海上风电机组用环保型交流66kV电气系统方案设计与应用

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　　受2019年1月开始实施的风电竞价上网政策的影响，海上风电市场迫切需要优化风电场开发成本，尤其是进一步降低度电成本。数据和经验表明，风电场在同样的装机规模下，采用大功率、大兆瓦级机型能够减少风电机组的台数，带来总体建设成本（设备购置成本、建设安装成本等）的有效降低;同时风电机组功率提升后，年发电量的增加和总运维成本的降低也会降低整个风电场的度电成本。因此海上风电市场将青睐单机容量更大的风电机组，尤其是对8MW及以上大功率风电机组的本地化开发和应用将成为必然趋势。
　　为了承载日益增长的单机容量规模，未来几年海上风电场现有主流的交流33kV场内集电系统也将逐步转向交流66kV电压等级。
　　国内外许多相关的交流66kV场内集电系统应用的调研结果表明，对于大部分深远海风电场来说，与现有交流33kV系统相比，虽然交流66kV电压等级的电气配套组件单价有所增加，但整个系统技术方案具有更低的综合成本优势和系统延展性，这主要归功于66kV技术方案具有：（1）更灵活的风电机组拓扑路线设计，能显著减少集电海缆总的用量，从而减轻后续敷设的工作量和敷设难度（更少的电缆交错敷设和J-tube的使用）：同时也能降低集电海缆用海面积，这也意味着海缆路由的审批更加容易;（2）更高的线路电压，带来更低的线路有功损耗，系统长期运行产生的总线损显著减低，从而提升了风电场的电能送出效率和效益;（3）更大的系统承载容量，对于大容量风电场来说，可以采用更少的海上升压平台来满足风电机组电力的汇聚和送出（预计700MW以内的风电场可通过单个66kV/220kV海上升压变电站向陆上电网传输）。
　　但对于交流66kV系统的开发和应用还存在明显的局限性。目前国内该系统只在东北地区的陆上电网有一定的应用，相关的电气设备缺乏在海上工况下的运行经验。而在国际上，一些设备制造商陆续推出了用于海上风电集电系统的66kV电气系统设备，但主要还是采用常规的矿物油绝缘技术、SF6灭弧和绝缘技术等非环保型技术方案。随着人们环保意识的增强和各国政府对温室气体排放的控制日益严苛，环保型交流66kV集电系统设备具有较大的市场需求。
　　本文就某结合多年的研究和试验推出、基于环保设计理念、专门用于大功率风电机组的交流66kV电气系统技术方案进行解析。该技术方案包括了一款可装于风电机组机舱或风塔内部的66kV/8-12MW的油浸式变压器和一台可安装在风塔内部的66kV/25kA紧凑的GIS开关设备。其中变压器采用了可自然降解的合成酯，而不是常规矿物油作为绝缘介质，而GIS开关设备也与传统的基于SF6技术的GIS不同，它采用了洁净空气（79.5%N2+20.5%O2）绝缘技术和真空断路器灭弧技术，不会产生任何温室气体的排放和泄漏，这些环境友好型的设计使得整个电气系统契合了风电作为一种清洁能源的环保理念。
　　66kV油浸式变压器
　　对于66kV的干式变压器来说，其体积和重量都远远超过目前风电机组系统常用的35kV干式变压器，这使得66kV干式变压器很难在风电机组系统有限的空间内进行布置，而轻量化和緊凑型66kV油浸式变压器（图2为一台8.7MW油浸式变压器）则很好地解决了这一难题。油浸式变压器的容量可以依据所接入风电机组容量的不同进行设计调整，目前最大额定功率已达到12MWo在产品功能方面，新型66kV油浸式变压器不仅通过了IEC 60076-1规定的型式试验的认证，还通过了IEC 60076-1所列所有特殊试验的验证。其主要的设计和技术特点如下：
　　一、空间紧凑型设计
　　通常来说，风电机组的机舱和塔筒内的空间都非常有限，因此变压器的尺寸需要设计得尽可能小，空间体积尽可能紧凑。新一代的油浸式变压器不仅可以安装在风塔中，也可以悬挂安装在风电机组机舱中，从而可进一步优化塔筒内的设备布置空间。
　　二、耐高温和环保型设计
　　结合强油冷却（KFWF）技术，绝缘材料采用芳纶基高温绝缘材料，而不是绝缘纸来增强变压器的高温绝缘性能是新型油浸式变压器的另一个特点。新型油浸式变压器采用IEC 61100/61039规定的K级防火合成酯，其燃点超过300°C，可以比矿物油在更高的温度下运行，且变压器运行时酯油不易转化成气体，油箱爆裂的风险几乎为零，因此提高了产品的耐高温性能和使用寿命。图3给出了合成酯、天然酯和矿物油的闪点及燃点，可以看出酯类油比矿物油的闪点和燃点温度分别高出近一倍，因此具有更优的耐高温性能和防爆防火性能。
　　近些年，合成酯或天然酯已在国内外高电压大容量的电力变压器上有广泛的应用（图4为容量为300MVA、电压为420kV的酯类油变压器），其技术和安全可靠性得到了实践的检验。与常规变压器采用的矿物绝缘油相比，酯类绝缘油在自然环境下可降解，即使泄漏也不会对环境产生污染。图5显示了合成酯、天然酯和矿物油的降解周期比较，酯类油在30天内基本可完全降解，而矿物油则只降解了不到20%。所以与传统矿物绝缘油变压器相比，新型油浸式变压器的环境适应性更强，也更环保。
　　三、兼顾海洋工况的增强型功能设计
　　尽管安装在户内（机舱或塔筒内），但在设计上，变压器仍须具有耐受海上恶劣环境的能力，如抗高盐度和高湿度空气腐蚀的能力、抗风和海浪引起的风电机组振动及摆动的能力等。采用全密封型的外壳设计、严格的壳体焊接加工、全面的箱体探伤测试和增强的表面涂装等改善工艺，能够加强海上变压器的防腐和抗振性能，并使其满足ISO的C4H级要求。同时通过额外的振动试验也可进一步验证变压器的抗振性能，如新型66kV油浸式变压器顺利通过的1500次X-Y-Z方向上3g的振动台加速度试验。
　　此外，水分是影响变压器绝缘性能及寿命的关键因素。绝缘材料在生产和使用中不可避免地会吸收水分，而绝缘材料中的水分越高，越容易使其加速老化。酯类绝缘油具有很强的吸水性（图6为酯类油和矿物油吸水速度的对比），能够吸收依附在绝缘材料中的水分，使绝缘材料保持干燥，降低绝缘材料的老化速度：虽然这些水分会造成酯类绝缘油本身的含水量上升，但这对其击穿电压的影响几乎可以忽略不计。如图7所示，只有当含水量接近600ppm，酯类绝缘油的击穿电压才会有显著下降，而这个值已经远远超过相关标准里对含水量的要求;与在矿物油中相比，酯类油中绝缘纸的老化速度慢了近45%（图8）：经验表明，与传统采用矿物油的变压器相比，采用酯类绝缘油的变压器的维护需求更低，使用寿命更长，更适用于海上工况。此外，变压器还配备了免维护呼吸器，所以即便在全密封失效后，呼吸器还能保证变压器油不受潮，从而保证变压器的寿命。 　　66kV GIS开关设备
　　风电机组内66kV开关设备主要用于升压变压器和风电机组集电电缆之间的连接，对风电机组电气主回路进行投切、控制和保护。由于SF6具有卓越的绝缘性能和灭弧性能，因此在传统高压开关产品（>52kV）中得到了广泛的应用，尤其是在GIS开关产品中。但同时作为一种全球变暖潜能GWP高达23900的温室气体，SF6对环境的负面影响也为人们所诟病。推进电力开关设备SF6气体替代技术也被中国政府纳入非CO2类温室气体减排的重要措施中;在国际上，出于环保考虑，各国政府也都在限制含氟类气体，尤其是SF6的使用。因此为了满足风电场的系统电压升级需求和日益严苛的环保减排要求，该66kV GIS开关采用了洁净空气绝缘和真空断路器灭弧技术，其设计考量和技术特点主要有如下几点：
　　一、环保型设计理念
　　作为GIS开关设备绝缘介质的洁净空气是由79.5%的N2和20.5%的O2组成的合成气体。表1给出了洁净空气与SF6主要气体特性的比较：与SF6相比，洁净空气的全球变暖潜值GWP（Global Warming Potential）为零，实现了真正意义上的CO2零排放，同时其臭氧消耗潜值ODP（Ozone DepletionPotential）也为零：可以保持长期运行的化学稳定性（灭弧时伴随高可逆的电离分解，使得隔离开关和接地开关始终具有足够的灭弧性能和绝缘性能）;其低温适应性强，在低至-55°C的环境低温下不液化;自身不易燃，带来更低的防火成本;材料兼容性优异，不会给设备的其他部件带来负面影响;无气体回收需求，处理更便捷，回收成本低;此外其自身和燃弧后的化学分解物均无物理毒性，无通风要求，更安全环保。虽然同等气压下洁净空气只具备约43%的SF6绝缘强度，但通过对充气压力和部件尺寸的设计优化以及电场的精准控制，就能够获得足够的绝缘配合水平，从而满足GIS设备的绝缘性能要求。
　　二、成熟可靠的真空灭弧技术
　　从20世纪70年代开始，由于优异的灭弧性能、高机械寿命和高可靠的免维护性能，真空灭弧室逐步在中压配网领域（≤40.5kV）成为主流应用。近些年，随着产品设计软件能力增强、零部件材料改进和生产工艺优化，单断口高压真空灭弧室也逐步被开发和应用于高压输电电网。图9比较了常规SF6自能式灭弧室与真空灭弧室在触头结构和燃弧时的不同。与SF6灭弧室相比，真空灭弧室主要优点有：
　　（1）高可靠性：使用了密封封装的真空断路器消除了来自外部的影响，没有任何分解物，从而不会引起系统绝缘的劣化。
　　（2）高短路开断次数：燃弧时间短、电弧扩散且弧电压低，对触头的烧蚀少，因此在产品全寿命周期内对额定电流的开断和额定短路电流的开断次数更高。
　　（3）尤其适用于低温环境和需频繁操作的应用场景。
　　（4）因为真空状态下触头不会氧化，触头系统的接触电阻非常小，通流后的温升小。
　　（5）高可利用性：高自动化的批量生产工艺，排除人为的装配失误。
　　三、紧凑型的结构设计
　　本66kV环保型GIS是专门为了满足大功率风电机组的应用而设计的。为了适应风电塔内有限的安装空间，其被设计得非常紧凑：首先采用了体积较小（高度更低）的真空灭弧室，而不是常规的SF6灭弧室来降低整个GIS间隔的高度：其次将隔离开关和接地开关等所有功能模块都整合在斷路器气室中，形成单一的气室结构，这样设计不仅减少了设备零部件的数量和整体重量，减少了设备部件问拼接面的数量（从而降低了整间隔漏气的风险），而且可实现整间隔生产和试验，便于设备的后续运输和现场安装。
　　四、兼顾功能和安全的组件设计
　　风电机组内开关设备主要是电缆进出线，分别连接发电侧的变压器和网侧的集电电缆，因此本66kV GIS采用变换多样的电缆进出线布置来满足风电场内电缆的连接需求。断路器采用电动弹簧储能机构作为操作动力，同时考虑到风电机组间集电电缆的长度（几百米到几公里不等）及其较高的对地电容（约为同等长度常规陆上架空线路的十几倍），其电缆充电电流开合水平和延长电寿命设计水平分别达到c2和E2等级要求，功能上完全契合了风电系统的特殊运行工况。整合在断路器气室中的隔离开关和接地开关均采用三工位结构，可配置多达3个三工位开关，其中下部接地开关配有电动弹簧储能机构，在下部网侧线路发生故障时可对设备提供快速的接地保护。此外气室顶部还配备了一个防爆膜作为压力释放装置，进一步提升了设备整体的安全性能。所有电缆舱采用了与中压环网柜电缆舱相似的设计，每个舱室中每相可并联安装多达3个用于电缆和/或避雷器连接的F3型T接插头，满足多样的集电电缆拓扑结构及其接线要求，并依照IEC 62271-200的试验要求进行了电缆舱内部燃弧型式试验（25kA/Is）来进一步验证设计的安全性。此外在电缆舱室中还可以安装用于系统测量和保护的电流互感器和电压指示装置。
　　与变压器的设计理念一样，为了满足海上特殊运行工况要求，通过对GIS零部件涂层厚度（如壳体油漆）和对材料（如控制柜不锈钢）等的特殊要求、在工厂部件装配过程中对密封拼接面和外露金属部件等的特殊防腐工艺要求和控制、工厂出运前/现场安装后的涂层修补措施等来保证GIS的防腐性能。在防腐性能方面除了满足相关IEC标准的要求，其保护等级也达到了ISO C4H级，并通过了ISO标准要求的诸如盐雾腐蚀试验、样块冷凝水气候测定、耐含二氧化硫潮湿空气测定以及油漆附着力检测等多项验证试验。
　　对于抗振性能，通过在产品设计初期对该GIS的布置结构进行相关的受力计算来确定GIS安装基础、钢结构支撑等所需的设计强度及后续安装固定工艺要求。如断路器底座钢结构基础的受力计算需要考虑开关设备自身重量的静载荷、热膨胀载荷、导体张力、断路器操作力、摆动/振动三维受力载荷，甚至是内部燃弧故障作用力等各种因素。这些考量和设计计算都保证了该66kV GIS设备具有足够的机械强度和抗振性能。此外还通过X-Y-Z方向上的0.5g振动试验验证了其抗振可靠性。
　　现场运行实例
　　2017年9月，丹麦的Nissum Brodning Vind风电场安装了4套该66kV电气系统。由于风电场离岸距离近，4台7MW风电机组，通过与该66kV电气系统环接后再与岸上变电站直连（图10中两个红圈设备分别是66kV油浸式变压器和66kV环保型GIS）。此外在英国的EastAngliaI和荷兰的Borssele I+II风电场，该环保型的66kV系统设备也在陆续交付使用，并实现部分送电。
　　结论
　　本文所述基于先进环保技术、为大功率风电机组设计、紧凑型66kV电气系统已成功开发并投放市场。与常规66kV电气系统相比，其所采用的合成酯绝缘技术、洁净空气绝缘技术以及高压真空灭弧技术等在保证或提升设备性能的同时，在设计和运维上实现了环境友好，契合了风电作为可再生能源的绿色环保理念。同时首个66kV风电场项目经验表明，该66kV电气系统现场安装简单、运行操作安全可靠。随着政府和社会环保减排意识的增强和对海上风电开发力度的增加，国内深远海风电场对场内66kV电气系统的需求也将变得更加迫切，因此该环保型66kV电气系统具有巨大的应用前景。
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