浅谈海上升压站和海工船舶电气系统的差异与共性

2021-12-21曹伟萍

中国设备工程 2021年23期

关键词：风电场配电电缆

曹伟萍

（上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200120）

海上升压站在设计和建造方面综合了陆上发变电设施、船舶及海工平台等相关规范，本文作者先后从事过海工船舶和海上升压站的电气建造管理，结合上述工作经验，浅谈海上升压站和海工船舶电气系统的差异与共性。

1 不同点

1.1 设计依据不同

海上升压站和海工船舶的电气系统设计依据是截然不同的，通常情况下，海上升压站依据的是相关国家标准和行业规范，而海工船舶需要满足相关国际航运标准和船级社规范，具体区别已在下方列出。

（1）海上升压站的电气系统设计依据主要采用如下规范和标准：《风电场接入电力系统技术规定》GB/T 19963、《风力发电场设计规范》GB 51096、《海上风力发电场设计标准》GB/T 51308、《交流电气装置的接地设计规范》GB/T 50065、《继电保护及安全自动装置技术规程》GB/T 14285、《火灾自动报警系统设计规范》GB 50116、《电力工程直流电源系统设计技术规程》DL/T 5044、《220～500kV变电所计算机监控系统设计技术规范》DL/T 5149、《风电场工程110～220kV海上升压变电站设计规范》NB/T 31115、《工程建设标准强制性条文电力工程部分》。

（2）入级CCS船舶的电气系统设计依据主要采用如下规范和标准：《钢质海船入级规范》《1974年国际海上人命安全公约》《MARPOL73/78防污公约》《1972年国际海上避撞规则》《船舶电气设备安装工艺》CB/T 3909、《船舶电缆敷设工艺》CB/T 3908。

1.2 使用功能不同

（1）海上升压站位于风电场的中心，作为风电场的现场控制中心，同时也作为风电场的应急避难场所，将整个风场的电能集中升压通过海缆传输至陆地，最终并入电网，简言之，海上升压站就是一座静止的、坐落在海上的变电站。海上升压站一般以无人值守的标准来设计，但是，通常会设置几间临时休息室，用于前期调试和后期运维人员使用。主结构通常会设置四层，用于安装布置两大类设备，一类是用于实现升压功能的系统设备，含35kV开关柜、35kV/220kV变压器、220kV配电装置及自动化监控系统；另一类是用于升压站本体运行、通信和安全保障的系统设备，含站用变压器、应急柴油机、消防设备、通风空调设备及通信设备等。

（2）船舶分为两大类，即带动力推进和不带动力推进，带动力推进的船是有自航能力的，除此之外，还附有其他功能，例如，常规的油田守护供应船有以下用途：①供应海上平台物资（供应泥浆、散料、燃油、淡水、钻井水及生活用品等）；②提油支持，并能对储油轮及提油轮进行拖带、顶推和捞取油管作业；③协助平台移位及就位；④对外消防；⑤为海上平台提供守护、救援等服务；⑥回收海面浮油和消除海面油污。因此，船舶是在围绕自身功能和属性要求下，配置相应的系统设备。

1.3 高压系统不同

（1）为了节约成本，缩短海缆长度，升压站通常会设在风场内偏向登陆点处，整个风场的风机组先通过35kV海缆接入海上升压站，升压至220kV后，再经220kV海缆接入陆上集控中心，最后由陆上集控中心并入当地电网，图1为升压站高压系统图。

图1 升压站高压系统图

风场的规划装机容量决定了海上升压站的输送容量，进而决定了升压站上高压系统设备配置，例如，风场的规划装机容量为400MW，那么通常会安装单机容量为4～6MW的风机，每4～5台风机串联在一起形成风机组，风机组通过35kV海缆分别连接至升压站上的35kV开关柜，因目前市场上成熟的SF6充气柜最大额定电流为2500A，根据计算出的工作电流，需在35kV侧设置2组单母线分段接线，每组单母线分段接线中的两段母线分别连接至不同的220kV主变低压侧，正常运行时母联开关断开，在任何一台主变发生故障或检修时，母联开关闭合，根据规范要求，装机容量大于150MVA，宜安装2台主变压器，因此配置2台200～220MVA（220/36.75-36.75kV）三相油浸式电力变压器，主变220kV高压侧中性点经隔离开关接地，主变35kV低压侧经接地变加小电阻接地。

（2）根据CCS规范定义，船舶高压系统是指额定电压大于1kV但不超过15kV的交流系统，或者是最高瞬时电压超过1.5kV的直流系统。常规燃油船舶的供电是通过柴油发电机，然后柴油发电机与主配电板通过船用电缆连接，主配电板对全船设备进行直接或间接送电，主配电板至少分成2个独立的分段，每个分段至少由1台发电机供电，全船高压系统设备选型跟配置主要由以下三点决定：①全船最大负载工况下的电力负荷值；②主配电板铜排上最大短路电流值；③母联开关的档位选择，图2为船舶高压系统图。

图2 船舶高压系统图

1.4 接地系统不同

（1）海上升压站是一座位于海上的变电站，为了确保人身和低压电气装置的安全，因此它的接地系统设计参照的是《交流电气装置的接地设计规范》。升压站上接地系统分为工作接地、保护接地、防雷接地、防静电接地及二次等电位接地，它们共用一个接地极，首先，利用钢管桩主立柱作为自然接地极，该钢管桩贯穿升压站底部至顶部，并与下部导管架焊接连接；其次，在升压站各层设置接地网，该接地网一般由铜排组成，所有用电设备均应通过接地电缆或铜排连接至就近的接地网；最后，接地网与钢管桩进行连接，形成完整的电气通路，升压站上的接地电流通过钢管桩直接引入大海。

低压系统采用三相五线制，接地类型为TN-S，PE线和N线分开，用电设备需双重接地，具体见图3升压站低压系统接地图。

图3 升压站低压系统接地图

海上雷电活动频繁，且升压站顶部布置很多通信天线以及吊机等设备，因此，为了保护顶部设备，设置多根避雷针形成联合保护，避雷针底部通过铜缆或铜排连接至钢管桩。

（2）船舶的接地系统相对简单，根据船舶行业标准CB/Z 132，所有用电设备的金属本体需根据实际情况进行有效接地，额定电压不超过AC30V和DC50V的除外。接地分为金属连接和导线连接，金属连接可采用齿形垫圈，以此实现金属本体和船体之间的有效接地，导线连接可采用铜线，以此实现金属本体与船体之间的有效接地。常规船舶上的低压系统采用三相四线制，接地类型为TN-C，PE线和N线是合并的。电缆两端都要进行有效接地，最终分支电路由供电端接地，通信、仪表及本质安全电路的电缆只要一端接地，具体见图4船舶低压系统接地图。

图4 船舶低压系统接地图

2 共同点

2.1 供电方式

（1）海上升压站的主电源是风机组，常规燃油动力船舶的主电源是柴油发电机组，它们的主电源应至少由两路风机组或发电机组组成，当其中任何一路断电或者故障，另外一路能够合闸供电，保证设备正常运行。两路主配电段分别通过变压器降压至低压，形成低压配电段，同时设置应急发电机提供应急电源，形成应急配电段。当任意一低压配电段断电或者故障，则合上母联开关，由另一低压配电段供电，如两个低压配电段均失电时，则启动应急发电机组，由应急配电段对应急负荷及重要负荷供电，图5为低压配电系统图。

图5 低压配电系统图

（2）在以上配电装置基础上，还应设置至少两套互为备用的蓄电池组和一套UPS不间断电源，用来保证在所有配电段失电时，控制、通信、火警和应急照明等重要系统能够正常工作，因此，无论是海上升压站还是常规燃油动力船舶，它们的供电方式是基本一致的。

2.2 监控系统

（1）海上风电场一体化监控系统在控制方面分四级控制：第一级为各风机、主变、柴发等设备本地控制，第二级为海上升压站内控制室监控系统控制，第三级为陆上控制中心的海上风电场一体化监控系统，第四级为远程中心集中监控。级别依次为第一级优先，第二级次之，第三级再次之，第四级再次之。

（2）有“AUT-0”标志的船舶，在正常航行时，推进机械装置由驾驶室控制站进行遥控，若驾驶室操纵系统发生故障，可转至集控室控制站进行遥控，若集控室操纵系统发生故障或需在机旁操纵时，可转至机旁进行应急操纵。级别依次是本地机旁优先，集控室操作次之，驾驶室遥控再次之。

综上所述，海上升压站和自动化等级高的船舶，它们的监控逻辑是一致的，均是本地优先，远程次之，从而满足无人值守和无人值班驾驶的需求。

2.3 无线通信、应急通信

海上升压站和船舶均要满足GMDSS规则的各项要求，至少需要配置以下设备，即2台双向甚高频（VHF）无线电话设备、2台雷达应答器、1套能发送和接收的VHF无线电装置、1套能在VHF-70频道上保持连续DSC值班的无线电装置、1台NAVTEX航行警告接收机、1台EPIRB卫星应急无线电示位标、若干只手持式对讲机。在满足以上配置外，还要根据海上升压站坐落的海域位置和船舶航行的海区及自身吨位大小，结合GMDSS规则中的规范标准和用户使用需求，额外配置相应数量的无线电和应急通信设备。

2.4 照明系统

（1）照明系统分为正常工作照明和应急照明，通常情况下，应急照明作为正常工作照明使用。正常工作照明由主配电段一路供电，而应急照明分别由主配电段和应急配电段双路供电，在重要场所、房间及通道处均设置应急照明，同时应急照明灯具自带蓄电池，当失电时先通过自身蓄电池进行供电，待柴发启动后自动切换到应急配电段供电。

（2）海上升压站和船舶上的灯具均选用船用型灯具，其中应急灯具需有应急标识，类似柴油发电机室、蓄电池室有爆炸危险区域的灯具应采用防爆型。

2.5 低压电缆敷设及防火封堵

（1）海上升压站的电压等级一般分为35kV以上和1kV以下，而船舶的电压等级一般不超过15kV，对于海上升压站1kV以下的低压电缆和船舶电缆均采用船用低烟、无卤阻燃电缆，其中消防系统、火灾报警系统、应急电源等重要回路采用船用耐火型电缆。电缆均敷设于电缆桥架上，在特殊区域需要穿钢管或软管，电力电缆、控制电缆及通信电缆应分层或分开敷设，在同一通道内电缆较多时或者同一侧多层支架上，宜按电压等级由高至低的电缆“由上而下”的顺序排列。

（2）所有电缆穿甲板开孔、电缆穿舱壁开孔时应采用防火、防水、气密封堵模块进行封堵，少量部位采用阻火包、防火堵料、防火隔板进行封堵，在电缆桥架分支处设置阻火措施。