一种先进的采用洁净空气绝缘和真空灭弧的风电专用72.5kV 环保型GIS

摘要：在海上风电领域，由于风机容量不断增大，远海深水风场的逐步开发，为了更好的优化系统成本，海上风电场内电压趋向于使用66kV系统，因此对占地空间小的紧凑型66kV/72.5kV高压开关设备的需求也日益迫切。由于具有优异的绝缘和灭弧性能，SF6被广泛应用于高压开关设备，但其具有极高的全球变暖潜能GWP（23800），在整个生命周期内需要小心处理，以避免其泄漏到大气中。相关的政府和组织都在制定政策来减少和限制SF6的使用，并积极寻找和推动SF6的替代方案在开关设备中的应用。作为一种前景可期的SF6替代方案，采用洁净空气绝缘和真空灭弧相结合的开关技术被引入到高压开关领域。本文介绍了一种先进的基于该技术方案的72.5kV无SF6的风电专专用GIS（8VM1），首个采用该产品的海上风电项目已经于2018年3月开始投入运行。从风电运营商的角度来看，该环保型GIS使得风机服务团队采取更简单的安全措施和接受更少的培训便能够实施运维工作。没有含氟气体也意味着没有SF6报告成本和税收补偿风险，也无需特殊的气体回收措施。首批8VM1的便捷安装和安全可靠的运行经验带来了积极的客户反馈。关键词：风机系统;GIS;集电电缆;全球变暖潜能GWP;SF6替代气体;洁净空气;真空灭弧室；一、引言电压等级达35kV的SF6中压GIS在现有风电系统中被广泛应用，但近几年随着体积更大、功率更强的风机的开发和应用，以及远海深水风电场的开发，整个风电场的场内电压等级也将从现有主流的33kV升级到66kV。尤其是在欧洲海上风电场，以在建的英国Blyth海上66kV示范项目为开端，越来越多已中标和规划中的项目将采用66kV电压等级方案。丹麦风能咨询机构MAKE也预测从2019年起欧洲市场将全面转向66kV电压等级。在国内，随着近海风电资源的开发日渐饱和，对离岸距离更远、水深更深的风电资源开发成为必然，因此基于开发成本的优化，国产整机制造商对8MW及以上大功率风机的研制和试制也在近两年有了巨大的突破，如金风科技、上海电气和太原重工开发出了8MW海上风机，东方电气开发出了10MW海上风机等。基于此，部分国内海上风电整机制造商和系统运营商（如金风科技、上海电气和三峡新能源等）也开始展开66kV场内系统的可行性研究工作。另外根据DNV.GL[3]的估算，从海上风电系统的生命周期管理角度来考虑，与现有33kV方案相比，虽然场内GIS开关和变电设备的成本有所增加，但66kV方案的工程固定资产投资和造价（主要包括场内集电海缆、海缆敷设、风机及内部输变电设备、升压平台及设备和各设备安装等成本）预计能降低15%。这主要归功于66kV方案具有：更灵活的风机拓扑路线设计，从而显著减少海缆的用量及其敷设工作量；更高的线路电压，带来更低的线路有功损耗，使得系统长期运行产生的总线损有明显的减少在大容量风场，可以采用更少的海上平台来满足风机电力的汇聚和送出（预计700MW以内的风电可通过单个海上升压变电站向电网传输）为了满足风电场的系统电压升级需求，结合多年的研究和试验，西门子专门推出了一款可安装在风塔内部的额定电压达72.5kV的十分紧凑的环境友好型GIS产品:8VM1。和传统的基于SF6技术的GIS不同，该GIS采用洁净空气（79.5%N2+20.5%O2）绝缘和真空断路器灭弧技术，因为不含任何氟类气体和CO2，不会产生任何温室气体的排放和泄漏。这也更加契合风电作为一种清洁能源的环保理念。该GIS已成功应用在西门子歌美飒7MW及以上大功率风机系统。本文将分享该72.5kVGIS产品的设计理念、结构特点、型式试验概况及其项目应用。二、洁净空气绝缘技术作为一种全球变暖潜能GWP高达23800的温室气体，SF6对环境的负面影响一直被人们所关注。因此在过去几十年，除了不断优化GIS设计结构（更紧凑）、改进部件生产工艺以及提高成品装配质量（减少泄漏）来尽量减少SF6的用量和排放，SF6开关制造商们还致力于SF6替代气体的寻找及其相关技术的研究。近几年，一些开关制造商相继推出了基于不同替代气体方案的开关产品，其中有些已经投入试点运行。这其中干燥空气/CO2、洁净空气、氟化腈类气体或氟代酮类气体与N2/O2或与CO2的混合气体来作为绝缘和灭弧介质的SF6替代方案最具有代表性。表1:主要替代气体和SF6关键性能比较结合外部多方面的研究成果和西门子内部大量专门性的研究和试验结果，表1给出了上述几种混合气体和SF6的关键性能比较。与SF6相比，采用洁净空气作为绝缘介质使得8VM1实现了真正的无氟类气体（温室气体）的环保设计，其具有如下几个优势：全球变暖潜能值为0，无温室效应自身和其化学分解物无物理毒性，更安全环保，使得气体处理更简单，后期运维更便捷具有更优的环境温度适应能力，可在低至-55ºC的工况下工作而不液化可以保持长期运行时化学稳定性（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当然，洁净空气作为绝缘介质的劣势在于相同气压下其只有SF6绝缘强度的40%左右，需要通过合理的设计优化：适当的气室气压提高和/或壳体尺寸放大，以及精确的电场控制，来满足设备的绝缘性能要求。三、高压真空灭弧技术从1970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。但在过去由于一些待解决的关键技术问题（诸如：间距≥40mm的触头间的开合电弧控制、容性电流开合无重击穿、X射线发射抑制等）和生产工艺水平（高成本）的局限，真空灭弧技术一直无法在高压领域（≥72.5kV）实现工业化应用。图1左侧是72.5kV灭弧室内部结构图，右侧72.5kV和145kV灭弧室近些年，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[11,13]。国内西电宝光和平高电气相继推出了各自的126kV单断口真空灭弧室和断路器样机。从2010年开始西门子也陆续推出了72.5kV、145kV、170kV和245kV单断口真空灭弧室用于其高压开关产品。基于过去40多年中、高压真空灭弧室的使用经验，与常规SF6灭弧室相比，真空灭弧室具有以下显著优点：可靠的和高频次的开合操作寿命对额定电流和额定短路电流优异开断性能开合过程中不会产生气体分解，因此也无任何有毒有害的分解物产生，灭弧室内部电场分布和绝缘能力不会劣化，电寿命更稳定高自动化的批量生产工艺，排除人为失误，质量更稳定可靠，实现了真正意义上的免维护(seal-for-life)四、8VM1基于风电场工况的产品设计与认证（一）适应风塔空间的紧凑型结构设计8VM1是专门为风电行业66kV系统设计的GIS。对于内部安装空间有限的风电塔来说，GIS设备的紧凑性是至关重要的因素。因此8VM1选择采用体积较小（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；同时将所有隔离开关和接地开关等模块整合在断路器气室中，单一气室的结构减少了零部件的数量；这些优化设计都使得产品整间隔体积更紧凑，重量也更轻，也便于后续的运输和现场安装。表2:8VM1的主要技术参数图2是8VM1典型间隔布置：66kV配变送出的电缆通过电流互感器后接入GIS上部进线电缆插头，然后连通进线三工位（隔离/接地）开关和真空灭弧室，再通过出线三工位开关（隔离/快速接地）开关和下部电缆连通另一台风机GIS和/或变电平台GIS。整间隔占地面积大约2.3m²,体积约6.5m³。图28VM1典型间隔布置图图3海上风机配装开关可能的典型配置如图3所示，8VM1具有多种结构和电缆出线方式，可以灵活满足风电场内电缆的各种布置需求：下部双侧电缆出线、下部单侧电缆出线以及无隔离开关单侧出线等。（二）风电运行功能与安全兼具的组件设计8VM1断路器由三相真空灭弧室构成，采用电动弹簧储能机构作为操作动力，自身保护控制组件安装在操作机构柜中，并带有位置指示装置来显示断路器的分合位置。在断路器顶部位置配装了防爆膜，用于释放异常升高的气压，确保设备和运维人员的安全。断路器的电缆充电电流开合水平和延长电寿命水平分别达到C2和E2等级。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、具有快速接地保护功能。此外气室还配备了一个密度继电器对气体压力进行实时监测。从图2可以看出，8VM1没有传统SF6GIS的母线结构，取而代之的是变换多样的电缆进出线布置。电缆舱采用了中压环网柜电缆舱相似的设计，为了消除电缆故障可能引起的舱室气压升高问题，每个电缆舱都设置有防爆膜和导流罩用来泄压并将爆破气体引向不危及人员和设施的方向。此外还依照IEC62271-200的试验要求进行了电缆舱内部燃弧型式试验验证（25kA/1s）。图48VM1电缆舱布置示意图每个舱室中每相可并联安装多达3个T型连接插头用于电缆和/或避雷器的连接。图4给出了8VM1下部电缆舱的三相电缆布置和单相电缆接头并联效果示意。插接式避雷器通常安装在上部进线电缆舱。此外在电缆舱室中还可以安装电流互感器和电压指示装置用于系统的测量和保护。（三）8VM1产品的试验认证作为高压GIS产品，8VM1在设计上满足了GIS相关的IEC标准要求，并按照这些标准，如IEC62271-1、IEC62271-100、IEC62271-102、IEC62271-200和IEC62271-203等进行了全套型式试验。电气性能试验：绝缘性能试验、温升试验、短时和峰值耐受电流试验、断路器开合能力试验、内部燃弧试验、VLF(极低频率高压试验：0.1Hz下的114kV/60分钟)试验等机械性能试验：机械操作试验、防护等级试验、振动与机械冲击试验、高低温环境试验、气密性试验、热稳定试验等电流互感器和电压指示装置的相关试验等同时8VM1还作为风机系统的重要组件，获得了权威的DNV-GL风机系统资格证书。对于海上工况，设备的防腐性能非常关键。除了满足相关IEC标准的要求，8VM1防腐保护等级也达到了ISO的C4H级，并通过了ISO标准要求的相关试验验证：ENISO9227:盐雾腐蚀试验ENISO6270-2：耐潮湿性能--样块冷凝水气候测定ENISO3231：耐含二氧化硫潮湿空气测定ISO2409:网格切割试验五、8VM1产品的现场安装、运维和工程经验8VM1已经成功地安装在欧洲的一些风电项目上。研发团队和风机运营商（如西门子歌美飒）现场安装团队之间的密切合作确保了GIS与风机安装环境的最佳集成和GIS自身安装流程的最优化。具体的安装流程如图5所示。图58VM1安装流程根据统计，中国海上风电场年度实际可施工天数一般只有120-170天，因此缩短风机系统设备的安装和调试时间是非常有意义的。在客户技术认可的情况下，通过对8VM1安装流程的合理优化将给客户的海上施工带来如下好处：设备机构紧凑，在工厂制造阶段可以保证按整间隔进行装配和试验；并在包装前完成整间隔的电气调试，省去现场安装后的GIS设备调试步骤，减少了现场施工时间在出厂运输前预充0.05MPa的洁净空气；在船坞中被预装在风塔过渡连接模块（TP）后充入洁净空气至0.56MPa额定运行压力，这样当GIS被运输到海上风塔后就不再需要进行注气工作和现场耐压试验，进一步缩短了开关设备的海上作业周期由于电缆舱与断路器气室在设计结构上是相互独立的，在TP模块就位后，GIS下部集电电缆可以非常便捷地进行连接和安装，不需要任何气体工作需要关注的是，由于电压等级的提高，电缆的直径也相应增加，因此现场施工时需要注意预留电缆安装所需的空间。此外在TP模块安装就位后，现场有时可能需要等待几个月甚至更长的时间来完成风机和配变设备的安装就位。在这种情况下，需要对已安装就位的GIS重新进行防潮包装（原有包装材料可循环利用）。在后期运维时，如果风机高压系统需要检修，可以通过8VM1的隔离开关对检修段进行隔离，同时接地开关提供安全接地保护。断路器和所有刀闸的操作机构以及控制柜都位于GIS的一侧，便于操作。在正常运行条件下，采用高质量部件的8VM1是免维护的。这意味着在GIS高压组件（主回路）在使用寿命周期内不需要额外的检修，仅需要外观检查，包括气体的状态检查，例如测量露点等。洁净空气不像其它气体，不存在泄漏影响环境的危险，可以直接排放到大气中，后期维护更便捷。2017年9月，西门子首次交付了4个8VM1间隔到丹麦一个28MW海上风电项目现场进行安装(客户：丹麦NissumBredningVind）；并于2018年3月正式带电运行(图6)。整个交付-送电周期近6个月，验证了上述产品安装流程的可靠性和适用性，给后续项目的交付施工带来了可贵的现场经验。图6首个8VM1项目交付现场安装运行六、产品生命周期内的客户环保效益8VM1紧凑的设计和使用洁净空气来替代SF6作为绝缘气体极大的降低开关设备的综合碳排放量。图7显示了8VM1与西门子8DN8145kV常规SF6GIS在整个生命周期内的综合标准化二氧化碳当量排放的评估比较（基于ISO14040/44LCIA评估方法）：假定8VM1生命周期内各个环节所使用的是基于2014年欧洲能源结构的电能，8VM1比8DN8能减排近75%。原材料的提炼和生产环节以及GIS的生产运输环节带来了主要的二氧化碳当量排放；假定8VM1生命周期内各个环节所使用的是基于挪威那样绿色能源结构的电能，8VM1比8DN8能减排近94%。剩余6%的二氧化碳当量排放主要来源于产品的卡车运输（基于化石燃料汽油）和原材料提炼生产等环节，而其