海上升压站电气设计

引言

海上风电场升压站用于对风电场发出的电能进行汇集和传送,随着海上风电产业的蓬勃发展,海上升压站建设更加广泛。海上升压站建设具有一定的特殊性,由于其需要在恶劣的海洋环境中工作运行,因此,需要加强对海上升压站的电气设计研究,以满足海上风电场建设要求,重视电气系统方案设计,保证设备、设施能够长久稳定运行。

1海上升压站特点

海上拥有丰富的风能资源,风能开发对环境影响小,且能量密度高。作为大型海上风电场的关键组成部分,海上升压站可以实现风电汇集和传送,由于使用的电气设备需要长期在海上环境中工作,所以要满足防盐雾、防生物霉菌和防湿热要求,还要应对高紫外线辐射、台风、狂浪等问题,需要对其实施严格防护。在复杂的海洋水文地质条件下,升压站建设施工需要解决设备运输、安装问题,通常采用专用的大型海上安装运输船舶运输设备,还要掌握设备施工时机和方法。此外,由于海上升压站距离大陆较远,交通不便,无法随时巡视或检修,因此需要采取"无人值守"的方式进行设备状态监测和远程操控。

2海上升压站电气设计要求

2.1并网要求

在电气设计方面,海上升压站系统和设备配置首先要达到并网要求,按照国标《风电厂接入电力系统技术规定》(GB/T19963—2011）等规范要求接入电网。目前,海上风电场并网点基本处于电网末端,想要保证风电接入不会给电网稳定运行带来影响,需要结合网点附近电网结构进行升压站的电气设计,确保风电接入能够满足电力系统要求。在海上风电项目较多的地区,需要对装机规模、风机位置等因素进行综合考量,使电缆通道得到统一规划,以免在接入陆上并网点时出现资源竞争或浪费情况。

2.2配置要求

现阶段海上风电场海上升压站的设计方案需参照国标《海上风力发电场设计规范》(GB/T51308—2019）、《风电场工程110～220kV海上升压变电站设计规范》(NB/T31115—2017）等专业标准进行设计。

在电气设备、设施配置方面,需要对海上电力工程施工、运行维护等特点进行综合考虑,保证电气平面布置合理,各功能区域采用合理的设备布置方式。选用的电气设备应当便于安装与维修,并具备集约化、无油化、自动化、小型化等特征,能够满足设备布置紧凑和荷载均匀等要求,保证设备连接稳固。按照功能和电压等级,可以完成各功能室模块划分,如变压器模块、辅助系统模块等,可以先单独试验和安装,然后运输到海上进行就位和连接。而设备性能应达到优越水平,具有较高的可靠性,能够满足少维护或免维护要求。海上升压站采用"无人值守"方式进行设备配置,需要保证设备具备实时远程监控功能。在电缆敷设方面,应尽量减少回路冗余,在保证接线可靠的同时,降低施工成本。

2.3防腐要求

在海洋环境中,电气设计应满足防腐要求,设备尽可能布置在微正压、全密封结构物中,配置海风处理空调系统。针对发热量大的设备,需要布置冷却器进行降温,防止设备受到腐蚀。针对设备本身,需要达到ISo14922防腐标准中的C4或C5-M级。

3海上升压站电气设计方法

3.1项目概况

某海上风电场总规划容量为400Mw,实际装机容量达406Mw。结合风电机组布置情况,需要完成220kV升压站设计,海上升压站主接线采用线路-变压器组单元接线,35kV侧实现4段母线接线,并利用母线实现不同主变联络。在与陆上开关站连接时,采用双回220kV三芯3×500mm2xLPE绝缘海底电缆,陆上配置220kV高压配电装置,采用3进1出单母线接线。

3.2设计方案

在电气一次设计方面,升压站电气主接线方案将影响风电场的安全可靠运行,对设备选择及布置起着决定性作用,应满足可靠性、灵活性、经济性3项基本要求。220kV配电装置与陆上集控中心的连接方案拟采用双回3×500mm2海缆,海上升压站220kV侧共2回主变进线、2回出线。综合技术及经济比较,考虑到线路变压器组接线形式较简单、灵活,操作方便,且继电保护配置清晰,同时经济性好,故海上升压站主接线采用线路变压器组接线。220kV系统为直接接地系统,主变220kV侧中性点采用直接接地或不接地方式,为使运行调度灵活选择,装设了接地隔离开关,此外中性点还装设有避雷器及放电间隙。35kV系统因风机之间通过35kV海底电缆连接,电缆数量大,单相接地电容电流较大,需防止在35kV系统单相接地时出现弧光过电压,造成电气设备损伤乃至绝缘对地击穿。故35kV系统拟采用接地变加小电阻接地方式,在35kV每段母线上装设一套接地变压器(兼做站用变压器）和电阻柜,在风电场发生单相接地时,快速跳闸故障回路,保护风电场电气设备。站用380V系统采用中性点直接接地方式。海上升压站站用电采用380/220V,采用单母线分段的接线方式,两段工作段电源分别取自两台互为备用的站用变压器,另外设一段应急段,升压站应急柴油发电机组接入应急段。工作负荷由工作段供电,应急负荷由应急段供电,正常运行时应急段母线与其中一段工作段母线联络闭合,当全站停电,启动柴油发电机组供应急负荷运行。

在电气二次设计方面,海上升压站按照"无人值守"方式设计,需要完成风电场升压站计算机监控系统的配置,监控系统采用分层分布式结构,主要由站控层设备、间隔层设备和网络设备等构成。升压站监控系统需要完成对升压站内220kV线路、220kV变压器、35kV集电线路、站用变、中低压开关柜、直流系统、UPS系统等设备的集中监控。同时也可以对风电机组、陆上集控中心的电气设备进行监控,海上升压站二次设备设置监控系统主机/操作员站,升压站与陆上集控中心监控设备经2回220kV海缆中的复合光纤进行通信,实现通信网络和后台设备共享。在继电保护设计方面,220kV海上升压站和陆上集控中心2回海底电缆两侧各配置两套光纤电流差动保护,每套保护采用两路专用光纤通道。220kV主变压器保护按双重化设计,主保护为两套微机型纵差保护和本体非电量保护,后备保护设置过流保护、复合电压闭锁过流保护和零序过流保护。35kV母线配置母线差动保护。海上升压站采用交直流一体化电源系统。将海上升压站直流系统、UPS系统和逆变电源系统合并为交直流一体化电源系统。此外,需要完成火灾报警、视频监控、设备在线监测、通信等系统的设计。

3.3设备选型

本工程本期海上升压站配置按400Mw考虑,对于主变容量的选择,根据《风电场工程110～220kV海上升压变电站设计规范》(NB/T31115一2017）中"5.2.2主变压器的选择应遵循下列原则:海上升压变电站内设置两台及以上主变压器时,单台主变压器容量宜考虑冗余,当一台主变压器故障退出运行时,剩余的主变压器可送出风电场60%及以上的容量"的要求,故选用两台240MVA主变压器。

选择两台240MVA主变压器时,单台主变低压侧的电流大于2500A,而目前市场上成熟的SF6充气柜最大额定电流为2500A。对于主变型式的选择,分裂绕组变压器投资较高,但具有限制短路电流,短路故障时维持非故障分支运行的优点,在欧洲已投产的海上风电项目中应用较多,积累了一定的运行经验,在我国也有一些项目应用。考虑到变压器容量在240MVA时,需限制短路电流。故主变低压侧采用分裂接线,主变采用双分裂变压器。

3.4防雷接地

海上升压站过电压保护设计总体应符合国家标准《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》(GB/T50064）的要求;接地设计总体应符合国家标准《交流电气装置的接地设计规范》(GB/T50065）的要求。

在防雷设计方面,考虑到升压站平台为钢结构,需要在屋顶金属结构上进行直击雷保护设备配置,针对主变冷却器等户外设备采用避雷针提供保护。在母线侧,需要完成避雷器布置,提供雷电过电压保护。针对操作过电压,需要在高压海缆末端、海上升压站母线侧、主变低压侧和35kV电缆集电海缆末端等位置完成避雷器的安装,根据实际工况采用220kV和35kV的氧化锌避雷器。

在接地设计方面,海上升压站基础主要采用钢材,钢管桩插入海床达数十米深,可作为接地系统的自然接地体,钢管桩、连接件及过渡段均为钢构件并经可靠的电气连接,其接地电阻一般可以满足相关要求。升压站各层设置专用的接地线,考虑采用接地铜排,接地铜排引出至各设备接地,接地铜排与平台钢结构可靠连接。海上升压站内所有配电装置及电气设备的金属外壳、底座及电缆支架等金属部分均按规定接地;升压站内敷设二次专用地网并与主接地网可靠连接,所有二次屏柜、就地控制箱的二次接地铜排均按规定与二次地网可靠连接。

3.5防腐与防护等级设计

结合欧洲建设经验,海上使用的风力发电机寿命通常在25年左右,按照正常维护周期进行升压站电气设计,防腐设计年限应达到25年以上。

海上升压站因其特殊的环境,电气设备的选择需考虑防腐、震动、潮湿、盐雾等因素。防护等级应不小于海上升压站电气设备防护等级要求(表1）的规定。电气设备防腐应符合现行国家标准《色漆和清漆防护涂料体系对钢结构的防腐蚀保护》(GB/T30790）的规定。暴露在海洋大气区的电气设备腐蚀等级应为C5-M级,其余户内布置设备应满足C4或C5-I等级。设备外壳、连接部件、裸露金属部分、与大气长时间直接接触部分,应进行防腐蚀特殊处理。

表1海上升压站电气设备防护等级要求

4结语

考虑到海上升压站在站址环境、运行维护等方面具有一定特殊性,本文结合规范分析了海上升压站相关的并网、配置、防腐方面的要求,以某个海上风电场工程为例,提出了海上升压站具体的电气一次和电气二次设计方案,从设备选型、防雷接地、防腐与防护等级方面阐述了相关设计思路,对未来海上风电场升压站的电气设计有一定的参考价值。