[基础知识] 海上升压变电站设计及建造研究

早在20世纪八九十年代，欧洲就开始陆续修建海上风电场项目，在海上风电场输变电技术方面积累了不少工程经验。而我国2000年以前的项目均没有设置海上升压站，随着我国海上风电的发展， “十三五”期间，我国将进入海上风电规模化发展期，要开发建设离岸距离远（大于12 km）、容量较大（200～400 MW）的海上风电场，而这些风电工程均需设置海上升压站 。

1.1 海上升压站类型

根据风电场选址，针对不同的施工水平及环境条件，形成了两种模式的海上升压站结构——模块装配式海上升压站结构和整体式海上升压站结构。模块装配式海上升压站是将升压站分为若干个模块，如变压器模块、高压模块、中压模块、站用电模块、辅助系统模块、控制模块等，每个模块都采用钢结构，在陆上组装厂制作，在陆上完成模块内的设备安装调试，然后各模块单独运至现场起吊并就位，各模块安装完成后现场再进行各模块之间的连接。整体式海上升压站是将整个升压站上部结构作为一个整体，在陆上组装厂完成整个升压站的制造、设备安装和调试，然后整体运至现场，采用大型起重船安装。选择何种方式取决于工程的实际施工、运输条件和能力。

上海振华重工（集团）股份有限公司负责建造的第一座中广核如东150 MW海上风电场示范项目海上升压站、华能如东300 MW海上风电场工程110 kV海上升压站以及江苏滨海300 MW海上风电场项目工程220 kV海上升压站均为整体式海上升压站。

1.2 设计总则说明

根据《Offshore substations for wind farms》（DNV-OS-J201）的分类，海上升压站一般分为无人操作的海上升压站（A类）、临时或者长期有人操作驻守的海上升压站（B类）以及无人操作的海上升压站平台加一个生活平台（C类）。通常情况下，离岸距离近一些的中小型交流海上升压站选择A类，离岸距离近一些的大型交流海上升压站或者直流海上升压站选择B类，海上风电场连续分期建设时可选择C类。

海上升压站结构设计包括上部结构、下部支撑结构设计。以220 kV海上升压站为例，目前国内建成的或者是在建的项目，220 kV海上升压站均由上部组块和下部基础（单桩或导管架基础）组成。

2.1 上部结构布置

一层（甲板层）主要作为电缆层及结构转换层，主要布置有事故油池、救生装置、楼梯间等。

二层为整个海上升压站主要核心区域，布置主变、主变散热器、开关室、接地变室、低压配电室、应急配电室、GIS室以及水泵房等辅助房间。

三层为主变室和GIS室上部挑空，同时布置蓄电池室、通信继保室、避难室、柴油机房及暖通机房等。

顶层一般布置悬臂吊、空调外机、通信天线、气象侧风雷达、避雷针；另外，可根据实际需要，布置直升机悬停区。

2.2 下部结构布置

海上升压站的基础形式根据地质条件、水深条件、上部结构尺寸重量等条件，可以考虑单桩基础、多桩基础、导管架基础或高桩承台基础。导管架基础的适用范围较广，对于水深较深的区域采用导管架基础。

2.3 防腐设计

海上风力发电机的使用寿命一般为25年，海上升压站考虑在正常维护的情况下，其防腐设计年限也应不小于25年。大气区宜采用满足C5-M腐蚀性环境要求的防腐涂层进行保护，在浪溅区、水位变动区、水下区宜采用满足Im2腐蚀性环境要求的防腐涂层结合牺牲阳极进行防护，在泥下区宜采用牺牲阳极进行防护。

按照目前的厂址规划方案和项目开展情况，300 MW是一个海上风电场项目较为常见的装机容量。本文拟在此容量的基础上考虑电气设计方案，为以后的项目设计提供参考。

目前投产或者已经在建的海上升压站，风电场均采用二级升压方式，机组升压变高压侧选择35 kV电压等级，场内集电线路采用35 kV海底电缆方案，风电场经过海上升压站升压到220 kV后，通过海底电缆送至陆上集控中心，转架空线后接入系统。两级升压的方案能快速升压，减少升压环节，减少损耗。

3.1 主要电气设备选型（电气一次）

总结欧洲海上风电场的运行经验，海上升压站设备宜布置在全密封、微正压的屋内结构物中，并配置带有海风处理装置的暖通空调系统。另一方面，电气设备和其他设备本身的防腐能力要加强和提高，防腐等级符合ISO 14922，达到相应的C4级或C5级要求。

3.1.1 220 kV主变压器

海上升压站主变采用三相、低压双分裂、自然油循环自冷却型，油浸式、有载调压升压式电力变压器。海上升压站选址一般位于潮湿、重盐雾的地区，所以电气设计方案一般采用主变、散热器分体布置，高压侧采用户内GIS，低压侧采用户内SF 6 气体绝缘金属封闭开关柜。本体户内布置，散热器户外布置，以控制海上腐蚀环境对设备的影响。

3.1.2 220 kV主变中性点设备

主变220 kV侧中性点采用经隔离开关接地方式，配置一套中性点成套设备。

3.1.3 220 kV配电装置

采用GIS实现。

3.1.4 35 kV配电装置

35 kV配电装置主要涉及40.5 kV开关柜、站用变兼接地变压器以及35 kV中性点设备。海上升压站40.5 kV配电装置采用SF 6 充气绝缘型，为箱式型式，户内单列布置，主变35 kV进线及接地变出线均采用电缆方式。35 kV系统采用小电阻接地，每段35 kV母线配置一台接地变（其中两台兼场变）及一面接地电阻柜。

3.1.5 0.4 kV配电装置

0.4 kV配电装置主要包括柴油机及0.4 kV低压配电屏。

海上升压站采用柴油发电机作为站用电源的应急备用电源，当全站停电时，需启动柴油机，供重要负荷运行。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。海上升压站中，所有一、二级负荷设计有两回线路供电。

低压配电屏配置分工作配电屏和应急配电屏，采用户内单列布置。

3.2 电气二次

海上升压站和陆上集控中心统一配置计算机监控系统，设备配置和功能要求按照海上升压站“无人值守”方案设计。通过海底电缆中的复合光纤，由陆上集控中心实现对海上升压站目标及海上风机的实时远程监控，最大限度地优化了海上升压站整体运行方式。

4.1 防雷接地设计

为了保证升压站设备的安全运行和值班人员的人身安全，结合海上升压站平台的特点，遵照IEEE std.80标准《IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding》和国家标准GB/T50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》、GB 50169—2006《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》等规定的原则，依照大电流接地系统的方式进行设计。

4.2 直击雷保护

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、GPS天线、NAVTEX天线、暖通室外设备、空调室外机、变压器户外散热器。

根据设备布置及吊机上避雷针位置，海上升压站顶部需设置一定数量的针式接闪器，与吊机避雷针形成联合保护，主要保护VAST天线、气象站、VHF天线、GPS天线、NAVTEX天线、通信天线、暖通室外设备、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。

4.3 配电装置的侵入雷电波保护

在配电装置的适当部位配置氧化锌避雷器，以防止雷电侵入波对电气设备的损害。海上升压站的220 kV GIS与海底电缆连接处、与主变连接处，35 kV进出线处均设置氧化锌避雷器，以保护站内设备。400 V低压配电系统装设防浪涌保护器。

4.4 接地网布置

海上升压站以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。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，严禁在一个接地线中串联几个需要接地的部分。

海上升压站施工建造应遵循“先陆上后海上”、 “先水上后水下”的原则。建造过程中，应根据结构、电气、暖通、管系、舾装各专业特点，合理制定施工工序，减少各专业之间的交叉及相互干扰。

海上升压站上部组块宜在陆上完成全部设备安装、调试后，整体吊装装船，发运至海上升压站站址安装就位。

海上升压站集中体现了电力工程与海洋工程的结合，是集功能性、环保性、安全性、经济性于一体的集成产物。在吸收消化欧洲海上风电场的建造经验的基础上，将上述成果充分应用到实际工程中，可为后续项目提供更多的经验积累和技术储备。

作者：上海振华重工（集团）股份有限公司  吴欠欠等 | 海洋油气网整理发布

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德国第一个海上风电场Alpha Ventus施工高清演示

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振华重工海上升压站项目施工及工作演示