DQZHAN技術訊：海上升壓變電站設計及建造研究

摘 要：針對我國海上風電的發展特點，對國內外現有海上升壓站的設計、建造進行了簡要分析，旨在為后續類似項目設計、建造提供指導。

早在20世紀**十年代，歐洲就開始陸續修建海上風電場項目，在海上風電場輸變電技術方面積累了不少工程經驗。而我國2000年以前的項目均沒有設置海上升壓站，隨著我國海上風電的發展， “十三五”期間，我國將進入海上風電規模化發展期，要開發建設離岸距離遠(大于12 km)、容量較大(200～400 MW)的海上風電場，而這些風電工程均需設置海上升壓站 。

1、設計概況

1.1 海上升壓站類型

根據風電場選址，針對不同的施工水平及環境條件，形成了兩種模式的海上升壓站結構——模塊裝配式海上升壓站結構和整體式海上升壓站結構。模塊裝配式海上升壓站是將升壓站分為若干個模塊，如變壓器模塊、高壓模塊、中壓模塊、站用電模塊、輔助系統模塊、控制模塊等，每個模塊都采用鋼結構，在陸上組裝廠制作，在陸上完成模塊內的設備安裝調試，然后各模塊單獨運至現場起吊并就位，各模塊安裝完成后現場再進行各模塊之間的連接。整體式海上升壓站是將整個升壓站上部結構作為一個整體，在陸上組裝廠完成整個升壓站的制造、設備安裝和調試，然后整體運至現場，采用大型起重船安裝。選擇何種方式取決于工程的實際施工、運輸條件和能力。

上海振華重工(集團)股份有限公司負責建造的**座中廣核如東150 MW海上風電場示范項目海上升壓站、華能如東300 MW海上風電場工程110 kV海上升壓站以及江蘇濱海300 MW海上風電場項目工程220 kV海上升壓站均為整體式海上升壓站。

1.2 設計總則說明

根據《Offshore substations for wind farms》(DNV-OS-J201)的分類，海上升壓站一般分為無人操作的海上升壓站(A類)、臨時或者長期有人操作駐守的海上升壓站(B類)以及無人操作的海上升壓站平臺加一個生活平臺(C類)。通常情況下，離岸距離近一些的中小型交流海上升壓站選擇A類，離岸距離近一些的大型交流海上升壓站或者直流海上升壓站選擇B類，海上風電場連續分期建設時可選擇C類。

2、結構設計方案

海上升壓站結構設計包括上部結構、下部支撐結構設計。以220 kV海上升壓站為例，目前國內建成的或者是在建的項目，220 kV海上升壓站均由上部組塊和下部基礎(單樁或導管架基礎)組成。

2.1 上部結構布置

一層(甲板層)主要作為電纜層及結構轉換層，主要布置有事故油池、救生裝置、樓梯間等。

二層為整個海上升壓站主要核心區域，布置主變、主變散熱器、開關室、接地變室、低壓配電室、應急配電室、GIS室以及水泵房等輔助房間。

三層為主變室和GIS室上部挑空，同時布置蓄電池室、通信繼保室、避難室、柴油機房及暖通機房等。

頂層一般布置懸臂吊、空調外機、通信天線、氣象側風雷達、避雷針;另外，可根據實際需要，布置直升機懸停區。

2.2 下部結構布置

海上升壓站的基礎形式根據地質條件、水深條件、上部結構尺寸重量等條件，可以考慮單樁基礎、多樁基礎、導管架基礎或高樁承臺基礎。導管架基礎的適用范圍較廣，對于水深較深的區域采用導管架基礎。

2.3 防腐設計

海上風力發電機的使用壽命一般為25年，海上升壓站考慮在正常維護的情況下，其防腐設計年限也應不小于25年。大氣區宜采用滿足C5-M腐蝕性環境要求的防腐涂層進行保護，在浪濺區、水位變動區、水下區宜采用滿足Im2腐蝕性環境要求的防腐涂層結合犧牲陽極進行防護，在泥下區宜采用犧牲陽極進行防護。

3、電氣設計方案

按照目前的廠址規劃方案和項目開展情況，300 MW是一個海上風電場項目較為常見的裝機容量。本文擬在此容量的基礎上考慮電氣設計方案，為以后的項目設計提供參考。

目前投產或者已經在建的海上升壓站，風電場均采用二級升壓方式，機組升壓變高壓側選擇35 kV電壓等級，場內集電線路采用35 kV海底電纜方案，風電場經過海上升壓站升壓到220 kV后，通過海底電纜送至陸上集控中心，轉架空線后接入系統。兩級升壓的方案能快速升壓，減少升壓環節，減少損耗。

3.1 主要電氣設備選型(電氣一次)

總結歐洲海上風電場的運行經驗，海上升壓站設備宜布置在全密封、微正壓的屋內結構物中，并配置帶有海風處理裝置的暖通空調系統。另一方面，電氣設備和其他設備本身的防腐能力要加強和提高，防腐等級符合ISO 14922，達到相應的C4級或C5級要求。

3.1.1 220 kV主變壓器

海上升壓站主變采用三相、低壓雙分裂、自然油循環自冷卻型，油浸式、有載調壓升壓式電力變壓器。海上升壓站選址一般位于潮濕、重鹽霧的地區，所以電氣設計方案一般采用主變、散熱器分體布置，高壓側采用戶內GIS，低壓側采用戶內SF 6 氣體絕緣金屬封閉開關柜。本體戶內布置，散熱器戶外布置，以控制海上腐蝕環境對設備的影響。

3.1.2 220 kV主變中性點設備

主變220 kV側中性點采用經隔離開關接地方式，配置一套中性點成套設備。

3.1.3 220 kV配電裝置

采用GIS實現。

3.1.4 35 kV配電裝置

35 kV配電裝置主要涉及40.5 kV開關柜、站用變兼接地變壓器以及35 kV中性點設備。海上升壓站40.5 kV配電裝置采用SF 6 充氣絕緣型，為箱式型式，戶內單列布置，主變35 kV進線及接地變出線均采用電纜方式。35 kV系統采用小電阻接地，每段35 kV母線配置一臺接地變(其中兩臺兼場變)及一面接地電阻柜。

3.1.5 0.4 kV配電裝置

0.4 kV配電裝置主要包括柴油機及0.4 kV低壓配電屏。

海上升壓站采用柴油發電機作為站用電源的應急備用電源，當全站停電時，需啟動柴油機，供重要負荷運行。海上升壓站內通信電源、遠動電源、監控電源、事故照明及事故通風、消防火災系統、導航設備等為**負荷，設備操作電源為二級負荷，其他均為三級負荷。海上升壓站中，所有一、二級負荷設計有兩回線路供電。

低壓配電屏配置分工作配電屏和應急配電屏，采用戶內單列布置。

3.2 電氣二次

海上升壓站和陸上集控中心統一配置計算機監控系統，設備配置和功能要求按照海上升壓站“無人值守”方案設計。通過海底電纜中的復合光纖，由陸上集控中心實現對海上升壓站目標及海上風機的實時遠程監控，*大限度地優化了海上升壓站整體運行方式。

4、**系統設計

4.1 防雷接地設計

為了保證升壓站設備的**運行和值班人員的人身**，結合海上升壓站平臺的特點，遵照IEEE std.80標準《IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding》和國家標準GB/T50065—2011《交流電氣裝置的接地設計規范》、GB 50169—2006《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范》等規定的原則，依照大電流接地系統的方式進行設計。

4.2 直擊雷保護

海上升壓站內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、GPS天線、NAVTEX天線、暖通室外設備、空調室外機、變壓器戶外散熱器。

根據設備布置及吊機上避雷針位置，海上升壓站頂部需設置一定數量的針式接閃器，與吊機避雷針形成聯合保護，主要保護VAST天線、氣象站、VHF天線、GPS天線、NAVTEX天線、通信天線、暖通室外設備、空調室外機。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、保護圍欄聯合保護。

4.3 配電裝置的侵入雷電波保護

在配電裝置的適當部位配置氧化鋅避雷器，以防止雷電侵入波對電氣設備的損害。海上升壓站的220 kV GIS與海底電纜連接處、與主變連接處，35 kV進出線處均設置氧化鋅避雷器，以保護站內設備。400 V低壓配電系統裝設防浪涌保護器。

4.4 接地網布置

海上升壓站以4根基礎大鋼管樁作為自然接地體，平臺內所有接地裝置*終均連接至鋼管樁上。鋼結構平臺應焊接成整體，形成完好的電氣通路。

海上升壓站內各層設置接地網，主接地網沿房間墻壁明敷布置，支線接地網沿地面明敷布置。不同層之間通過結構鋼立柱形成電氣聯系，至少保證主網和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，嚴禁在一個接地線中串聯幾個需要接地的部分。

5、給排水和暖通方案

海上升壓站上主變壓器、柴油發電機等容易引發B類火災的設備及其設置場所均采用高壓細水霧滅火系統。400 V主配電盤、應急配電盤、蓄電池、繼電保護裝置、40.5 kV高壓開關柜、電阻柜等柜室設備中使用火探管式氣體滅火系統。應急避難室、暖通用房、GIS室、40.5 kV開關室等設備用房及所有電氣用房架空地板下采用高壓細水霧系統進行保護。

6、建造施工原則

海上升壓站施工建造應遵循“先陸上后海上”、 “先水上后水下”的原則。建造過程中，應根據結構、電氣、暖通、管系、舾裝各專業特點，合理制定施工工序，減少各專業之間的交叉及相互干擾。

海上升壓站上部組塊宜在陸上完成全部設備安裝、調試后，整體吊裝裝船，發運至海上升壓站站址安裝就位。

7、結語

海上升壓站集中體現了電力工程與海洋工程的結合，是集功能性、環保性、**性、經濟性于一體的集成產物。在吸收消化歐洲海上風電場的建造經驗的基礎上，將上述成果充分應用到實際工程中，可為后續項目提供更多的經驗積累和技術儲備。