300 MW/220 kV海上升壓站電氣一次設計研究

王建楹，郝登運，武雪林，巴忠鐳

(中國船舶集團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電場中各風機所發電能進行集中升壓轉換并遠程傳輸到岸上的電力輸變電系統裝置。它既是海洋工程裝備、又是電力設備，具有高壓電氣設備和二次設備混裝、結構空間狹小、內外部環境惡劣等顯著特點。相比路基升壓站，海上升壓變電站的安全性能要求和運維難度及成本要高得多，而且其設計技術及工程應用情況尚需運營時間的檢驗[1]。

海上風電場的升壓變電站設置主要有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+海上綜合平臺形式[2]。本設計以大連海域某300 MW海上風電場建設為應用目標，采用海上升壓站+陸上集控中心設置方案，將實現升壓主功能的設備組成電氣一次，將實現監控與通信主功能的設備組成電氣二次，采用無人值守、遠程值班方式運行。以此工程案例，對海上升壓站電氣系統的設計與優化、電氣性能和技術指標的選擇與確定、電氣設備的配置、選型與布置等進行分析研究。

1 升壓站電氣一次技術設計關鍵問題研究

1.1 主變壓器選型

主變壓器是海上升壓站的核心設備，其選型影響著整個風電場的電氣特性、安全性與經濟性，影響升壓站的總體結構布局，決定上部結構的體積和重量[3]。主變選型的基本依據是相關國標（GB）和電力行業標準（DL）及IEC標準，主要是從主變相數、繞組、調壓、絕緣與冷卻方式等方面進行分析和選擇。

1）相數選擇

主變可以采用三相變壓器，一般容量在300 MW左右的海上風電場，需裝設2臺以上的變壓器以滿足運維時可保證至少1臺主變工作，避免造成風電場停運的災難。主變也可以采用3個單相變壓器構成的變壓器組完成相應的電能傳輸任務，但為滿足運維要求，還需配置一個備用單相變壓器。因此，升壓站的內部接線及運行控制會比采用三相變壓器更復雜。

2）繞組數量

主變可以采用雙繞組變壓器或分裂變壓器，一般要結合短路電流校驗來確定繞組數量。選前者優點是設計簡單、價格低，后者則有更好的電氣特性，尤其是分裂繞組的2個分支可以獨立運行、互為備用，提高變電站運營的可靠性。

3）調壓方式

主變采用有載調壓方式，無論是恒磁通調壓或變磁通調壓方式，都可適當降低無功補償設備容量。但電網對并網風電場無功調節響應速度有一定的要求，如國家電網公司Q/GDW 1878-2013規定，風電場調壓時無功補償裝置的響應時間應不大于2 s，而變壓器分接頭調壓不能滿足這一要求，仍然需裝設其他類型的無功補償設備[4]。

4）冷卻方式

一般分為自然風冷自然油循環、強迫風冷自然油循環、強迫風冷強迫油循環、強迫風冷導向油循環4種方式。自然油循環不帶油泵，自然風冷是最理想的全自然冷卻，但造價高；強迫風冷帶風扇，在風扇檢修時會壓負荷。強迫或導向油循環帶油泵和風扇，油泵密封在變壓器油箱內運行，其可靠性有待驗證，檢修也影響運行。

5）絕緣方式

有油絕緣與氣體絕緣2種方式，主變應能抵抗突發短路事故而不造成線圈損壞，絕緣結構可靠，局放水平低。油浸式變壓器的絕緣方式與鐵芯結構及器身結構有關，對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，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、有載調壓、自然風冷自然油循環、油浸式電力變壓器。

1.2 電氣主接線

1）容量選擇

根據《風力發電場設計技術規范》（DL/T5383-2007）要求，主變容量可以與風電場的裝機容量相同。原則上無論主接線是哪種方式，主變容量均應按風電場的裝機容量扣除集電系統的功率損耗及風電場自用負荷后，留10%左右的裕度來確定。但風力發電具有較大的波動性，典型海上風電場全年中的滿發時間約占10%，輸出功率低于20%裝機容量的情況占50%以上，風電場的年平均輸出功率約為裝機容量的33%。因此，根據風電場裝機容量進行升壓站容量選擇及設備配置將會導致主變長期處于低載荷狀態[5]。為了充分利用海上風電場的功率輸出特性，降低海上升壓站的建造及運維成本，需要對主變數量及容量合理選擇。

根據既往風電場運維經驗，主變要設置2臺以上為宜，本設計風電場裝機容量為300 MW，綜合考慮技術經濟性和安全可靠性等因素，主變設置為相同的2臺。

每臺主變的容量原則上可選擇等于風電場裝機容量的50%，考慮10%的裕度，可按風電場容量的60%配置，則單臺容量為180 MVA，是國內變電工程中的標準容量。根據IEC相關規定，主變可以在1.3倍的自冷額定容量下過負荷運行而不損傷壽命[6]，此時單臺主變的容量可達到風電場容量的近80%，可滿足風電場50%以上時間的運行需要。

2）主接線方案

按照主接線有無匯流母線的設置情況，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]。本設計海上升壓站通過1回220 kV海纜送至岸上，登陸后經220 kV架空線路送至陸上集控中心。根據《220 kV～750 kV變電所設計技術規程》（DL/T5218-2012）要求，一般性質的220 kV變電所的配電裝置，出線回路數在4回及以下時，可采用其他簡單的主接線。

升壓站安裝2臺容量均為180/90-90 MVA的220/35-35 kV分列繞組變壓器。主變低壓35 kV側為單母線4分段接線，規劃安裝35 kV開關柜，分別為10回風機回路進線、4回主變出線、2回接地變進線、2回接地變兼站變進線、4面母線設備柜、2面分段斷路器柜及2面分段隔離柜；主變高壓側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中性點為有效接地系統。

1.3 短路電流計算

本風電場工程設計安裝60臺、單機容量5 MW風機，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側的海纜線路長度約為20 km，陸上集控中心設置于系統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來計算，取基準容量為100 MVA，取短路點平均工作電壓Uj=230 kV，37 kV，0.72 kV[8]。

主變按照雙分裂繞組變壓器進行短路電流計算校核，變壓器參數按照全穿越16%、半穿越30%、Kf=3.5考慮，短路計算時將風機的次暫態短路電流暫按風機額定電流的6倍計。短路電流計算電氣等值阻抗如圖1所示，短路電流計算結果如表1所示。

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

根據表1短路電流計算結果可知，主變為分裂繞組變壓器時，35 kV母線發生故障的短路電流為12.48 kA和14.27 kA，小于20 kA，滿足風機配套35 kV環網柜額定短時耐受電流水平要求。

表1 短路電流計算結果Tab. 1 Short circuit current calculation results

2 升壓站電氣一次設備配置設計

2.1 電氣一次主要設備選擇

本升壓站工程設計，采用220 kV主變壓器，220 kV GIS設備，35 kV動態無功補償裝置（置于岸上集控中心），35 kV高壓開關柜，高壓電抗器，0.4 kV低壓柜，35 kV接地變壓器以及站內用變壓器，柴油發電機組，照明系統等組成電氣一次，實現升壓主功能設計。電氣一次主要設備選擇設計如表2所示。

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

升壓站運行電壓的波動一般小于額定電壓的1.15倍，電氣設備允許的最高工作電壓一般可滿足要求。因此，電氣設備的額定電壓按不低于裝置地點電網額定電壓的條件選擇，容量參數則根據主接線形式和設備來考慮。

220 kV主變選用三相有載調壓分裂繞組變壓器，并采用自冷方式、散熱器分離設計安裝。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、戶內布置的GIS設備。

35 kV配電裝置選用結構更加緊湊的C-GIS交流金屬封閉氣體絕緣開關柜。

2.2 升壓站過電壓保護

海上升壓站平臺為全鋼結構建筑，在甲板頂部設置小型避雷針和桁架式甲板支撐鋼結構可作為直擊雷保護的接閃裝置。電氣設備除主變散熱器外均采用戶內布置，為防止工頻過電壓以及操作過電壓對電氣設備的侵害，在升壓站的220 kV出線和220 kV中性點設置氧化鋅避雷器；在各風機組開關的進線處設置氧化鋅避雷器，35 kV母線也均配置氧化鋅避雷器。為防止線路發生單相接地故障時，因單相接地電容電流過大引起弧光過電壓，升壓站的35 kV系統采用小電阻接地方式。

氧化鋅避雷器的技術參數按照《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》（GB/T 50064-2014）、《交流無間隙金屬氧化鋅避雷器》（GB11032-2010）的規定確定。

2.3 接地裝置

海上升壓站接地電阻應符合《交流電氣裝置的接地設計規范》（GB/T50065-2011）要求。由于升壓站平臺鋼管樁插入海床深達數十余米，可將鋼結構升壓平臺的鋼樁基礎作為自然接地體，其接地電阻小于0.5 Ω，不必再單獨敷設人工接地體。

升壓站35 kV及以上電纜均設置接地保護箱，采用接地銅纜按相關規范進行金屬護層接地保護設計。升壓站內所有配電裝置及電氣設備的金屬外殼、底座及電纜支架等金屬部分均按規程規定接地。升壓站內敷設二次專用地網并與主接地網可靠連接，所有二次屏柜均按按規程規定與二次地網可靠連接。

2.4 照明系統

海上升壓站設置正常照明、應急事故照明、臨時應急照明和警示照明。

正常照明電源為交流220 V，在每一層不同防火分區內裝設不同的照明配電箱進行供電，在走道、樓梯、出入口、繼保控制室、消防設備存放處、救生筏存放及登乘處均設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、消防設備間、露天甲板及救生筏甲板處設置應急事故照明系統，并安裝一定數量的帶獨立蓄電池的安全應急燈作為臨時應急照明系統。應急事故照明電源為直流逆變成交流220 V，應急事故照明時間按不小于18 h設計。臨時應急照明時間按不小于0.5 h設計。另外，根據相關管理要求，設置直升機懸停助航照明、航標警示照明等警示照明系統。

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境條件的燈具，并加裝機械防護，防護等級達到IP66，防腐等級達到WF1。照明設計除滿足《火力發電廠和變電站照明設計技術規定》（DL/T 5390-2007）外，還應滿足《海洋平臺照度要求和測量方法》（CB/T 3806-1997）和《艦船用照明燈具通用規范》（CB 1246-1994）及《海上固定平臺入級及建造規范》要求。

3 結 語

海上升壓站布置于近海海域，屬環境潮濕、重鹽霧地區，且造價昂貴；所以平臺上電氣設備應布置緊湊合理，選擇性能優越、可靠性高、免維護或少維護、能滿足惡劣環境條件下穩定運行要求的產品，盡量減少設備維護工作量。基于此設計原則，本文對300 MW/220 kV升壓站電氣系統主變壓器選擇及容量確定、主接線方式、短路電流計算等關鍵技術問題，根據實際工程應用需求進行了分析研究，提出的設計方法和工程設計方案，具有實際應用參考價值，可為我國海上風電升壓站電氣系統設計制造、運營維護等提供借鑒。