双碳背景下海上风电开关设备的发展方向（一）

据预测2030年，电力需求约达到11万亿千瓦时，在当前水平基础上增长54%，年均增长约4%；而全球电力生产的碳排放约占全部排放的42%，在中国这一比例达到51%；清洁能源发电势在必行。要实现2030年前碳达峰目标，中国仍须新增大约650GW光伏、600GW陆上风电、60GW海上风电、113GW水电和66GW核电装机；风电和光伏装机预测都将以每年50~60GW速度增长，其中海上风电是增速最快的领域。

 

1. 引言

开关设备作为电力传输、使用过程中控制、保护的核心设备，也是传统火力发电站中发电系统、厂用电设备进行开合、控制和保护的关键设备。双碳背景下，开关设备同样广泛用于新能源发电，需要按照新能源发电的需求开发出符合需求的绿色环保产品。当前，我国海上风电产业已进入规模化、商业化发展阶段，但仍存在一些制约因素亟待消除：关键核心技术创新能力不强，产业协同性不够。从欧洲海上风电的发展规律来看，我国海上风电向大容量、深远海发展是必然趋势。但目前一些核心、关键技术不够成熟，无法适应产业发展的需要，也制约着成本的快速下降，国产海上风电集电、输电设备应用、可靠性的问题就是需要提高的技术。

2. 海上风电应用

海上风电通过风机转动带动发电机发电，发电机发出的电经过变流器、升压变压器升至40.5kV、再经控制开关与集电电缆相连，集电电缆通过手拉手形式把各个风机发出的电汇集起来输送到海上升压变电站，再经过升压至220kV后，通过高压送出电缆连接到陆上集控中心，与电网连接。

图1 海上风电电力输出系统

海上风电所需要设备有单机升压变压器，控制开关柜；还有升压变电站所需要的开关设备和升压变压器。海上风电电力输出系统示意，见图1。

3. 海上风电设备的要求

海上风电设备需要选择可靠性高、寿命长、故障率低、维护量小、环保型的设备，且考虑海上环境恶劣，室内安装。设备尺寸和重量应尽量小，减少风机机舱、海上升压变电站平台的面积和造价。

海上风电发电机发出的电经变压器升压至40.5/72.5kV，采用六氟化硫或氮气等气体绝缘金属封闭开关设备或气体绝缘开关柜作为集电线路开关，集电线路采用海底电缆输送至海上升压站。

海上升压站主变尽量布置在室内，散热器采用外置的方式，散热器可考虑定期维护或更换；主变高压侧采用气体绝缘金属封闭开关设备，低压侧配电装置采用六氟化硫或氮气等气体绝缘金属封闭开关设备或气体绝缘开关柜；海上升压变电站集电线路及送出线路采用海底电缆，海缆充电功率大，应配置适当的过电压保护装置以限制工频过电压和操作过电压；无功补偿宜选用静止无功发生器SVG。

升压站设置2台及以上主变压器，单台主变容量应考虑冗余，当一台主变故障退出运行时，剩余主变可送出风电场60%及以上的容量。海上升压站离岸距离较远，无系统配电网电源作为备用电源，考虑到可靠性，故一般设置2回站用工作电源，互为备用，当站用电源故障时，采用独立的应急电源供电。

海上风电电气设备的防护等级不应小于IP56，防腐等级不应小于C5-M；户内主要电气设备的防护等级不应小于IP4X，防腐等级不应小于C4。

海上风电实际运行期一般为25年左右，防腐设计年限25年。

海上风电设备的其它要求：

（1）安全、防火，外壳设计满足耐内部电弧要求、通过内部电弧试验要求，配备弧光保护；

（2）成本低，陆上风、火同价，海上降本提效；

（3）频繁高、低负载循环，开关设备耐受冷热冲击；

（4）低电压穿越，抗过流机械强度好。

通用电气（GE）对海上风电开关设备的主要要求如下：

（1）使用温度范围  -25 ^O C ~ +50 ^O C。

（2）湿度范围   IEC60721 3K6 10~100%相对湿度。

（3）污染物

   a)机械源（例如沙尘）IEC 60721 3S1：沙土：无; 粉尘：0.01 mg / m3; 沉淀：0.4 mg /（m2 * h）；

  b)化学源（例如盐）IEC 60721 3C2：盐雾。

（4）海拔1000米，超过1000米按照IEC62271-1-2007, 2.2.1降容。

（5）震动

1. 中压开关设备位于塔架门部分的基础框架上，通过基础和框架震动会影响开关柜；

2. 开关柜需要承受表1所示震动耐受值；

表1 开关柜需承受的震动耐受值

c. 安装在风力涡轮机中的开关柜应承受从0到10Hz，水平连续加速度（沿x和y方向）为0.4 m /s2的震动，持续20年。

（6）雷电冲击

根据IEC61312-1/2 雷电区域2，为保护轮机电气系统不受雷击，开关柜应安装电缆头避雷器。

（7）电磁兼容

电磁兼容性需满足下列标准要求：

IEC 61000-6-2 电磁兼容性（EMC）第6-2部分：通用标准工业环境抗扰性；

IEC 61000-6-4电磁兼容性(EMC)第6-4部分:通用标准.工业环境用辐射标准；

IEC 61000-4-2 静电标准；

IEC 61000-4-3 多频率辐射抗扰度试验方法；

IEC 61000-4-4 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验；

IEC 61000-4-5浪涌抗扰度试验；

IEC 61000-4-6 耐电源及射频磁场抗干扰试验；

IEC 61000-4-11电压下降,短路和电压偏差抗扰试验。

（8）可靠性要求

1. 在规定的使用寿命内，通过“预防性维护”中指定的维护，开关设备的MTBF（平均故障间隔时间）应大于1,661,000 小时，也就是189.6年。供应商应证明系统符合规定的MTBF。这应通过设计分析、经验数据或测试来完成。

2.  修复性维修

开关柜平均维修时间（MTTR）小于4小时；可更换部件的重量应小于16千克且小于57升，具有明显的零件编号标识，具有警告或特殊说明等标签。

c.  使用寿命，满载条件下设计20年要求，质保期5年。