近海升压站电气系统的设计研究

李童

（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东 青岛 266520）

近年来作为可再生能源的风能以其清洁的优势得到了国内外的高度重视。近海的风力资源不占用陆地面积，风力持续稳定，现已成为国内行业关注的焦点。海上风机装机容量在不断增大，数量在不断增多，保证电能输送的可靠性已成为关键，其中海上升压站是电能输送的核心。目前我国风电应用仍处于初级阶段，很多技术细节需进一步完善。

本文以实际项目为例介绍近海升压站的概况，分析了防雷接地、照明系统、电缆敷设、防火封堵及电气节能设计等方面的问题，可为升压站的研究提供理论支撑，具有一定学术意义[1]。

1 升压站简介

1.1 海上升压站概况

现以华东某升压站项目为例作电力系统介绍。此项目的风电场离岸距离约10km，沿海岸线方向长约14km，垂直于海岸线方向宽约3km，场区面积35km2，场区水深8～12m。风电场配套建设的220kV海上升压站位置水深8.1m，升压站距登陆点的直线距离12km。

220kV 海上升压站主体平面尺寸为30.3m×31.5m，高27m，为一整体式钢平台，上部组块总重约2050t。

一层平台最大平面尺寸为23m×28m，层高为6m，平台面高程为11m。底部高层位于极端高潮位下最大波高时波峰以上，靠近甲板边缘处布置有救生设备，主变下布置事故油池，同时也作为电缆层使用。

二层平台最大平面尺寸为30.3m×31.5m，层高为5.5m，平台面高程为17m。二层北侧布置主变室，主变室南侧布置GIS室、40.5kV开关柜室，主变室东西侧布置楼梯间。

三层平台最大平面尺寸为24.8m×31.5m，层高为4.5m，平台面高程为22.5m。三层中间为主变室和GIS室上部挑空，另侧布置继电保护室、低压配电室。

四层平台最大平面尺寸为23m×31.5m，层高为4.5m，平台面高程为27m。四层北侧为主变室屋顶，主变室屋顶设置主变检修孔，南侧布置柴油机房、暖通房间、给排水房间、蓄电池室、应急配电室、避难室等。

图1 220kV海上升压站

1.2 海上升压站场用电接线及主要设备

该工程海上升压站0.4kV配电装置共设三段母线，1#场变兼接地变连接I段母线，2#场变兼接地变连接Ⅱ段母线，柴油发电机连接Ⅲ段母线（应急母线），Ⅲ段母线采用环形接线方式。正常工作时，1#场变兼接地变供电Ⅰ段母线，2#场变兼接地变供电Ⅱ段、Ⅲ段母线；当某一场变兼接地变供电回路故障时，则合上母联开关，由另一电源回路供电；如两个供电回路均故障时，则启动柴油发电机组并断开Ⅰ、Ⅱ段母线，仅由Ⅲ段母线对重要负荷供电。

海上升压站内通信电源、远动电源、监控电源、事故照明及事故通风、消防火灾系统、导航设备等为一级负荷，设备操作电源为二级负荷，其他均为三级负荷。所有一、二级负荷有两回路供电。

主要电气系统设备如下：

（1）主变压器

主变采用220kV、120MVA、三相、双绕组、自然油循环自冷却型、油浸式、低损耗、有载调压升压式电力变压器，本体户内布置，散热器户外布置。

（2）六氟化硫组合电器GIS

220kVGIS设备型号：252kV3150A50kA；35kVGIS设备型号：40.5kV1250A31.5kA。

（3）35kV配电装置

35kV配电装置采用SF6绝缘金属成套开关柜，采用真空断路器，户内单列布置。

2 升压站防雷接地设计

2.1 直击雷及侵入雷保护

海上升压站内需要进行直击雷保护的设备有：顶部平台甲板、VAST天线、气象站、VHF天线、空调室外机、变压器户外散热器。根据设备布置及吊车上避雷针位置，设1根针式接闪器，其与吊车避雷针形成联合保护，主要保护VAST天线、气象站、VHF天线、空调室外机。顶部平台甲板和变压器户外散热器通过针式接闪器、避雷针、保护围栏联合保护。直击雷保护范围采用滚球法方式计算。

在252kVGIS进线及出线处，35kV充气柜进线及母线处均设有避雷器，以避免雷电波侵入。400V低压配电系统装设防浪涌保护器。低压配电屏设置Ⅰ类试验的浪涌保护器。

2.2 接地网布置方式

2.2.1 接地装置设置总体原则

接地装置以4根基础大钢管桩作为自然接地体，平台内所有接地装置最终均连接至钢管桩上。整体钢结构平台应焊接成整体，形成完好的电气通路。

海上升压站内各层设置接地网，主接地网沿房间墙壁明敷布置，支线接地网沿地面明敷布置。不同层之间通过结构钢立柱形成电气联系，至少保证主网和2根不同立柱可靠连接。

所有电气设备均应进行接地，电气设备每个接地部分应以单独的接地线与接地干线相连。法兰片间采用跨接线连接，保证良好的电气通路。

2.2.2 接地材料

海上升压站主接地体采用50×4铜排，分支接地体采用25×4铜排。

根据接入系统报告及短路电流计算，220kV侧短路电流为15.44kA，35kV侧短路电流为16.1kA。按照继电保护220kV后备保护时间1.2s，35kV后备保护时间0.9s考虑，经热稳定计算，220kV侧引下线铜排截面不小于106mm²，35kV侧引下线铜排截面不小于95mm²，主接地体铜排截面不小于80mm²。

通过基础钢管桩进行连接，单根钢管桩为Ф2000，壁厚40mm，截面积为251.2mm²。经热稳定计算，主接地体钢材截面不小于182mm²。

为加强主设备接地，主接地体以及主变室，GIS室内支线接地体采用50×4铜排，其余支线接地体采用25×4铜排。

2.2.3 接地布置方案

主接地体与钢管桩或结构钢立柱连接处设置接地符号且可视。

沿房间墙壁敷设角钢支撑，角钢上打孔，主接地体通过铜螺栓与角钢连接，主接地体离墙距离约50mm，中心离地面距离约220mm。角钢间距约1.5m，转角、过门、过柱处可适当加密，约0.3～0.5m。主接地体铜排之间采用放热焊接连接。

支线接地体与主接地体采用铜螺栓连接。支线接地体引下后在敷料层上引至设备引上点。引上设备长度根据设备不同而专项设置。

一层设海缆接地箱，其接地端均应采用电缆引至主接地体接地，采用铜鼻子连接[2]。

3 升压站照明系统设计

（1）照明种类分为正常工作照明和应急照明，且应急照明也作为正常照明使用。正常工作照明由Ⅰ段母线供电；应急照明分别由Ⅲ段母线和UPS进行供电，正常时由Ⅲ段母线供电，事故时可通过切换装置调整到UPS供电。

（2）照明配电箱为明装，箱体底部距地0.8m；照明开关底边距地1.3m；插座底边距地0.3m；疏散指示灯底边距地0.3m；出口指示灯底边距门0.1m；照明开关的安装位置靠近门边；应急灯应单独采用一个回路，接应急灯的线路在应急灯前不经过开关；照明灯具的安装高度满足电气安全距离。

（3）照明配电箱、照明灯具、接线盒、开关及插座的金属外壳、镇流器、金属保护管等外壳均接地，PE线完好导通，PE线在各分电箱处接地。

（4）所有灯具选用船用灯具，有爆炸危险区域的灯具采用防爆型。户外通道等场所的灯具为吊装、壁装、吸顶或高压钠灯、荧光灯柱装，较大的敞开区域如甲板层采用泛光灯。室内照明采用投光灯或荧光灯，采用吸顶安装、吊装或壁装方式。

（5）逃生通道内的应急照明灯具及疏散指示灯均自带蓄电池，蓄电池容量满足120min照明时间。

（6）每个房间和重要通道内均设置长明灯，以便远方监控。照明灯具照射方向根据摄像头位置确定，保证远方监控设备能清晰地看到设备相关部位。

（7）户外灯具防护等级选择IP65，甲板上灯具的防护等级选择IP56，疏散指示灯选择IP66型，户内灯具防护等级选择IP43型，灯具安全等级为二类。

（8）柴油发电机室和蓄电池室内灯具采用防爆型，开关装于门外侧，以免发生火灾或爆炸。

（9）插座仅在继保室和避难所内安装，由于其回路易发生触漏电事故，故加装高灵敏度、快速动作型的电子式漏电保护器[3]。

4 升压站电缆敷设及防火封堵设计

4.1 电缆敷设设计

（1）电缆在任何敷设方式及其全部路径条件的上下左右改变部位，都应满足电缆允许弯曲半径要求。

（2）电缆一般不允许设置中间接头。屏蔽电缆和铠装电缆的屏蔽层，应可靠接地。

（3）各种不同用途的电缆，用不同形状的标志牌表示，挂在电缆两端，竖井两端及电缆转弯处；动力电缆和通讯电缆各自归类，分开敷设，减少干扰。

（4）所有外部或不通风区域的电缆敷设使用不锈钢扎带。当切断电缆时，在断开处的端头应为一个不尖锐的断口。

（5）当电缆交叉不可避免时，单根电缆相互之间或数根电缆之间的交叉应在单根电缆的始端或终端进行，即在配电装置间隔下部、控制屏、保护屏的下部及各设备的引出线处进行交叉；成排交叉宜在竖井上部进行。

（6）为减小电缆交叉，将路径最远的电缆敷设在下面托架上，路径近的敷设在上面托架，屏间联络电缆敷设在顶层。

（7）单芯电缆的敷设不单独穿过由磁性材料包围的通道，宜采用磁性材料或进行磁路分隔。

（8）选择电缆走向，避免湿度大和有滴水的地方。电缆远离热源并保护其避免受到机械损伤。

4.2 防火封堵设计

（1）海上升压站所有甲板开孔、主变室至三层走廊的开孔、四层走廊至户外的开孔都进行防火封堵，防火封堵材料采用防火防水封堵材料。其他墙板上开孔采用防火套管型电缆密封膨胀堵料进行封堵。

（2）海上升压站接地中穿墙处采用电缆密封膨胀堵料进行封堵。

（3）海上升压站盘柜中不带铁盖板的盘柜及下方的楼板孔洞，用上下两层防火隔板，阻火包、有机堵料组合封堵，楼板下防火隔板用M8膨胀螺栓固定。

（4）电缆进入配电箱、灯具、开关等设备需采用电缆填料函，并采取电缆防火措施。

（5）敷设在电缆梯架、桥架或槽盒上的电缆每隔60m处，进行防火分隔处理，阻火段用2m长的防火槽盒设置，槽盒两端头用阻火包和有机堵料进行封堵，封堵厚度320mm。

（6）对于220kV电缆和35kV电缆安装开孔应在电缆终端完成连接后进行封堵。对需在海上升压站就位后进行封堵的开孔，应在运输前包裹密封，以防潮湿空气进入室内。

5 升压站电气节能设计

此项目的主要能耗为电力，因此，降低产品的综合能耗需要在电气工程设计、电气设备选型方面采取有效的节能措施。电气节能措施主要有以下特点：

（1）选用两级升压方式，即风电机出口0.69kV升压至35kV，升压站内35kV升压至220kV。该方案能快速升压，减少升压环节，减少损耗。本工程规划总装机容量为202MW，主变压器选择两台120MVA，考虑当一台主变或相应间隔的高低压配电装置故障或检修时，另外1台主变仍可输送风场所发的大部分电力，可以减少弃风。220kV配电装置采用的是单母线接线，35kV配电装置采用的是单母线分段接线，可靠性较高，采用的接线方式均属于简单的接线方式，能有效地减少占地面积、减少相关设备，以达到减少损耗的目的。

（2）主要电气设备均选用低损耗设备，耗能参数选择合理。

（a）主变压器

主变压器采用SZ11型油变，对照常规变压器，属于低损耗产品。

（b）场变兼接地变器

场变兼接地变器采用S10型干变，能效等级为1级，属于低损耗产品。

（3）配电系统节能措施

（a）根据用电性质、用电容量，选择合理供电电压和供电方式。

（b）选用节能型配电变压器，以减少变压器的损耗。

（c）各辅助系统采用节能型电动机，提高电动机效率，采用变频装置，节省电能。

（d）在满足照明质量的前提下，一般房间优先采用高效发光的荧光灯及紧凑型荧光灯。根据照明使用场所采取分区控制灯光。

（e）优化用电设备的工作状态，合理分配与平衡负荷，使用电均衡化，提高项目负荷率。

（4）升压站采用先进的计算机监控自动化系统，利用先进的网络控制技术，最大限度地优化了电气路线，达到了预期的节能效果[4]。

6 结语

风能不污染环境，属于新型清洁能源，应加快发展。江苏近海风电项目已具备了一定规模，在国内处于领先地位。但我国近海升压站的设计水平还处于初级阶段，有较大提升空间。应在不同工况，不同的潮汐、洋流、气象等自然条件下有针对性的设计。本文可为近海升压站的设计工作提供一定的借鉴意义。

◆参考文献

[1] 黄玲玲，符杨，郭晓明. 大型海上风电场电气接线方案优化研究[J].电网技术，2008，(8)：77-81.

[2] GB/T 19963-2011，风电场接入电力系统技术规定[S].

[3] 郑明. 300MW海上风电场电气主接线设计[J].南方能源建设，2015，2(3)：62-66.

[4] 袁兆祥，仇卫东，齐立忠. 大型海上风电场并网接入方案研究[J].电力建设，2015，36(4)：123-128.