用低煙、無鹵阻燃電纜，其中消防系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)、應(yīng)急電源等重要回路采用船用耐火型電纜。電纜均敷設(shè)于電纜橋架上，在特殊區(qū)域需要穿鋼管或軟管，電力電纜、控制電纜及通信電纜應(yīng)分層或分開敷設(shè)，在同一通道內(nèi)電纜較多時或者同一側(cè)多層支架上，宜按電壓等級由高至低的電纜“由上而下”的順序排列。

（2）所有電纜穿甲板開孔、電纜穿艙壁開孔時應(yīng)采用防火、防水、氣密封堵模塊進行封堵，少量部位采用阻火包、防火堵料、防火隔板進行封堵，在電纜橋架分支處設(shè)置阻火措施。

3 結(jié)語

船舶建造發(fā)展歷史悠久，因此它有成熟健全的規(guī)范和標(biāo)準，而海上升壓站發(fā)展起步晚，雖然近幾年出臺了相關(guān)設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準，但是，在設(shè)計方面會參考相關(guān)船舶規(guī)范，在建造方面也會使用船用型設(shè)備及材料，隨著綠色能源的大力發(fā)展，希望未來海上風(fēng)電的設(shè)計和建造標(biāo)準越來越成熟，做優(yōu)做強風(fēng)電事業(yè)。