海上升壓站電氣設(shè)計

引言

海上風(fēng)電場升壓站用于對風(fēng)電場發(fā)出的電能進(jìn)行匯集和傳送,隨著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,海上升壓站建設(shè)更加廣泛。海上升壓站建設(shè)具有一定的特殊性,由于其需要在惡劣的海洋環(huán)境中工作運行,因此,需要加強(qiáng)對海上升壓站的電氣設(shè)計研究,以滿足海上風(fēng)電場建設(shè)要求,重視電氣系統(tǒng)方案設(shè)計,保證設(shè)備、設(shè)施能夠長久穩(wěn)定運行。

1海上升壓站特點

海上擁有豐富的風(fēng)能資源,風(fēng)能開發(fā)對環(huán)境影響小,且能量密度高。作為大型海上風(fēng)電場的關(guān)鍵組成部分,海上升壓站可以實現(xiàn)風(fēng)電匯集和傳送,由于使用的電氣設(shè)備需要長期在海上環(huán)境中工作,所以要滿足防鹽霧、防生物霉菌和防濕熱要求,還要應(yīng)對高紫外線輻射、臺風(fēng)、狂浪等問題,需要對其實施嚴(yán)格防護(hù)。在復(fù)雜的海洋水文地質(zhì)條件下,升壓站建設(shè)施工需要解決設(shè)備運輸、安裝問題,通常采用專用的大型海上安裝運輸船舶運輸設(shè)備,還要掌握設(shè)備施工時機(jī)和方法。此外,由于海上升壓站距離大陸較遠(yuǎn),交通不便,無法隨時巡視或檢修,因此需要采取"無人值守"的方式進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和遠(yuǎn)程操控。

2海上升壓站電氣設(shè)計要求

2.1并網(wǎng)要求

在電氣設(shè)計方面,海上升壓站系統(tǒng)和設(shè)備配置首先要達(dá)到并網(wǎng)要求,按照國標(biāo)《風(fēng)電廠接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》(GB/T19963—2011）等規(guī)范要求接入電網(wǎng)。目前,海上風(fēng)電場并網(wǎng)點基本處于電網(wǎng)末端,想要保證風(fēng)電接入不會給電網(wǎng)穩(wěn)定運行帶來影響,需要結(jié)合網(wǎng)點附近電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行升壓站的電氣設(shè)計,確保風(fēng)電接入能夠滿足電力系統(tǒng)要求。在海上風(fēng)電項目較多的地區(qū),需要對裝機(jī)規(guī)模、風(fēng)機(jī)位置等因素進(jìn)行綜合考量,使電纜通道得到統(tǒng)一規(guī)劃,以免在接入陸上并網(wǎng)點時出現(xiàn)資源競爭或浪費情況。

2.2配置要求

現(xiàn)階段海上風(fēng)電場海上升壓站的設(shè)計方案需參照國標(biāo)《海上風(fēng)力發(fā)電場設(shè)計規(guī)范》(GB/T51308—2019）、《風(fēng)電場工程110～220kV海上升壓變電站設(shè)計規(guī)范》(NB/T31115—2017）等專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。

在電氣設(shè)備、設(shè)施配置方面,需要對海上電力工程施工、運行維護(hù)等特點進(jìn)行綜合考慮,保證電氣平面布置合理,各功能區(qū)域采用合理的設(shè)備布置方式。選用的電氣設(shè)備應(yīng)當(dāng)便于安裝與維修,并具備集約化、無油化、自動化、小型化等特征,能夠滿足設(shè)備布置緊湊和荷載均勻等要求,保證設(shè)備連接穩(wěn)固。按照功能和電壓等級,可以完成各功能室模塊劃分,如變壓器模塊、輔助系統(tǒng)模塊等,可以先單獨試驗和安裝,然后運輸?shù)胶Ｉ线M(jìn)行就位和連接。而設(shè)備性能應(yīng)達(dá)到優(yōu)越水平,具有較高的可靠性,能夠滿足少維護(hù)或免維護(hù)要求。海上升壓站采用"無人值守"方式進(jìn)行設(shè)備配置,需要保證設(shè)備具備實時遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。在電纜敷設(shè)方面,應(yīng)盡量減少回路冗余,在保證接線可靠的同時,降低施工成本。

2.3防腐要求

在海洋環(huán)境中,電氣設(shè)計應(yīng)滿足防腐要求,設(shè)備盡可能布置在微正壓、全密封結(jié)構(gòu)物中,配置海風(fēng)處理空調(diào)系統(tǒng)。針對發(fā)熱量大的設(shè)備,需要布置冷卻器進(jìn)行降溫,防止設(shè)備受到腐蝕。針對設(shè)備本身,需要達(dá)到ISo14922防腐標(biāo)準(zhǔn)中的C4或C5-M級。

3海上升壓站電氣設(shè)計方法

3.1項目概況

某海上風(fēng)電場總規(guī)劃容量為400Mw,實際裝機(jī)容量達(dá)406Mw。結(jié)合風(fēng)電機(jī)組布置情況,需要完成220kV升壓站設(shè)計,海上升壓站主接線采用線路-變壓器組單元接線,35kV側(cè)實現(xiàn)4段母線接線,并利用母線實現(xiàn)不同主變聯(lián)絡(luò)。在與陸上開關(guān)站連接時,采用雙回220kV三芯3×500mm2xLPE絕緣海底電纜,陸上配置220kV高壓配電裝置,采用3進(jìn)1出單母線接線。

3.2設(shè)計方案

在電氣一次設(shè)計方面,升壓站電氣主接線方案將影響風(fēng)電場的安全可靠運行,對設(shè)備選擇及布置起著決定性作用,應(yīng)滿足可靠性、靈活性、經(jīng)濟(jì)性3項基本要求。220kV配電裝置與陸上集控中心的連接方案擬采用雙回3×500mm2海纜,海上升壓站220kV側(cè)共2回主變進(jìn)線、2回出線。綜合技術(shù)及經(jīng)濟(jì)比較,考慮到線路變壓器組接線形式較簡單、靈活,操作方便,且繼電保護(hù)配置清晰,同時經(jīng)濟(jì)性好,故海上升壓站主接線采用線路變壓器組接線。220kV系統(tǒng)為直接接地系統(tǒng),主變220kV側(cè)中性點采用直接接地或不接地方式,為使運行調(diào)度靈活選擇,裝設(shè)了接地隔離開關(guān),此外中性點還裝設(shè)有避雷器及放電間隙。35kV系統(tǒng)因風(fēng)機(jī)之間通過35kV海底電纜連接,電纜數(shù)量大,單相接地電容電流較大,需防止在35kV系統(tǒng)單相接地時出現(xiàn)弧光過電壓,造成電氣設(shè)備損傷乃至絕緣對地?fù)舸?。?5kV系統(tǒng)擬采用接地變加小電阻接地方式,在35kV每段母線上裝設(shè)一套接地變壓器(兼做站用變壓器）和電阻柜,在風(fēng)電場發(fā)生單相接地時,快速跳閘故障回路,保護(hù)風(fēng)電場電氣設(shè)備。站用380V系統(tǒng)采用中性點直接接地方式。海上升壓站站用電采用380/220V,采用單母線分段的接線方式,兩段工作段電源分別取自兩臺互為備用的站用變壓器,另外設(shè)一段應(yīng)急段,升壓站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組接入應(yīng)急段。工作負(fù)荷由工作段供電,應(yīng)急負(fù)荷由應(yīng)急段供電,正常運行時應(yīng)急段母線與其中一段工作段母線聯(lián)絡(luò)閉合,當(dāng)全站停電,啟動柴油發(fā)電機(jī)組供應(yīng)急負(fù)荷運行。

在電氣二次設(shè)計方面,海上升壓站按照"無人值守"方式設(shè)計,需要完成風(fēng)電場升壓站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的配置,監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu),主要由站控層設(shè)備、間隔層設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等構(gòu)成。升壓站監(jiān)控系統(tǒng)需要完成對升壓站內(nèi)220kV線路、220kV變壓器、35kV集電線路、站用變、中低壓開關(guān)柜、直流系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)等設(shè)備的集中監(jiān)控。同時也可以對風(fēng)電機(jī)組、陸上集控中心的電氣設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控,海上升壓站二次設(shè)備設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)/操作員站,升壓站與陸上集控中心監(jiān)控設(shè)備經(jīng)2回220kV海纜中的復(fù)合光纖進(jìn)行通信,實現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)和后臺設(shè)備共享。在繼電保護(hù)設(shè)計方面,220kV海上升壓站和陸上集控中心2回海底電纜兩側(cè)各配置兩套光纖電流差動保護(hù),每套保護(hù)采用兩路專用光纖通道。220kV主變壓器保護(hù)按雙重化設(shè)計,主保護(hù)為兩套微機(jī)型縱差保護(hù)和本體非電量保護(hù),后備保護(hù)設(shè)置過流保護(hù)、復(fù)合電壓閉鎖過流保護(hù)和零序過流保護(hù)。35kV母線配置母線差動保護(hù)。海上升壓站采用交直流一體化電源系統(tǒng)。將海上升壓站直流系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)和逆變電源系統(tǒng)合并為交直流一體化電源系統(tǒng)。此外,需要完成火災(zāi)報警、視頻監(jiān)控、設(shè)備在線監(jiān)測、通信等系統(tǒng)的設(shè)計。

3.3設(shè)備選型

本工程本期海上升壓站配置按400Mw考慮,對于主變?nèi)萘康倪x擇,根據(jù)《風(fēng)電場工程110～220kV海上升壓變電站設(shè)計規(guī)范》(NB/T31115一2017）中"5.2.2主變壓器的選擇應(yīng)遵循下列原則:海上升壓變電站內(nèi)設(shè)置兩臺及以上主變壓器時,單臺主變壓器容量宜考慮冗余,當(dāng)一臺主變壓器故障退出運行時,剩余的主變壓器可送出風(fēng)電場60%及以上的容量"的要求,故選用兩臺240MVA主變壓器。

選擇兩臺240MVA主變壓器時,單臺主變低壓側(cè)的電流大于2500A,而目前市場上成熟的SF6充氣柜最大額定電流為2500A。對于主變型式的選擇,分裂繞組變壓器投資較高,但具有限制短路電流,短路故障時維持非故障分支運行的優(yōu)點,在歐洲已投產(chǎn)的海上風(fēng)電項目中應(yīng)用較多,積累了一定的運行經(jīng)驗,在我國也有一些項目應(yīng)用?？紤]到變壓器容量在240MVA時,需限制短路電流。故主變低壓側(cè)采用分裂接線,主變采用雙分裂變壓器。

3.4防雷接地

海上升壓站過電壓保護(hù)設(shè)計總體應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》(GB/T50064）的要求;接地設(shè)計總體應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》(GB/T50065）的要求。

在防雷設(shè)計方面,考慮到升壓站平臺為鋼結(jié)構(gòu),需要在屋頂金屬結(jié)構(gòu)上進(jìn)行直擊雷保護(hù)設(shè)備配置,針對主變冷卻器等戶外設(shè)備采用避雷針提供保護(hù)。在母線側(cè),需要完成避雷器布置,提供雷電過電壓保護(hù)。針對操作過電壓,需要在高壓海纜末端、海上升壓站母線側(cè)、主變低壓側(cè)和35kV電纜集電海纜末端等位置完成避雷器的安裝,根據(jù)實際工況采用220kV和35kV的氧化鋅避雷器。

在接地設(shè)計方面,海上升壓站基礎(chǔ)主要采用鋼材,鋼管樁插入海床達(dá)數(shù)十米深,可作為接地系統(tǒng)的自然接地體,鋼管樁、連接件及過渡段均為鋼構(gòu)件并經(jīng)可靠的電氣連接,其接地電阻一般可以滿足相關(guān)要求。升壓站各層設(shè)置專用的接地線,考慮采用接地銅排,接地銅排引出至各設(shè)備接地,接地銅排與平臺鋼結(jié)構(gòu)可靠連接。海上升壓站內(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)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、就地控制箱的二次接地銅排均按規(guī)定與二次地網(wǎng)可靠連接。

3.5防腐與防護(hù)等級設(shè)計

結(jié)合歐洲建設(shè)經(jīng)驗,海上使用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)壽命通常在25年左右,按照正常維護(hù)周期進(jìn)行升壓站電氣設(shè)計,防腐設(shè)計年限應(yīng)達(dá)到25年以上。

海上升壓站因其特殊的環(huán)境,電氣設(shè)備的選擇需考慮防腐、震動、潮濕、鹽霧等因素。防護(hù)等級應(yīng)不小于海上升壓站電氣設(shè)備防護(hù)等級要求(表1）的規(guī)定。電氣設(shè)備防腐應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《色漆和清漆防護(hù)涂料體系對鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕保護(hù)》(GB/T30790）的規(guī)定。暴露在海洋大氣區(qū)的電氣設(shè)備腐蝕等級應(yīng)為C5-M級,其余戶內(nèi)布置設(shè)備應(yīng)滿足C4或C5-I等級。設(shè)備外殼、連接部件、裸露金屬部分、與大氣長時間直接接觸部分,應(yīng)進(jìn)行防腐蝕特殊處理。

表1海上升壓站電氣設(shè)備防護(hù)等級要求

4結(jié)語

考慮到海上升壓站在站址環(huán)境、運行維護(hù)等方面具有一定特殊性,本文結(jié)合規(guī)范分析了海上升壓站相關(guān)的并網(wǎng)、配置、防腐方面的要求,以某個海上風(fēng)電場工程為例,提出了海上升壓站具體的電氣一次和電氣二次設(shè)計方案,從設(shè)備選型、防雷接地、防腐與防護(hù)等級方面闡述了相關(guān)設(shè)計思路,對未來海上風(fēng)電場升壓站的電氣設(shè)計有一定的參考價值。