海上風(fēng)電機(jī)組用環(huán)保型交流66kV電氣系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李德軍 張旭 呂熹陽(yáng) 鐘孝泰

受2019年1月開始實(shí)施的風(fēng)電競(jìng)價(jià)上網(wǎng)政策的影響，海上風(fēng)電市場(chǎng)迫切需要優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)成本，尤其是進(jìn)一步降低度電成本。數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)表明，風(fēng)電場(chǎng)在同樣的裝機(jī)規(guī)模下，采用大功率、大兆瓦級(jí)機(jī)型能夠減少風(fēng)電機(jī)組的臺(tái)數(shù)，帶來(lái)總體建設(shè)成本（設(shè)備購(gòu)置成本、建設(shè)安裝成本等）的有效降低;同時(shí)風(fēng)電機(jī)組功率提升后，年發(fā)電量的增加和總運(yùn)維成本的降低也會(huì)降低整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的度電成本。因此海上風(fēng)電市場(chǎng)將青睞單機(jī)容量更大的風(fēng)電機(jī)組，尤其是對(duì)8MW及以上大功率風(fēng)電機(jī)組的本地化開發(fā)和應(yīng)用將成為必然趨勢(shì)。

為了承載日益增長(zhǎng)的單機(jī)容量規(guī)模，未來(lái)幾年海上風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)有主流的交流33kV場(chǎng)內(nèi)集電系統(tǒng)也將逐步轉(zhuǎn)向交流66kV電壓等級(jí)。

國(guó)內(nèi)外許多相關(guān)的交流66kV場(chǎng)內(nèi)集電系統(tǒng)應(yīng)用的調(diào)研結(jié)果表明，對(duì)于大部分深遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說，與現(xiàn)有交流33kV系統(tǒng)相比，雖然交流66kV電壓等級(jí)的電氣配套組件單價(jià)有所增加，但整個(gè)系統(tǒng)技術(shù)方案具有更低的綜合成本優(yōu)勢(shì)和系統(tǒng)延展性，這主要?dú)w功于66kV技術(shù)方案具有：（1）更靈活的風(fēng)電機(jī)組拓?fù)渎肪€設(shè)計(jì)，能顯著減少集電海纜總的用量，從而減輕后續(xù)敷設(shè)的工作量和敷設(shè)難度（更少的電纜交錯(cuò)敷設(shè)和J-tube的使用）：同時(shí)也能降低集電海纜用海面積，這也意味著海纜路由的審批更加容易;（2）更高的線路電壓，帶來(lái)更低的線路有功損耗，系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行產(chǎn)生的總線損顯著減低，從而提升了風(fēng)電場(chǎng)的電能送出效率和效益;（3）更大的系統(tǒng)承載容量，對(duì)于大容量風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說，可以采用更少的海上升壓平臺(tái)來(lái)滿足風(fēng)電機(jī)組電力的匯聚和送出（預(yù)計(jì)700MW以內(nèi)的風(fēng)電場(chǎng)可通過單個(gè)66kV/220kV海上升壓變電站向陸上電網(wǎng)傳輸）。

但對(duì)于交流66kV系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用還存在明顯的局限性。目前國(guó)內(nèi)該系統(tǒng)只在東北地區(qū)的陸上電網(wǎng)有一定的應(yīng)用，相關(guān)的電氣設(shè)備缺乏在海上工況下的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。而在國(guó)際上，一些設(shè)備制造商陸續(xù)推出了用于海上風(fēng)電集電系統(tǒng)的66kV電氣系統(tǒng)設(shè)備，但主要還是采用常規(guī)的礦物油絕緣技術(shù)、SF6滅弧和絕緣技術(shù)等非環(huán)保型技術(shù)方案。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和各國(guó)政府對(duì)溫室氣體排放的控制日益嚴(yán)苛，環(huán)保型交流66kV集電系統(tǒng)設(shè)備具有較大的市場(chǎng)需求。

本文就某結(jié)合多年的研究和試驗(yàn)推出、基于環(huán)保設(shè)計(jì)理念、專門用于大功率風(fēng)電機(jī)組的交流66kV電氣系統(tǒng)技術(shù)方案進(jìn)行解析。該技術(shù)方案包括了一款可裝于風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙或風(fēng)塔內(nèi)部的66kV/8-12MW的油浸式變壓器和一臺(tái)可安裝在風(fēng)塔內(nèi)部的66kV/25kA緊湊的GIS開關(guān)設(shè)備。其中變壓器采用了可自然降解的合成酯，而不是常規(guī)礦物油作為絕緣介質(zhì)，而GIS開關(guān)設(shè)備也與傳統(tǒng)的基于SF6技術(shù)的GIS不同，它采用了潔凈空氣（79.5%N2+20.5%O2）絕緣技術(shù)和真空斷路器滅弧技術(shù)，不會(huì)產(chǎn)生任何溫室氣體的排放和泄漏，這些環(huán)境友好型的設(shè)計(jì)使得整個(gè)電氣系統(tǒng)契合了風(fēng)電作為一種清潔能源的環(huán)保理念。

66kV油浸式變壓器

對(duì)于66kV的干式變壓器來(lái)說，其體積和重量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)常用的35kV干式變壓器，這使得66kV干式變壓器很難在風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)有限的空間內(nèi)進(jìn)行布置，而輕量化和緊湊型66kV油浸式變壓器（圖2為一臺(tái)8.7MW油浸式變壓器）則很好地解決了這一難題。油浸式變壓器的容量可以依據(jù)所接入風(fēng)電機(jī)組容量的不同進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，目前最大額定功率已達(dá)到12MWo在產(chǎn)品功能方面，新型66kV油浸式變壓器不僅通過了IEC 60076-1規(guī)定的型式試驗(yàn)的認(rèn)證，還通過了IEC 60076-1所列所有特殊試驗(yàn)的驗(yàn)證。其主要的設(shè)計(jì)和技術(shù)特點(diǎn)如下：

一、空間緊湊型設(shè)計(jì)

通常來(lái)說，風(fēng)電機(jī)組的機(jī)艙和塔筒內(nèi)的空間都非常有限，因此變壓器的尺寸需要設(shè)計(jì)得盡可能小，空間體積盡可能緊湊。新一代的油浸式變壓器不僅可以安裝在風(fēng)塔中，也可以懸掛安裝在風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙中，從而可進(jìn)一步優(yōu)化塔筒內(nèi)的設(shè)備布置空間。

二、耐高溫和環(huán)保型設(shè)計(jì)

結(jié)合強(qiáng)油冷卻（KFWF）技術(shù)，絕緣材料采用芳綸基高溫絕緣材料，而不是絕緣紙來(lái)增強(qiáng)變壓器的高溫絕緣性能是新型油浸式變壓器的另一個(gè)特點(diǎn)。新型油浸式變壓器采用IEC 61100/61039規(guī)定的K級(jí)防火合成酯，其燃點(diǎn)超過300°C，可以比礦物油在更高的溫度下運(yùn)行，且變壓器運(yùn)行時(shí)酯油不易轉(zhuǎn)化成氣體，油箱爆裂的風(fēng)險(xiǎn)幾乎為零，因此提高了產(chǎn)品的耐高溫性能和使用壽命。圖3給出了合成酯、天然酯和礦物油的閃點(diǎn)及燃點(diǎn)，可以看出酯類油比礦物油的閃點(diǎn)和燃點(diǎn)溫度分別高出近一倍，因此具有更優(yōu)的耐高溫性能和防爆防火性能。

近些年，合成酯或天然酯已在國(guó)內(nèi)外高電壓大容量的電力變壓器上有廣泛的應(yīng)用（圖4為容量為300MVA、電壓為420kV的酯類油變壓器），其技術(shù)和安全可靠性得到了實(shí)踐的檢驗(yàn)。與常規(guī)變壓器采用的礦物絕緣油相比，酯類絕緣油在自然環(huán)境下可降解，即使泄漏也不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。圖5顯示了合成酯、天然酯和礦物油的降解周期比較，酯類油在30天內(nèi)基本可完全降解，而礦物油則只降解了不到20%。所以與傳統(tǒng)礦物絕緣油變壓器相比，新型油浸式變壓器的環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)，也更環(huán)保。

三、兼顧海洋工況的增強(qiáng)型功能設(shè)計(jì)

盡管安裝在戶內(nèi)（機(jī)艙或塔筒內(nèi)），但在設(shè)計(jì)上，變壓器仍須具有耐受海上惡劣環(huán)境的能力，如抗高鹽度和高濕度空氣腐蝕的能力、抗風(fēng)和海浪引起的風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)及擺動(dòng)的能力等。采用全密封型的外殼設(shè)計(jì)、嚴(yán)格的殼體焊接加工、全面的箱體探傷測(cè)試和增強(qiáng)的表面涂裝等改善工藝，能夠加強(qiáng)海上變壓器的防腐和抗振性能，并使其滿足ISO的C4H級(jí)要求。同時(shí)通過額外的振動(dòng)試驗(yàn)也可進(jìn)一步驗(yàn)證變壓器的抗振性能，如新型66kV油浸式變壓器順利通過的1500次X-Y-Z方向上3g的振動(dòng)臺(tái)加速度試驗(yàn)。

此外，水分是影響變壓器絕緣性能及壽命的關(guān)鍵因素。絕緣材料在生產(chǎn)和使用中不可避免地會(huì)吸收水分，而絕緣材料中的水分越高，越容易使其加速老化。酯類絕緣油具有很強(qiáng)的吸水性（圖6為酯類油和礦物油吸水速度的對(duì)比），能夠吸收依附在絕緣材料中的水分，使絕緣材料保持干燥，降低絕緣材料的老化速度：雖然這些水分會(huì)造成酯類絕緣油本身的含水量上升，但這對(duì)其擊穿電壓的影響幾乎可以忽略不計(jì)。如圖7所示，只有當(dāng)含水量接近600ppm，酯類絕緣油的擊穿電壓才會(huì)有顯著下降，而這個(gè)值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)里對(duì)含水量的要求;與在礦物油中相比，酯類油中絕緣紙的老化速度慢了近45%（圖8）：經(jīng)驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)采用礦物油的變壓器相比，采用酯類絕緣油的變壓器的維護(hù)需求更低，使用壽命更長(zhǎng)，更適用于海上工況。此外，變壓器還配備了免維護(hù)呼吸器，所以即便在全密封失效后，呼吸器還能保證變壓器油不受潮，從而保證變壓器的壽命。

66kV GIS開關(guān)設(shè)備

風(fēng)電機(jī)組內(nèi)66kV開關(guān)設(shè)備主要用于升壓變壓器和風(fēng)電機(jī)組集電電纜之間的連接，對(duì)風(fēng)電機(jī)組電氣主回路進(jìn)行投切、控制和保護(hù)。由于SF6具有卓越的絕緣性能和滅弧性能，因此在傳統(tǒng)高壓開關(guān)產(chǎn)品（>52kV）中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在GIS開關(guān)產(chǎn)品中。但同時(shí)作為一種全球變暖潛能GWP高達(dá)23900的溫室氣體，SF6對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響也為人們所詬病。推進(jìn)電力開關(guān)設(shè)備SF6氣體替代技術(shù)也被中國(guó)政府納入非CO2類溫室氣體減排的重要措施中;在國(guó)際上，出于環(huán)保考慮，各國(guó)政府也都在限制含氟類氣體，尤其是SF6的使用。因此為了滿足風(fēng)電場(chǎng)的系統(tǒng)電壓升級(jí)需求和日益嚴(yán)苛的環(huán)保減排要求，該66kV GIS開關(guān)采用了潔凈空氣絕緣和真空斷路器滅弧技術(shù)，其設(shè)計(jì)考量和技術(shù)特點(diǎn)主要有如下幾點(diǎn)：

一、環(huán)保型設(shè)計(jì)理念

作為GIS開關(guān)設(shè)備絕緣介質(zhì)的潔凈空氣是由79.5%的N2和20.5%的O2組成的合成氣體。表1給出了潔凈空氣與SF6主要?dú)怏w特性的比較：與SF6相比，潔凈空氣的全球變暖潛值GWP（Global Warming Potential）為零，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的CO2零排放，同時(shí)其臭氧消耗潛值ODP（Ozone DepletionPotential）也為零：可以保持長(zhǎng)期運(yùn)行的化學(xué)穩(wěn)定性（滅弧時(shí)伴隨高可逆的電離分解，使得隔離開關(guān)和接地開關(guān)始終具有足夠的滅弧性能和絕緣性能）;其低溫適應(yīng)性強(qiáng)，在低至-55°C的環(huán)境低溫下不液化;自身不易燃，帶來(lái)更低的防火成本;材料兼容性優(yōu)異，不會(huì)給設(shè)備的其他部件帶來(lái)負(fù)面影響;無(wú)氣體回收需求，處理更便捷，回收成本低;此外其自身和燃弧后的化學(xué)分解物均無(wú)物理毒性，無(wú)通風(fēng)要求，更安全環(huán)保。雖然同等氣壓下潔凈空氣只具備約43%的SF6絕緣強(qiáng)度，但通過對(duì)充氣壓力和部件尺寸的設(shè)計(jì)優(yōu)化以及電場(chǎng)的精準(zhǔn)控制，就能夠獲得足夠的絕緣配合水平，從而滿足GIS設(shè)備的絕緣性能要求。

二、成熟可靠的真空滅弧技術(shù)

從20世紀(jì)70年代開始，由于優(yōu)異的滅弧性能、高機(jī)械壽命和高可靠的免維護(hù)性能，真空滅弧室逐步在中壓配網(wǎng)領(lǐng)域（≤40.5kV）成為主流應(yīng)用。近些年，隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件能力增強(qiáng)、零部件材料改進(jìn)和生產(chǎn)工藝優(yōu)化，單斷口高壓真空滅弧室也逐步被開發(fā)和應(yīng)用于高壓輸電電網(wǎng)。圖9比較了常規(guī)SF6自能式滅弧室與真空滅弧室在觸頭結(jié)構(gòu)和燃弧時(shí)的不同。與SF6滅弧室相比，真空滅弧室主要優(yōu)點(diǎn)有：

（1）高可靠性：使用了密封封裝的真空斷路器消除了來(lái)自外部的影響，沒有任何分解物，從而不會(huì)引起系統(tǒng)絕緣的劣化。

（2）高短路開斷次數(shù)：燃弧時(shí)間短、電弧擴(kuò)散且弧電壓低，對(duì)觸頭的燒蝕少，因此在產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)對(duì)額定電流的開斷和額定短路電流的開斷次數(shù)更高。

（3）尤其適用于低溫環(huán)境和需頻繁操作的應(yīng)用場(chǎng)景。

（4）因?yàn)檎婵諣顟B(tài)下觸頭不會(huì)氧化，觸頭系統(tǒng)的接觸電阻非常小，通流后的溫升小。

（5）高可利用性：高自動(dòng)化的批量生產(chǎn)工藝，排除人為的裝配失誤。

三、緊湊型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本66kV環(huán)保型GIS是專門為了滿足大功率風(fēng)電機(jī)組的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。為了適應(yīng)風(fēng)電塔內(nèi)有限的安裝空間，其被設(shè)計(jì)得非常緊湊：首先采用了體積較?。ǜ叨雀停┑恼婵諟缁∈?，而不是常規(guī)的SF6滅弧室來(lái)降低整個(gè)GIS間隔的高度：其次將隔離開關(guān)和接地開關(guān)等所有功能模塊都整合在斷路器氣室中，形成單一的氣室結(jié)構(gòu)，這樣設(shè)計(jì)不僅減少了設(shè)備零部件的數(shù)量和整體重量，減少了設(shè)備部件問拼接面的數(shù)量（從而降低了整間隔漏氣的風(fēng)險(xiǎn)），而且可實(shí)現(xiàn)整間隔生產(chǎn)和試驗(yàn)，便于設(shè)備的后續(xù)運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)安裝。

四、兼顧功能和安全的組件設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)組內(nèi)開關(guān)設(shè)備主要是電纜進(jìn)出線，分別連接發(fā)電側(cè)的變壓器和網(wǎng)側(cè)的集電電纜，因此本66kV GIS采用變換多樣的電纜進(jìn)出線布置來(lái)滿足風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)電纜的連接需求。斷路器采用電動(dòng)彈簧儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)作為操作動(dòng)力，同時(shí)考慮到風(fēng)電機(jī)組間集電電纜的長(zhǎng)度（幾百米到幾公里不等）及其較高的對(duì)地電容（約為同等長(zhǎng)度常規(guī)陸上架空線路的十幾倍），其電纜充電電流開合水平和延長(zhǎng)電壽命設(shè)計(jì)水平分別達(dá)到c2和E2等級(jí)要求，功能上完全契合了風(fēng)電系統(tǒng)的特殊運(yùn)行工況。整合在斷路器氣室中的隔離開關(guān)和接地開關(guān)均采用三工位結(jié)構(gòu)，可配置多達(dá)3個(gè)三工位開關(guān)，其中下部接地開關(guān)配有電動(dòng)彈簧儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，在下部網(wǎng)側(cè)線路發(fā)生故障時(shí)可對(duì)設(shè)備提供快速的接地保護(hù)。此外氣室頂部還配備了一個(gè)防爆膜作為壓力釋放裝置，進(jìn)一步提升了設(shè)備整體的安全性能。所有電纜艙采用了與中壓環(huán)網(wǎng)柜電纜艙相似的設(shè)計(jì)，每個(gè)艙室中每相可并聯(lián)安裝多達(dá)3個(gè)用于電纜和/或避雷器連接的F3型T接插頭，滿足多樣的集電電纜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其接線要求，并依照IEC 62271-200的試驗(yàn)要求進(jìn)行了電纜艙內(nèi)部燃弧型式試驗(yàn)（25kA/Is）來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的安全性。此外在電纜艙室中還可以安裝用于系統(tǒng)測(cè)量和保護(hù)的電流互感器和電壓指示裝置。

與變壓器的設(shè)計(jì)理念一樣，為了滿足海上特殊運(yùn)行工況要求，通過對(duì)GIS零部件涂層厚度（如殼體油漆）和對(duì)材料（如控制柜不銹鋼）等的特殊要求、在工廠部件裝配過程中對(duì)密封拼接面和外露金屬部件等的特殊防腐工藝要求和控制、工廠出運(yùn)前/現(xiàn)場(chǎng)安裝后的涂層修補(bǔ)措施等來(lái)保證GIS的防腐性能。在防腐性能方面除了滿足相關(guān)IEC標(biāo)準(zhǔn)的要求，其保護(hù)等級(jí)也達(dá)到了ISO C4H級(jí)，并通過了ISO標(biāo)準(zhǔn)要求的諸如鹽霧腐蝕試驗(yàn)、樣塊冷凝水氣候測(cè)定、耐含二氧化硫潮濕空氣測(cè)定以及油漆附著力檢測(cè)等多項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)。

對(duì)于抗振性能，通過在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期對(duì)該GIS的布置結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)的受力計(jì)算來(lái)確定GIS安裝基礎(chǔ)、鋼結(jié)構(gòu)支撐等所需的設(shè)計(jì)強(qiáng)度及后續(xù)安裝固定工藝要求。如斷路器底座鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的受力計(jì)算需要考慮開關(guān)設(shè)備自身重量的靜載荷、熱膨脹載荷、導(dǎo)體張力、斷路器操作力、擺動(dòng)/振動(dòng)三維受力載荷，甚至是內(nèi)部燃弧故障作用力等各種因素。這些考量和設(shè)計(jì)計(jì)算都保證了該66kV GIS設(shè)備具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和抗振性能。此外還通過X-Y-Z方向上的0.5g振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證了其抗振可靠性。

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)例

2017年9月，丹麥的Nissum Brodning Vind風(fēng)電場(chǎng)安裝了4套該66kV電氣系統(tǒng)。由于風(fēng)電場(chǎng)離岸距離近，4臺(tái)7MW風(fēng)電機(jī)組，通過與該66kV電氣系統(tǒng)環(huán)接后再與岸上變電站直連（圖10中兩個(gè)紅圈設(shè)備分別是66kV油浸式變壓器和66kV環(huán)保型GIS）。此外在英國(guó)的EastAngliaI和荷蘭的Borssele I+II風(fēng)電場(chǎng)，該環(huán)保型的66kV系統(tǒng)設(shè)備也在陸續(xù)交付使用，并實(shí)現(xiàn)部分送電。

結(jié)論

本文所述基于先進(jìn)環(huán)保技術(shù)、為大功率風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)、緊湊型66kV電氣系統(tǒng)已成功開發(fā)并投放市場(chǎng)。與常規(guī)66kV電氣系統(tǒng)相比，其所采用的合成酯絕緣技術(shù)、潔凈空氣絕緣技術(shù)以及高壓真空滅弧技術(shù)等在保證或提升設(shè)備性能的同時(shí)，在設(shè)計(jì)和運(yùn)維上實(shí)現(xiàn)了環(huán)境友好，契合了風(fēng)電作為可再生能源的綠色環(huán)保理念。同時(shí)首個(gè)66kV風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)表明，該66kV電氣系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單、運(yùn)行操作安全可靠。隨著政府和社會(huì)環(huán)保減排意識(shí)的增強(qiáng)和對(duì)海上風(fēng)電開發(fā)力度的增加，國(guó)內(nèi)深遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)對(duì)場(chǎng)內(nèi)66kV電氣系統(tǒng)的需求也將變得更加迫切，因此該環(huán)保型66kV電氣系統(tǒng)具有巨大的應(yīng)用前景。