海上風(fēng)電機(jī)組用環(huán)保型交流66kV電氣系統(tǒng)方案設(shè)計與應(yīng)用

李德軍 張旭 呂熹陽 鐘孝泰

受2019年1月開始實(shí)施的風(fēng)電競價上網(wǎng)政策的影響，海上風(fēng)電市場迫切需要優(yōu)化風(fēng)電場開發(fā)成本，尤其是進(jìn)一步降低度電成本。數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)表明，風(fēng)電場在同樣的裝機(jī)規(guī)模下，采用大功率、大兆瓦級機(jī)型能夠減少風(fēng)電機(jī)組的臺數(shù)，帶來總體建設(shè)成本（設(shè)備購置成本、建設(shè)安裝成本等）的有效降低;同時風(fēng)電機(jī)組功率提升后，年發(fā)電量的增加和總運(yùn)維成本的降低也會降低整個風(fēng)電場的度電成本。因此海上風(fēng)電市場將青睞單機(jī)容量更大的風(fēng)電機(jī)組，尤其是對8MW及以上大功率風(fēng)電機(jī)組的本地化開發(fā)和應(yīng)用將成為必然趨勢。

為了承載日益增長的單機(jī)容量規(guī)模，未來幾年海上風(fēng)電場現(xiàn)有主流的交流33kV場內(nèi)集電系統(tǒng)也將逐步轉(zhuǎn)向交流66kV電壓等級。

國內(nèi)外許多相關(guān)的交流66kV場內(nèi)集電系統(tǒng)應(yīng)用的調(diào)研結(jié)果表明，對于大部分深遠(yuǎn)海風(fēng)電場來說，與現(xiàn)有交流33kV系統(tǒng)相比，雖然交流66kV電壓等級的電氣配套組件單價有所增加，但整個系統(tǒng)技術(shù)方案具有更低的綜合成本優(yōu)勢和系統(tǒng)延展性，這主要?dú)w功于66kV技術(shù)方案具有：（1）更靈活的風(fēng)電機(jī)組拓?fù)渎肪€設(shè)計，能顯著減少集電海纜總的用量，從而減輕后續(xù)敷設(shè)的工作量和敷設(shè)難度（更少的電纜交錯敷設(shè)和J-tube的使用）：同時也能降低集電海纜用海面積，這也意味著海纜路由的審批更加容易;（2）更高的線路電壓，帶來更低的線路有功損耗，系統(tǒng)長期運(yùn)行產(chǎn)生的總線損顯著減低，從而提升了風(fēng)電場的電能送出效率和效益;（3）更大的系統(tǒng)承載容量，對于大容量風(fēng)電場來說，可以采用更少的海上升壓平臺來滿足風(fēng)電機(jī)組電力的匯聚和送出（預(yù)計700MW以內(nèi)的風(fēng)電場可通過單個66kV/220kV海上升壓變電站向陸上電網(wǎng)傳輸）。

但對于交流66kV系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用還存在明顯的局限性。目前國內(nèi)該系統(tǒng)只在東北地區(qū)的陸上電網(wǎng)有一定的應(yīng)用，相關(guān)的電氣設(shè)備缺乏在海上工況下的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。而在國際上，一些設(shè)備制造商陸續(xù)推出了用于海上風(fēng)電集電系統(tǒng)的66kV電氣系統(tǒng)設(shè)備，但主要還是采用常規(guī)的礦物油絕緣技術(shù)、SF6滅弧和絕緣技術(shù)等非環(huán)保型技術(shù)方案。隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)和各國政府對溫室氣體排放的控制日益嚴(yán)苛，環(huán)保型交流66kV集電系統(tǒng)設(shè)備具有較大的市場需求。

本文就某結(jié)合多年的研究和試驗(yàn)推出、基于環(huán)保設(shè)計理念、專門用于大功率風(fēng)電機(jī)組的交流66kV電氣系統(tǒng)技術(shù)方案進(jìn)行解析。該技術(shù)方案包括了一款可裝于風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙或風(fēng)塔內(nèi)部的66kV/8-12MW的油浸式變壓器和一臺可安裝在風(fēng)塔內(nèi)部的66kV/25kA緊湊的GIS開關(guān)設(shè)備。其中變壓器采用了可自然降解的合成酯，而不是常規(guī)礦物油作為絕緣介質(zhì)，而GIS開關(guān)設(shè)備也與傳統(tǒng)的基于SF6技術(shù)的GIS不同，它采用了潔凈空氣（79.5%N2+20.5%O2）絕緣技術(shù)和真空斷路器滅弧技術(shù)，不會產(chǎn)生任何溫室氣體的排放和泄漏，這些環(huán)境友好型的設(shè)計使得整個電氣系統(tǒng)契合了風(fēng)電作為一種清潔能源的環(huán)保理念。

66kV油浸式變壓器

對于66kV的干式變壓器來說，其體積和重量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)常用的35kV干式變壓器，這使得66kV干式變壓器很難在風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)有限的空間內(nèi)進(jìn)行布置，而輕量化和緊湊型66kV油浸式變壓器（圖2為一臺8.7MW油浸式變壓器）則很好地解決了這一難題。油浸式變壓器的容量可以依據(jù)所接入風(fēng)電機(jī)組容量的不同進(jìn)行設(shè)計調(diào)整，目前最大額定功率已達(dá)到12MWo在產(chǎn)品功能方面，新型66kV油浸式變壓器不僅通過了IEC 60076-1規(guī)定的型式試驗(yàn)的認(rèn)證，還通過了IEC 60076-1所列所有特殊試驗(yàn)的驗(yàn)證。其主要的設(shè)計和技術(shù)特點(diǎn)如下：

一、空間緊湊型設(shè)計

通常來說，風(fēng)電機(jī)組的機(jī)艙和塔筒內(nèi)的空間都非常有限，因此變壓器的尺寸需要設(shè)計得盡可能小，空間體積盡可能緊湊。新一代的油浸式變壓器不僅可以安裝在風(fēng)塔中，也可以懸掛安裝在風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙中，從而可進(jìn)一步優(yōu)化塔筒內(nèi)的設(shè)備布置空間。

二、耐高溫和環(huán)保型設(shè)計

結(jié)合強(qiáng)油冷卻（KFWF）技術(shù)，絕緣材料采用芳綸基高溫絕緣材料，而不是絕緣紙來增強(qiáng)變壓器的高溫絕緣性能是新型油浸式變壓器的另一個特點(diǎn)。新型油浸式變壓器采用IEC 61100/61039規(guī)定的K級防火合成酯，其燃點(diǎn)超過300°C，可以比礦物油在更高的溫度下運(yùn)行，且變壓器運(yùn)行時酯油不易轉(zhuǎn)化成氣體，油箱爆裂的風(fēng)險幾乎為零，因此提高了產(chǎn)品的耐高溫性能和使用壽命。圖3給出了合成酯、天然酯和礦物油的閃點(diǎn)及燃點(diǎn)，可以看出酯類油比礦物油的閃點(diǎn)和燃點(diǎn)溫度分別高出近一倍，因此具有更優(yōu)的耐高溫性能和防爆防火性能。

近些年，合成酯或天然酯已在國內(nèi)外高電壓大容量的電力變壓器上有廣泛的應(yīng)用（圖4為容量為300MVA、電壓為420kV的酯類油變壓器），其技術(shù)和安全可靠性得到了實(shí)踐的檢驗(yàn)。與常規(guī)變壓器采用的礦物絕緣油相比，酯類絕緣油在自然環(huán)境下可降解，即使泄漏也不會對環(huán)境產(chǎn)生污染。圖5顯示了合成酯、天然酯和礦物油的降解周期比較，酯類油在30天內(nèi)基本可完全降解，而礦物油則只降解了不到20%。所以與傳統(tǒng)礦物絕緣油變壓器相比，新型油浸式變壓器的環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)，也更環(huán)保。

三、兼顧海洋工況的增強(qiáng)型功能設(shè)計

盡管安裝在戶內(nèi)（機(jī)艙或塔筒內(nèi)），但在設(shè)計上，變壓器仍須具有耐受海上惡劣環(huán)境的能力，如抗高鹽度和高濕度空氣腐蝕的能力、抗風(fēng)和海浪引起的風(fēng)電機(jī)組振動及擺動的能力等。采用全密封型的外殼設(shè)計、嚴(yán)格的殼體焊接加工、全面的箱體探傷測試和增強(qiáng)的表面涂裝等改善工藝，能夠加強(qiáng)海上變壓器的防腐和抗振性能，并使其滿足ISO的C4H級要求。同時通過額外的振動試驗(yàn)也可進(jìn)一步驗(yàn)證變壓器的抗振性能，如新型66kV油浸式變壓器順利通過的1500次X-Y-Z方向上3g的振動臺加速度試驗(yàn)。

此外，水分是影響變壓器絕緣性能及壽命的關(guān)鍵因素。絕緣材料在生產(chǎn)和使用中不可避免地會吸收水分，而絕緣材料中的水分越高，越容易使其加速老化。酯類絕緣油具有很強(qiáng)的吸水性（圖6為酯類油和礦物油吸水速度的對比），能夠吸收依附在絕緣材料中的水分，使絕緣材料保持干燥，降低絕緣材料的老化速度：雖然這些水分會造成酯類絕緣油本身的含水量上升，但這對其擊穿電壓的影響幾乎可以忽略不計。如圖7所示，只有當(dāng)含水量接近600ppm，酯類絕緣油的擊穿電壓才會有顯著下降，而這個值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)里對含水量的要求;與在礦物油中相比，酯類油中絕緣紙的老化速度慢了近45%（圖8）：經(jīng)驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)采用礦物油的變壓器相比，采用酯類絕緣油的變壓器的維護(hù)需求更低，使用壽命更長，更適用于海上工況。此外，變壓器還配備了免維護(hù)呼吸器，所以即便在全密封失效后，呼吸器還能保證變壓器油不受潮，從而保證變壓器的壽命。

66kV GIS開關(guān)設(shè)備

風(fēng)電機(jī)組內(nèi)66kV開關(guān)設(shè)備主要用于升壓變壓器和風(fēng)電機(jī)組集電電纜之間的連接，對風(fēng)電機(jī)組電氣主回路進(jìn)行投切、控制和保護(hù)。由于SF6具有卓越的絕緣性能和滅弧性能，因此在傳統(tǒng)高壓開關(guān)產(chǎn)品（>52kV）中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在GIS開關(guān)產(chǎn)品中。但同時作為一種全球變暖潛能GWP高達(dá)23900的溫室氣體，SF6對環(huán)境的負(fù)面影響也為人們所詬病。推進(jìn)電力開關(guān)設(shè)備SF6氣體替代技術(shù)也被中國政府納入非CO2類溫室氣體減排的重要措施中;在國際上，出于環(huán)保考慮，各國政府也都在限制含氟類氣體，尤其是SF6的使用。因此為了滿足風(fēng)電場的系統(tǒng)電壓升級需求和日益嚴(yán)苛的環(huán)保減排要求，該66kV GIS開關(guān)采用了潔凈空氣絕緣和真空斷路器滅弧技術(shù)，其設(shè)計考量和技術(shù)特點(diǎn)主要有如下幾點(diǎn)：

一、環(huán)保型設(shè)計理念

作為GIS開關(guān)設(shè)備絕緣介質(zhì)的潔凈空氣是由79.5%的N2和20.5%的O2組成的合成氣體。表1給出了潔凈空氣與SF6主要?dú)怏w特性的比較：與SF6相比，潔凈空氣的全球變暖潛值GWP（Global Warming Potential）為零，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的CO2零排放，同時其臭氧消耗潛值ODP（Ozone DepletionPotential）也為零：可以保持長期運(yùn)行的化學(xué)穩(wěn)定性（滅弧時伴隨高可逆的電離分解，使得隔離開關(guān)和接地開關(guān)始終具有足夠的滅弧性能和絕緣性能）;其低溫適應(yīng)性強(qiáng)，在低至-55°C的環(huán)境低溫下不液化;自身不易燃，帶來更低的防火成本;材料兼容性優(yōu)異，不會給設(shè)備的其他部件帶來負(fù)面影響;無氣體回收需求，處理更便捷，回收成本低;此外其自身和燃弧后的化學(xué)分解物均無物理毒性，無通風(fēng)要求，更安全環(huán)保。雖然同等氣壓下潔凈空氣只具備約43%的SF6絕緣強(qiáng)度，但通過對充氣壓力和部件尺寸的設(shè)計優(yōu)化以及電場的精準(zhǔn)控制，就能夠獲得足夠的絕緣配合水平，從而滿足GIS設(shè)備的絕緣性能要求。

二、成熟可靠的真空滅弧技術(shù)

從20世紀(jì)70年代開始，由于優(yōu)異的滅弧性能、高機(jī)械壽命和高可靠的免維護(hù)性能，真空滅弧室逐步在中壓配網(wǎng)領(lǐng)域（≤40.5kV）成為主流應(yīng)用。近些年，隨著產(chǎn)品設(shè)計軟件能力增強(qiáng)、零部件材料改進(jìn)和生產(chǎn)工藝優(yōu)化，單斷口高壓真空滅弧室也逐步被開發(fā)和應(yīng)用于高壓輸電電網(wǎng)。圖9比較了常規(guī)SF6自能式滅弧室與真空滅弧室在觸頭結(jié)構(gòu)和燃弧時的不同。與SF6滅弧室相比，真空滅弧室主要優(yōu)點(diǎn)有：

（1）高可靠性：使用了密封封裝的真空斷路器消除了來自外部的影響，沒有任何分解物，從而不會引起系統(tǒng)絕緣的劣化。

（2）高短路開斷次數(shù)：燃弧時間短、電弧擴(kuò)散且弧電壓低，對觸頭的燒蝕少，因此在產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)對額定電流的開斷和額定短路電流的開斷次數(shù)更高。

（3）尤其適用于低溫環(huán)境和需頻繁操作的應(yīng)用場景。

（4）因?yàn)檎婵諣顟B(tài)下觸頭不會氧化，觸頭系統(tǒng)的接觸電阻非常小，通流后的溫升小。

（5）高可利用性：高自動化的批量生產(chǎn)工藝，排除人為的裝配失誤。

三、緊湊型的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本66kV環(huán)保型GIS是專門為了滿足大功率風(fēng)電機(jī)組的應(yīng)用而設(shè)計的。為了適應(yīng)風(fēng)電塔內(nèi)有限的安裝空間，其被設(shè)計得非常緊湊：首先采用了體積較小（高度更低）的真空滅弧室，而不是常規(guī)的SF6滅弧室來降低整個GIS間隔的高度：其次將隔離開關(guān)和接地開關(guān)等所有功能模塊都整合在斷路器氣室中，形成單一的氣室結(jié)構(gòu)，這樣設(shè)計不僅減少了設(shè)備零部件的數(shù)量和整體重量，減少了設(shè)備部件問拼接面的數(shù)量（從而降低了整間隔漏氣的風(fēng)險），而且可實(shí)現(xiàn)整間隔生產(chǎn)和試驗(yàn)，便于設(shè)備的后續(xù)運(yùn)輸和現(xiàn)場安裝。

四、兼顧功能和安全的組件設(shè)計

風(fēng)電機(jī)組內(nèi)開關(guān)設(shè)備主要是電纜進(jìn)出線，分別連接發(fā)電側(cè)的變壓器和網(wǎng)側(cè)的集電電纜，因此本66kV GIS采用變換多樣的電纜進(jìn)出線布置來滿足風(fēng)電場內(nèi)電纜的連接需求。斷路器采用電動彈簧儲能機(jī)構(gòu)作為操作動力，同時考慮到風(fēng)電機(jī)組間集電電纜的長度（幾百米到幾公里不等）及其較高的對地電容（約為同等長度常規(guī)陸上架空線路的十幾倍），其電纜充電電流開合水平和延長電壽命設(shè)計水平分別達(dá)到c2和E2等級要求，功能上完全契合了風(fēng)電系統(tǒng)的特殊運(yùn)行工況。整合在斷路器氣室中的隔離開關(guān)和接地開關(guān)均采用三工位結(jié)構(gòu)，可配置多達(dá)3個三工位開關(guān)，其中下部接地開關(guān)配有電動彈簧儲能機(jī)構(gòu)，在下部網(wǎng)側(cè)線路發(fā)生故障時可對設(shè)備提供快速的接地保護(hù)。此外氣室頂部還配備了一個防爆膜作為壓力釋放裝置，進(jìn)一步提升了設(shè)備整體的安全性能。所有電纜艙采用了與中壓環(huán)網(wǎng)柜電纜艙相似的設(shè)計，每個艙室中每相可并聯(lián)安裝多達(dá)3個用于電纜和/或避雷器連接的F3型T接插頭，滿足多樣的集電電纜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其接線要求，并依照IEC 62271-200的試驗(yàn)要求進(jìn)行了電纜艙內(nèi)部燃弧型式試驗(yàn)（25kA/Is）來進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計的安全性。此外在電纜艙室中還可以安裝用于系統(tǒng)測量和保護(hù)的電流互感器和電壓指示裝置。

與變壓器的設(shè)計理念一樣，為了滿足海上特殊運(yùn)行工況要求，通過對GIS零部件涂層厚度（如殼體油漆）和對材料（如控制柜不銹鋼）等的特殊要求、在工廠部件裝配過程中對密封拼接面和外露金屬部件等的特殊防腐工藝要求和控制、工廠出運(yùn)前/現(xiàn)場安裝后的涂層修補(bǔ)措施等來保證GIS的防腐性能。在防腐性能方面除了滿足相關(guān)IEC標(biāo)準(zhǔn)的要求，其保護(hù)等級也達(dá)到了ISO C4H級，并通過了ISO標(biāo)準(zhǔn)要求的諸如鹽霧腐蝕試驗(yàn)、樣塊冷凝水氣候測定、耐含二氧化硫潮濕空氣測定以及油漆附著力檢測等多項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)。

對于抗振性能，通過在產(chǎn)品設(shè)計初期對該GIS的布置結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)的受力計算來確定GIS安裝基礎(chǔ)、鋼結(jié)構(gòu)支撐等所需的設(shè)計強(qiáng)度及后續(xù)安裝固定工藝要求。如斷路器底座鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的受力計算需要考慮開關(guān)設(shè)備自身重量的靜載荷、熱膨脹載荷、導(dǎo)體張力、斷路器操作力、擺動/振動三維受力載荷，甚至是內(nèi)部燃弧故障作用力等各種因素。這些考量和設(shè)計計算都保證了該66kV GIS設(shè)備具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和抗振性能。此外還通過X-Y-Z方向上的0.5g振動試驗(yàn)驗(yàn)證了其抗振可靠性。

現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)例

2017年9月，丹麥的Nissum Brodning Vind風(fēng)電場安裝了4套該66kV電氣系統(tǒng)。由于風(fēng)電場離岸距離近，4臺7MW風(fēng)電機(jī)組，通過與該66kV電氣系統(tǒng)環(huán)接后再與岸上變電站直連（圖10中兩個紅圈設(shè)備分別是66kV油浸式變壓器和66kV環(huán)保型GIS）。此外在英國的EastAngliaI和荷蘭的Borssele I+II風(fēng)電場，該環(huán)保型的66kV系統(tǒng)設(shè)備也在陸續(xù)交付使用，并實(shí)現(xiàn)部分送電。

結(jié)論

本文所述基于先進(jìn)環(huán)保技術(shù)、為大功率風(fēng)電機(jī)組設(shè)計、緊湊型66kV電氣系統(tǒng)已成功開發(fā)并投放市場。與常規(guī)66kV電氣系統(tǒng)相比，其所采用的合成酯絕緣技術(shù)、潔凈空氣絕緣技術(shù)以及高壓真空滅弧技術(shù)等在保證或提升設(shè)備性能的同時，在設(shè)計和運(yùn)維上實(shí)現(xiàn)了環(huán)境友好，契合了風(fēng)電作為可再生能源的綠色環(huán)保理念。同時首個66kV風(fēng)電場項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)表明，該66kV電氣系統(tǒng)現(xiàn)場安裝簡單、運(yùn)行操作安全可靠。隨著政府和社會環(huán)保減排意識的增強(qiáng)和對海上風(fēng)電開發(fā)力度的增加，國內(nèi)深遠(yuǎn)海風(fēng)電場對場內(nèi)66kV電氣系統(tǒng)的需求也將變得更加迫切，因此該環(huán)保型66kV電氣系統(tǒng)具有巨大的應(yīng)用前景。