海上风电场66kV集电系统研究

海上风电场66kV集电系统研究
发布时间：2022-08-31T07:42:51.885Z 来源：《工程建设标准化》2022年37卷4月8期作者：柳双乙
[导读] 欧洲最早提出66kV作为海上风电集电系统电压等级的替代方案，并已在英国、丹麦的海上风电场实施，体现出一定优势。

柳双乙
中电建（烟台）风力发电有限公司，265110
摘要：欧洲最早提出66kV作为海上风电集电系统电压等级的替代方案，并已在英国、丹麦的海上风电场实施，体现出一定优势。

与35kV集电系统相比，66kV集电海缆工程量将显著减少，电缆投资和铺设工程费用也随之降低，但在设备投资方面，66kV海底电缆、海上升压站主变压器、风机内升压变压器、66kV配电装置等单价相比35kV设备增加较多，须进行技术经济比选。

关键词：海上风电场；66kV；集电系统；研究
引言
为了应对气候环境的变化，倡导地球和人类的可持续发展，世界能源正向着低碳化、无碳化的发展模式转型。

可再生能源在未来非化石能源结构中的地位快速上升，将成为未来增长最快的能源。

其中风电是可再生能源发电的“主力军”，而海上风电将成为未来风电市场的发展重心。

1.集电海缆受外部损伤概率对比分析
海缆故障风险在海上风电场风险评估中不可回避。

虽然以往运行经验得到的结论是海缆几乎没有自发的电气故障，但海缆附件故障（如终端安装不当、接头未处理好等）或外力因素（锚害、暴力施工等）造成的损伤则是不可忽略的潜在威胁。

采用66kV集电系统在技术方面体现出一定的优势，在设定场址规模、风机单机容量相同的条件下，将海上风电场集电系统电压等级由35kV升高至66kV，集电海缆有功损耗、敷设工期和故障率都显著降低；在设定场址规模相同的条件下，集电系统采用35kV电压等级，集电海缆有功损耗、敷设工期和故障率基本不会随着风机容量升高而变化，但当集电系统采用66kV电压等级且风机单机容量提升至8MW以上时，集电海缆敷设工期和故障率分别有一定幅度下降，集电海缆有功损耗基本相当。

2.海底电缆敷设施工关键技术
海缆敷设施工前期准备主要包括:施工路由控制点复核、清障扫海以及现场海试。

施工路由控制点复核要求对工程中所有的控制点进行复测核对。

清障扫海时，以设计路由为扫海中线，扫海重点是海缆路由两侧10m范围。

路由区域扫海采用专用扫海锚，在海缆施工路由上反复拖带，以清除海底障碍物。

此外，在京润206铺缆船装缆后，对铺缆工作相关的施工设备进行试验，确保设备正常运行。

埋深调节与控制，海缆埋设施工，采用非自航船绞缆，方便保持匀速前进，也可以使船舶的稳定性增加，避免变速引起海缆张力增大或者由于海缆敷设余量过多而打扭。

此外，海缆通过导缆笼导入水下埋设犁腹部，水下海缆受到导缆笼的保护，可保障海缆的安全。

埋设犁的埋设速度由船舶敷缆速度来决定，敷埋速度一般控制在2～4m/min。

海缆在敷设过程中，可以通过对牵引速度、水泵压力、牵引力以及埋设犁姿态的调整，来控制海缆的埋设深度。

在路由转弯位置敷设电缆时，首先计算与转向点相切的大圆弧路径，随后通过定位锚使铺缆船调整位置，保证海缆埋设时的弯曲半径符合要求，避免海缆埋设过拐点时转弯过急损坏海缆。

3.直流断路器拓扑
直流断路器拓扑结构主要分为机械式直流断路器、全固态直流断路器以及混合式直流断路器3种。

因混合式直流断路器结合了电力电子器件和机械开关，具备通流损耗低、开断速度快等优势而成为了直流断路器研究中的主流。

其技术路线主要有如下2种：一是通流支路为快速隔离开关和辅助电力电子开关串联的方案，称为无弧分断混合式；以ABB、全球能源互联网研究院为代表；二是通流支路只有快速机械开关，转移支路串联负压耦合电路的方案，称为负压耦合混合式；以清华大学、平高集团为代表。

考虑各拓扑的优缺点及海上风电特殊适用环境，由于海上平台面积小，难以布置水冷系统，同时远离陆地，检修难度大，而水冷系统对运维要求较高。

因负压耦合混合式直流断路器，无需配置冷却装置、运维简单，所以更适合于海上平台应用。

其工作原理是：正常情况下，线路电流通过通流支路稳定运行，负压耦合装置充电电容C预充一定电压；故障情况下，发送分闸命令给快速机械开关，同时导通换流支路电力电子开关器件，待快速机械开关触头分开时，导通负压耦合装置原边回路开关，储能电容放电与原边电感振荡，副边电感产生耦合负压，使换流支路的导通压降低于通流支路，即快速机械开关弧压，从而强制电流由通流支路转移至换流支路，通流支路的快速机械开关完成过零熄弧，从而电流转移结束。

4.推广分布式光伏发电应用，加强余气余热回收
分布式光伏发电是一种绿色、可再生的新能源开发利用方式，近年来已经在许多钢铁企业得到了广泛的应用，积累了成熟的经验。

船舶修造企业基础设施占地较大，坐拥天生的“地利”，利用厂房屋顶推行分布式光伏发电，在一定程度上可以减少船厂用能方面对火电和煤炭的依赖。

同时，船舶建造生产过程中的余气余热并没有得到足够的重视，往往采用稍加处理的方式直接排放，既对环境造成了污染也浪费了能源。

加强船企在船舶建造生产过程中的余气余热回收，并将它们循环利用到船厂日常用热供暖中，就地消纳使用这些绿色能源，可以直接有效地减少碳排放。

按照碳交易规定，新能源、环保等在节能减排中超出规定指标的相关企业是碳交易中的主要卖方。

一方面，如果我国造船企业能利用自身优势在风能、海洋能、潮汐能、波浪能、海上风电制氢、深远海绿色养殖等领域持续经营并占据先机，就能成为市场绿色能源的提供主体，从而变身手握碳交易资源的“卖碳翁”。

目前，已有船企布局或建设集风、光、氢能于一体的综合浮式海上风电场，或积极研究海上可再生能源为海洋油气平台供电，或紧锣密鼓地打造海上风电生产、运输、储存、利用系统等。

虽然相关技术有待成熟，但值得船企长期投入和攻关。

另一方面，对标2020年美国电动车企业特斯拉靠卖炭积分而非销售电动车首次实现年度盈利的实例，建造低碳绿色船舶的造船企业也将拥有更多的碳交易资源，并可以通过销售碳排放额度来实现经济的增长。

5.导管架基础风机抽拉
通常海洋石油工程中海缆末端平台抽拉的方法有以下几种：“海底拖拉法”“撑杆提拉法”“半圆支架提拉法”等。

考虑到风机上抽拉绞磨机的拉力小、附近海床面土质较软、海缆在海床的沉降大等因素，施工时采用“撑杆提拉法”进行海缆抽拉。

末端的抽拉过程如下：1）铺缆船切割电缆密封后湿存于海床上，风机抽拉组将信号绳抛绳至铺缆船甲板，铺缆船甲板将其与甲板绞车连接。

2）风机端下放抽拉钢丝绳及信号绳，甲板回收信号绳，ROV水下将湿存电缆的拖拉网套和钢丝绳前面的吊环通过ROV钩进行连接。

3）铺缆船使用吊机下放撑杆协助抽拉，ROV水下观察。

4）抽拉组回收钢丝绳，做标记记录抽拉长度。

5）拖拉网套抽拉出风机桩基内平台，停止抽拉，并在拖拉网套下方电
缆处绑扎吊带，拖拉网套与电动葫芦连接，使绞磨机钢丝绳松弛。

6）将绞磨机钢丝绳与护管口安装的吊带卸扣连接，继续抽拉，直至电缆抽出护管口需要的长度，通常为20m以上，停止抽拉。

7）将电缆从吊带端开始往前进行剥铠，并将剥好的电缆盘到上层甲板，使用锚固卡子在桩基内平台护管口将电缆永久锚固。

结束语
随着海上风电机组单机容量不断增长，以35kV作为场内集电系统的电压等级将逐渐成为制约海上风电发展的瓶颈。

在海上风电项目应用66kV集电系统，可以减少连接风机回路数，从而降低海上升压站接线的复杂程度，甚至可以减少海上升压站数量或取消海上升压站；同时，还可以减少集电海缆用量，极大地降低线路损耗，进一步提高系统的安全性和可靠性。

参考文献
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