海上升压变电站电缆层的钢结构防火研究

周 焱

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335）

0 引言

欧洲从上世纪80~90年代开始了海上风能资源利用的研究，并于1990在瑞典安装了世界上第一台海上风机。但直到2000年前，欧洲各国的海上风电项目仍带有研究和示范的性质，普遍具有规模小、离岸近、水深浅的特点。该阶段的海上风电场项目因为电能输送过程中的损耗不大，所以不需要通过海上升压变电站升压后送出，而是直接采用海底电缆与陆上的变电站或是其他储能设备进行连接。到了2001年，以丹麦哥本哈根附近海域的Middelgrunden海上风电场的建成为标志，欧洲海上风电市场全面进入了商业化示范阶段，该阶段的特点是单机容量和总装机规模变大，部分项目离岸距离超过10km。此种情况下，继续采用海底电缆直接连接海上风电机组与陆上变电站，会导致线路压降大、电能损耗和投资变大。因此，海上升压变电站逐渐成为装机容量较大且离岸较远的海上风电场项目的标准配置。

在国家政策支持和技术进步的推动下，我国的海上风电事业发展突飞猛进。截至到2021年9月底，中国海上风电累计并网容量已达1318万千瓦，装机规模世界第一。随着近海资源逐渐消耗殆尽，风电场逐步向远海场址发展，海上升压变电站也成为我国海上风电场不可或缺的一部分。

1 电缆层防火设计的意义

海上升压变电站作为海上风电场的枢纽建筑，具有汇集和输送电能的重要作用。它的正常运作确保了整个海上风电场的有效运行，确保了风机所产生的电能可以有效地输送到陆地。海上升压变电站受限于其在海上的工作面积，往往人员、油气、电气设备等高度集中，若没有一定的防范措施，容易发生火灾、爆炸等一系列安全事故。目前已建和在建的海上升压变电站均为钢结构建筑，一旦火灾现场温度超过540℃，钢结构就会迅速失去承载力，在短时间内出现较大的形变，甚至整体坍塌。考虑到海上升压变电站距陆地较远，因此发生安全事故后的救援工作十分困难，且无法原地维修，必须拆除后运回陆上基地大修，不仅施工维修费用高昂，而且会造成海上风电场一段时间生产的电力无法输出，损失难以估计。为了保证变电站的稳定运行，变电站电缆层的钢结构防火应该引起设计及运维人员的重视。

2 电缆层防火设计存在的难点

2.1 电缆层防火设计要点

海上升压变电站经过多年的技术升级迭代，其上部组块在竖向布局上已形成了较为固定的模式，一般自下而上分为三层。底层作为电缆层，同时布置逃生场地及事故油罐等，一层甲板一般布置变压器室和高压配电室等，二层甲板可布置二次设备室和蓄电池室等。

海上升压变电站上两层的设备房间层考虑到电气设备比较精细，为防止海上盐雾的腐蚀，一般采用全封闭结构，并且配备微增压系统，保证室内的气压高于室外，可有效避免室外空气的渗入。如确实需要和室外进行空气交换的房间，则在通风口安装盐雾过滤器，以避免盐雾的侵蚀。而电缆层则无需考虑对盐雾腐蚀的防护，且为了电缆能高效的散热，在电缆层平台四周不设置围护结构，为四面开敞布局，电缆均暴露于室外，而电缆之上就是上一层的梁板等钢构件，二者近在咫尺。

因为电缆层不是一个围合的密闭空间，现有的常规消防设施难以对其起到有效的防护作用，水喷淋系统不能用于电气设备，高压细水喷雾系统可以用于电气设备，但使用条件必须为封闭空间，故电缆层只能依靠钢结构被动防火。

2.2 电缆层设计规范

现有的涉及到海上升压变电站防火的国内外规范主要有:《风电场工程110kV~220kV海上升压变电站变电站设计规范》（NB/T 31115-2017）、《海上风力发电场设计标准》（GB/T 51308-2019）、中国船级社的《海上升压变电站平台指南》、《国际海上人命安全公约》（SOLAS）、DNV船级社的《Off-shore Substation for Wind Farms》（DNV-OS-J201）等。

以《风电场工程110kV~220kV海上升压变电站变电站设计规范》为例，海上升压变电站防火设计的主要流程为：

（1）根据海上升压变电站的各个舱室的性质，对其进行火灾危险性分类，共计6大类。

（2）根据不同舱室的火灾危险性类别，来判定舱室与舱室之间的舱壁或甲板的耐火分隔要求，分为A-0级、A-15级、A-60级。

（3）根据耐火分隔要求，选择相应的防火措施。

2.3 设计规范的适用性问题

针对海上升压变电站电缆层这一场景，以上规范的适用性存在两个主要问题：

（1）对于电缆层区域的火灾危险性分类不明确。业内一直对电缆层区域的火灾危险性分类有争议。有认为电缆易燃，属于升压站中的主要风险点，应该归类为火灾危险性较大的处所；也有认为电缆层四面开敞，应归类为开敞甲板。持后一观点的，往往是因为对电缆层的危险性认知不足。

关于“开敞甲板”的定义，《海上固定平台安全规则》中的描述为：“系指露天甲板处所,但不包括危险区。”《浅海固定平台建造与检验规范》中的描述为：“没有失火危险的开敞甲板处所、露天处所。”《海上固定平台入级与建造规范》中的描述为：“‘开敞甲板’是指不包括危险区在内的开敞甲板空间”“‘半围蔽或其他类似开口处所’是指由于具有诸如顶板、风障和甲板等结构，以致其自然通风条件与在开敞甲板上者有显著的差异，且其布置使气体不会发生扩散的处所。”《国际海上人命安全公约》（SOLAS）中“露天甲板系指在上方且至少有两侧完全暴露于露天的甲板。”综上所述，“开敞甲板”一般需满足两点要求：①露天甲板，上方应无遮挡；②无火灾风险。电缆层既非露天甲板，本身又有较大的火灾风险，电缆上方的甲板与梁形成了一个半围蔽的空间，一旦发生火灾后，高温烟气集聚在甲板下方难以扩散，故认为其不具有风险性，归类为开敞甲板是不合理的。

（2）海上升压变电站相关的规范里，耐火分隔只针对舱壁和甲板，而对梁柱之类的钢构件却未提及。在《海上固定平台安全规则》中提到“凡暴露在火灾中，一旦垮塌断裂使火灾危险性升级的结构，应考虑结构防火措施。”《海上固定平台入级与建造规范》（1992年版）中提到“平台框架支承结构的构件如横梁、立柱、拉撑等构件应为A-60耐火级”。这两部规范明确提出了应该对海洋平台上的梁柱、斜撑等构件采取防火措施，但这两部规范所述场景主要针对石油平台，并非专门针对海上升压变电站，该要求是否适用于海上升压变电站，目前也存在争议。

规范上的缺失，给电缆层的钢结构防火带来了难题，但在实际项目中，也制定出了不同的防火策略。

3 现有的防火策略

目前针对海上升压变电站的电缆层钢结构防火措施主要有三种典型做法：采用绝缘材料，耐火甲板敷料，防火涂料与耐火敷料结合使用。

3.1 绝缘材料防火

国内早期的海上升压变电站电缆层的结构防火主要采用绝缘材料防火，其做法一般为：

（1）在电缆层上方的甲板下方焊接碰钉。

（2）将绝缘材料安装于甲板下方，以碰钉固定。

（3）在绝缘材料外侧加设一层不锈钢板保护层。

防火绝缘材料主要采用的是矿物棉及其制品，矿物棉是用熔融状无机非金属矿物制成的纤维材料，目前主要使用岩棉和陶瓷棉，其中岩棉隔热性能较好，而陶瓷棉能抵御更高的温度。故海上升压变电站常用二者来作为防火绝缘材料的主力。一般40mm厚的陶瓷棉，可满足A-60级的耐火等级。

该方案的优点在于：防火性能好，价格相对低廉，自重较轻。缺点在于：施工相对复杂，耐久性差易损坏。在变电站使用过程中，保护层在连接点会很快产生腐蚀，极强的风速使不锈钢板容易脱落，失去保护层的绝缘材料暴露在外极易损坏。

采用该方案的海上升压变电站有：江苏响水近海风电场项目、河北乐亭菩提岛海上风电场项目。

3.2 敷设耐火甲板敷料

该典型做法常见于广东一带的海上升压变电站，其做法为：在电缆层上方的甲板上表面敷设A-60级的耐火甲板敷料，使甲板达到A-60级的耐火等级。该方案的优点在于：施工便利，耐久性好，价格低廉，自重适中。

耐火甲板基层敷料一般分为两种：一种是复合结构型敷料，由下层的轻质耐火绝热材料及上层的乳胶敷料构成，下层负责隔热，上层负责防水，具有良好的综合性能；一种是单层结构敷料，是利用水泥和一定级配的轻质骨料配制而成的水硬性胶凝材料，轻质骨料有效地改善了水泥混凝土易高温爆裂的不良性能，所以该甲板敷料具有较好的耐水性、良好的抗水渗性和足够的机械强度，又有极好的耐火性、简便的施工工艺和经济性。

甲板敷料敷设于甲板之上，位于电缆层上方支撑上部结构的梁与柱均暴露于火灾风险中，没有任何防护，一旦电缆层失火，甲板上层的耐火敷料无法对甲板下方梁柱形成保护。更有甚者，连A-60级的耐火甲板敷料都不用，设计者认为该层甲板仅为A-0级耐火分隔，这将电缆层错误归类为开敞甲板或是对《海上升压变电站平台指南》相关规范理解错误所致。

采用该方案的海上升压变电站有：中广核汕尾后湖海上风电场项目、广东湛江外罗海上风电场项目。

3.3 防火涂料与耐火敷料结合使用

在认识到上述方案的缺陷后，后期的海上升压变电站进行了如下改良：

（1）在电缆层上方的甲板上表面敷设A-60级的耐火甲板敷料。

（2）电缆层的梁与柱涂刷防火涂料，目前实际项目中一般采用耐火等级要求为H-60级的膨胀型防火涂料。

膨胀型防火涂料主要成分有基料树脂、膨胀型阻燃剂、协效剂以及颜料和助剂等。基料树脂可以起到将其他的组分粘合在一起的作用，并最终粘覆在底材上。一般海上使用环氧树脂来作为基料。环氧树脂具有很好的耐海洋环境、耐久性和耐候性，并且能很好地附着于钢材之上。膨胀型阻燃剂是膨胀型防火涂料的核心成分，它主要有碳源（成碳剂）、酸源（脱水剂）、气源（发泡剂）三部分组成。协效剂配合膨胀型阻燃剂可以形成协效阻燃体系，达到更好的阻燃效果。颜料主要为涂料提供着色力。其他助剂会根据场景的配合使用，但用量均不多。

一旦发生火灾，膨胀型防火涂料在高温作用下，涂层熔融形成黏性液体，并释放大量气体，最终固化形成一个不易燃、导热系数低的蜂窝状炭质层，厚度可以达到原来涂层的几十倍。炭质层在火源和基材之间形成一道屏障，从而减缓了钢结构表面温度的上升和强度的下降，起到防火阻燃的作用。

该方案优点如下：防火性能好，耐久性好，施工难度适中。缺点在于：自重较重，费用较高。

虽然会增加部分造价，但是方案三极大地提高了海上升压变电站的安全性，故目前广泛用于全国各地新建的海上升压变电站。

采用该方案的海上升压变电站有：江苏大丰H8-2#海上风电场项目、上海奉贤海上风电场项目。

4 结束语

我国在2020年提出了“30.60”双碳目标。到2030年为止，风电、太阳能发电装机容量将达到12亿千瓦以上，并加快构建新型电力系统。海上风电面临国家补贴退出，2022年后全面进入平价上网阶段，急需产业研发创新和技术迭代来起到降本增效的效果。对海上风电产业来说，这是一个机遇与挑战并存的时代。

规范中存在的缺失，导致多种防火策略的出现，这种矛盾给设计人员带来了极大的困扰，也对海上升压变电站的施工、验收带来了重重障碍。这无疑是增加了海上风电产业的内耗，也给现场生产管理带来了安全隐患。

为解决这一问题，应尽快组织有关人员对海上升压变电站的钢构件防火情况进行调查研究，在结合国外先进经验的基础上，制定切实有效措施，尽快出台相关规范，对海上升压变电站的钢构件防火设计进行指导，为海上升压变电站的安全加一把锁，也为早日实现双碳目标贡献力量。