300 MW/220 kV海上升压站电气一次设计研究

王建楹，郝登运，武雪林，巴忠镭

(中国船舶集团有限公司第七一三研究所，河南 郑州 450015)

0 引 言

海上升压变电站是用于将海上风电场中各风机所发电能进行集中升压转换并远程传输到岸上的电力输变电系统装置。它既是海洋工程装备、又是电力设备，具有高压电气设备和二次设备混装、结构空间狭小、内外部环境恶劣等显著特点。相比路基升压站，海上升压变电站的安全性能要求和运维难度及成本要高得多，而且其设计技术及工程应用情况尚需运营时间的检验[1]。

海上风电场的升压变电站设置主要有3种形式：陆上升压站形式、海上升压站+陆上集控中心形式、海上升压站+海上综合平台形式[2]。本设计以大连海域某300 MW海上风电场建设为应用目标，采用海上升压站+陆上集控中心设置方案，将实现升压主功能的设备组成电气一次，将实现监控与通信主功能的设备组成电气二次，采用无人值守、远程值班方式运行。以此工程案例，对海上升压站电气系统的设计与优化、电气性能和技术指标的选择与确定、电气设备的配置、选型与布置等进行分析研究。

1 升压站电气一次技术设计关键问题研究

1.1 主变压器选型

主变压器是海上升压站的核心设备，其选型影响着整个风电场的电气特性、安全性与经济性，影响升压站的总体结构布局，决定上部结构的体积和重量[3]。主变选型的基本依据是相关国标（GB）和电力行业标准（DL）及IEC标准，主要是从主变相数、绕组、调压、绝缘与冷却方式等方面进行分析和选择。

1）相数选择

主变可以采用三相变压器，一般容量在300 MW左右的海上风电场，需装设2台以上的变压器以满足运维时可保证至少1台主变工作，避免造成风电场停运的灾难。主变也可以采用3个单相变压器构成的变压器组完成相应的电能传输任务，但为满足运维要求，还需配置一个备用单相变压器。因此，升压站的内部接线及运行控制会比采用三相变压器更复杂。

2）绕组数量

主变可以采用双绕组变压器或分裂变压器，一般要结合短路电流校验来确定绕组数量。选前者优点是设计简单、价格低，后者则有更好的电气特性，尤其是分裂绕组的2个分支可以独立运行、互为备用，提高变电站运营的可靠性。

3）调压方式

主变采用有载调压方式，无论是恒磁通调压或变磁通调压方式，都可适当降低无功补偿设备容量。但电网对并网风电场无功调节响应速度有一定的要求，如国家电网公司Q/GDW 1878-2013规定，风电场调压时无功补偿装置的响应时间应不大于2 s，而变压器分接头调压不能满足这一要求，仍然需装设其他类型的无功补偿设备[4]。

4）冷却方式

一般分为自然风冷自然油循环、强迫风冷自然油循环、强迫风冷强迫油循环、强迫风冷导向油循环4种方式。自然油循环不带油泵，自然风冷是最理想的全自然冷却，但造价高；强迫风冷带风扇，在风扇检修时会压负荷。强迫或导向油循环带油泵和风扇，油泵密封在变压器油箱内运行，其可靠性有待验证，检修也影响运行。

5）绝缘方式

有油绝缘与气体绝缘2种方式，主变应能抵抗突发短路事故而不造成线圈损坏，绝缘结构可靠，局放水平低。油浸式变压器的绝缘方式与铁芯结构及器身结构有关，对升压站消防和防腐的要求高；气体绝缘变压器采用气体作为绝缘介质，降低了消防要求。

综上，300 MW/220 kV升压站主变初选三相、分裂绕组、有载调压、自然风冷自然油循环、油浸式电力变压器。

1.2 电气主接线

1）容量选择

根据《风力发电场设计技术规范》（DL/T5383-2007）要求，主变容量可以与风电场的装机容量相同。原则上无论主接线是哪种方式，主变容量均应按风电场的装机容量扣除集电系统的功率损耗及风电场自用负荷后，留10%左右的裕度来确定。但风力发电具有较大的波动性，典型海上风电场全年中的满发时间约占10%，输出功率低于20%装机容量的情况占50%以上，风电场的年平均输出功率约为装机容量的33%。因此，根据风电场装机容量进行升压站容量选择及设备配置将会导致主变长期处于低载荷状态[5]。为了充分利用海上风电场的功率输出特性，降低海上升压站的建造及运维成本，需要对主变数量及容量合理选择。

根据既往风电场运维经验，主变要设置2台以上为宜，本设计风电场装机容量为300 MW，综合考虑技术经济性和安全可靠性等因素，主变设置为相同的2台。

每台主变的容量原则上可选择等于风电场装机容量的50%，考虑10%的裕度，可按风电场容量的60%配置，则单台容量为180 MVA，是国内变电工程中的标准容量。根据IEC相关规定，主变可以在1.3倍的自冷额定容量下过负荷运行而不损伤寿命[6]，此时单台主变的容量可达到风电场容量的近80%，可满足风电场50%以上时间的运行需要。

2）主接线方案

按照主接线有无汇流母线的设置情况，主接线可以分为单母线、双母线、单元接线和多角形接线等多种形式[7]。本设计海上升压站通过1回220 kV海缆送至岸上，登陆后经220 kV架空线路送至陆上集控中心。根据《220 kV～750 kV变电所设计技术规程》（DL/T5218-2012）要求，一般性质的220 kV变电所的配电装置，出线回路数在4回及以下时，可采用其他简单的主接线。

升压站安装2台容量均为180/90-90 MVA的220/35-35 kV分列绕组变压器。主变低压35 kV侧为单母线4分段接线，规划安装35 kV开关柜，分别为10回风机回路进线、4回主变出线、2回接地变进线、2回接地变兼站变进线、4面母线设备柜、2面分段断路器柜及2面分段隔离柜；主变高压侧为线路变压器组单元接线，采用220 kV SF6气体绝缘金属封闭式组合电器（GIS）。主变220 kV中性点为有效接地系统。

1.3 短路电流计算

本风电场工程设计安装60台、单机容量5 MW风机，以10路35 kV单母线方式升压至220 kV，海上升压站至陆上集控中心220 kV侧的海缆线路长度约为20 km，陆上集控中心设置于系统500 kV汇集站近旁；因此，取陆上集控中心220 kV母线的三相短路电流为50 kA来计算，取基准容量为100 MVA，取短路点平均工作电压Uj=230 kV，37 kV，0.72 kV[8]。

主变按照双分裂绕组变压器进行短路电流计算校核，变压器参数按照全穿越16%、半穿越30%、Kf=3.5考虑，短路计算时将风机的次暂态短路电流暂按风机额定电流的6倍计。短路电流计算电气等值阻抗如图1所示，短路电流计算结果如表1所示。

图1 分裂绕组变压器短路电流计算电气等值阻抗图Fig. 1 Electrical equivalent impedance diagram of short circuit current calculation of split winding transformer

根据表1短路电流计算结果可知，主变为分裂绕组变压器时，35 kV母线发生故障的短路电流为12.48 kA和14.27 kA，小于20 kA，满足风机配套35 kV环网柜额定短时耐受电流水平要求。

表1 短路电流计算结果Tab. 1 Short circuit current calculation results

2 升压站电气一次设备配置设计

2.1 电气一次主要设备选择

本升压站工程设计，采用220 kV主变压器，220 kV GIS设备，35 kV动态无功补偿装置（置于岸上集控中心），35 kV高压开关柜，高压电抗器，0.4 kV低压柜，35 kV接地变压器以及站内用变压器，柴油发电机组，照明系统等组成电气一次，实现升压主功能设计。电气一次主要设备选择设计如表2所示。

表2 升压站电气一次主要设备配置Tab. 2 Configuration of primary electrical equipment in booster station

升压站运行电压的波动一般小于额定电压的1.15倍，电气设备允许的最高工作电压一般可满足要求。因此，电气设备的额定电压按不低于装置地点电网额定电压的条件选择，容量参数则根据主接线形式和设备来考虑。

220 kV主变选用三相有载调压分裂绕组变压器，并采用自冷方式、散热器分离设计安装。为防止腐蚀，变压器除采用耐腐蚀材料制造的部件外，全部外壳包括安装架等都采用高质量的外部涂层。

220 kV配电装置选用SF6气体绝缘、占地面积小、户内布置的GIS设备。

35 kV配电装置选用结构更加紧凑的C-GIS交流金属封闭气体绝缘开关柜。

2.2 升压站过电压保护

海上升压站平台为全钢结构建筑，在甲板顶部设置小型避雷针和桁架式甲板支撑钢结构可作为直击雷保护的接闪装置。电气设备除主变散热器外均采用户内布置，为防止工频过电压以及操作过电压对电气设备的侵害，在升压站的220 kV出线和220 kV中性点设置氧化锌避雷器；在各风机组开关的进线处设置氧化锌避雷器，35 kV母线也均配置氧化锌避雷器。为防止线路发生单相接地故障时，因单相接地电容电流过大引起弧光过电压，升压站的35 kV系统采用小电阻接地方式。

氧化锌避雷器的技术参数按照《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》（GB/T 50064-2014）、《交流无间隙金属氧化锌避雷器》（GB11032-2010）的规定确定。

2.3 接地装置

海上升压站接地电阻应符合《交流电气装置的接地设计规范》（GB/T50065-2011）要求。由于升压站平台钢管桩插入海床深达数十余米，可将钢结构升压平台的钢桩基础作为自然接地体，其接地电阻小于0.5 Ω，不必再单独敷设人工接地体。

升压站35 kV及以上电缆均设置接地保护箱，采用接地铜缆按相关规范进行金属护层接地保护设计。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程规定接地。升压站内敷设二次专用地网并与主接地网可靠连接，所有二次屏柜均按按规程规定与二次地网可靠连接。

2.4 照明系统

海上升压站设置正常照明、应急事故照明、临时应急照明和警示照明。

正常照明电源为交流220 V，在每一层不同防火分区内装设不同的照明配电箱进行供电，在走道、楼梯、出入口、继保控制室、消防设备存放处、救生筏存放及登乘处均设置两路取自不同回路的电源供电，并且相邻灯具尽量采用不同照明回路供电。

在控制室、走道、楼梯、消防设备间、露天甲板及救生筏甲板处设置应急事故照明系统，并安装一定数量的带独立蓄电池的安全应急灯作为临时应急照明系统。应急事故照明电源为直流逆变成交流220 V，应急事故照明时间按不小于18 h设计。临时应急照明时间按不小于0.5 h设计。另外，根据相关管理要求，设置直升机悬停助航照明、航标警示照明等警示照明系统。

海上升压站照明灯具均采用适用于海上潮湿及盐雾恶劣环境条件的灯具，并加装机械防护，防护等级达到IP66，防腐等级达到WF1。照明设计除满足《火力发电厂和变电站照明设计技术规定》（DL/T 5390-2007）外，还应满足《海洋平台照度要求和测量方法》（CB/T 3806-1997）和《舰船用照明灯具通用规范》（CB 1246-1994）及《海上固定平台入级及建造规范》要求。

3 结 语

海上升压站布置于近海海域，属环境潮湿、重盐雾地区，且造价昂贵；所以平台上电气设备应布置紧凑合理，选择性能优越、可靠性高、免维护或少维护、能满足恶劣环境条件下稳定运行要求的产品，尽量减少设备维护工作量。基于此设计原则，本文对300 MW/220 kV升压站电气系统主变压器选择及容量确定、主接线方式、短路电流计算等关键技术问题，根据实际工程应用需求进行了分析研究，提出的设计方法和工程设计方案，具有实际应用参考价值，可为我国海上风电升压站电气系统设计制造、运营维护等提供借鉴。