據(jù)預(yù)測(cè)2030年，電力需求約達(dá)到11萬億千瓦時(shí)，在當(dāng)前水平基礎(chǔ)上增長(zhǎng)54%，年均增長(zhǎng)約4%；而全球電力生產(chǎn)的碳排放約占全部排放的42%，在中國(guó)這一比例達(dá)到51%；清潔能源發(fā)電勢(shì)在必行。要實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰目標(biāo)，中國(guó)仍須新增大約650GW光伏、600GW陸上風(fēng)電、60GW海上風(fēng)電、113GW水電和66GW核電裝機(jī)；風(fēng)電和光伏裝機(jī)預(yù)測(cè)都將以每年50~60GW速度增長(zhǎng)，其中海上風(fēng)電是增速最快的領(lǐng)域。
1.引言
開關(guān)設(shè)備作為電力傳輸、使用過程中控制、保護(hù)的核心設(shè)備，也是傳統(tǒng)火力發(fā)電站中發(fā)電系統(tǒng)、廠用電設(shè)備進(jìn)行開合、控制和保護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備。雙碳背景下，開關(guān)設(shè)備同樣廣泛用于新能源發(fā)電，需要按照新能源發(fā)電的需求開發(fā)出符合需求的綠色環(huán)保產(chǎn)品。當(dāng)前，我國(guó)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入規(guī)?；⑸虡I(yè)化發(fā)展階段，但仍存在一些制約因素亟待消除：關(guān)鍵核心技術(shù)創(chuàng)新能力不強(qiáng)，產(chǎn)業(yè)協(xié)同性不夠。從歐洲海上風(fēng)電的發(fā)展規(guī)律來看，我國(guó)海上風(fēng)電向大容量、深遠(yuǎn)海發(fā)展是必然趨勢(shì)。但目前一些核心、關(guān)鍵技術(shù)不夠成熟，無法適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，也制約著成本的快速下降，國(guó)產(chǎn)海上風(fēng)電集電、輸電設(shè)備應(yīng)用、可靠性的問題就是需要提高的技術(shù)。
2. 海上風(fēng)電應(yīng)用
海上風(fēng)電通過風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電經(jīng)過變流器、升壓變壓器升至40.5kV、再經(jīng)控制開關(guān)與集電電纜相連，集電電纜通過手拉手形式把各個(gè)風(fēng)機(jī)發(fā)出的電匯集起來輸送到海上升壓變電站，再經(jīng)過升壓至220kV后，通過高壓送出電纜連接到陸上集控中心，與電網(wǎng)連接。
圖1 海上風(fēng)電電力輸出系統(tǒng)
海上風(fēng)電所需要設(shè)備有單機(jī)升壓變壓器，控制開關(guān)柜；還有升壓變電站所需要的開關(guān)設(shè)備和升壓變壓器。海上風(fēng)電電力輸出系統(tǒng)示意，見圖1。
3. 海上風(fēng)電設(shè)備的要求
海上風(fēng)電設(shè)備需要選擇可靠性高、壽命長(zhǎng)、故障率低、維護(hù)量小、環(huán)保型的設(shè)備，且考慮海上環(huán)境惡劣，室內(nèi)安裝。設(shè)備尺寸和重量應(yīng)盡量小，減少風(fēng)機(jī)機(jī)艙、海上升壓變電站平臺(tái)的面積和造價(jià)。
海上風(fēng)電發(fā)電機(jī)發(fā)出的電經(jīng)變壓器升壓至40.5/72.5kV，采用六氟化硫或氮?dú)獾葰怏w絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備或氣體絕緣開關(guān)柜作為集電線路開關(guān)，集電線路采用海底電纜輸送至海上升壓站。
海上升壓站主變盡量布置在室內(nèi)，散熱器采用外置的方式，散熱器可考慮定期維護(hù)或更換；主變高壓側(cè)采用氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備，低壓側(cè)配電裝置采用六氟化硫或氮?dú)獾葰怏w絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備或氣體絕緣開關(guān)柜；海上升壓變電站集電線路及送出線路采用海底電纜，海纜充電功率大，應(yīng)配置適當(dāng)?shù)倪^電壓保護(hù)裝置以限制工頻過電壓和操作過電壓；無功補(bǔ)償宜選用靜止無功發(fā)生器SVG。
升壓站設(shè)置2臺(tái)及以上主變壓器，單臺(tái)主變?nèi)萘繎?yīng)考慮冗余，當(dāng)一臺(tái)主變故障退出運(yùn)行時(shí)，剩余主變可送出風(fēng)電場(chǎng)60%及以上的容量。海上升壓站離岸距離較遠(yuǎn)，無系統(tǒng)配電網(wǎng)電源作為備用電源，考慮到可靠性，故一般設(shè)置2回站用工作電源，互為備用，當(dāng)站用電源故障時(shí)，采用獨(dú)立的應(yīng)急電源供電。
海上風(fēng)電電氣設(shè)備的防護(hù)等級(jí)不應(yīng)小于IP56，防腐等級(jí)不應(yīng)小于C5-M；戶內(nèi)主要電氣設(shè)備的防護(hù)等級(jí)不應(yīng)小于IP4X，防腐等級(jí)不應(yīng)小于C4。
海上風(fēng)電實(shí)際運(yùn)行期一般為25年左右，防腐設(shè)計(jì)年限25年。
海上風(fēng)電設(shè)備的其它要求：
（1）安全、防火，外殼設(shè)計(jì)滿足耐內(nèi)部電弧要求、通過內(nèi)部電弧試驗(yàn)要求，配備弧光保護(hù)；
（2）成本低，陸上風(fēng)、火同價(jià)，海上降本提效；
（3）頻繁高、低負(fù)載循環(huán)，開關(guān)設(shè)備耐受冷熱沖擊；
（4）低電壓穿越，抗過流機(jī)械強(qiáng)度好。
通用電氣（GE）對(duì)海上風(fēng)電開關(guān)設(shè)備的主要要求如下：
（1）使用溫度范圍 -25OC ~ +50OC。
（2）濕度范圍 IEC60721 3K6 10~100%相對(duì)濕度。
（3）污染物
a)機(jī)械源（例如沙塵）IEC 60721 3S1：沙土：無; 粉塵：0.01 mg / m3; 沉淀：0.4 mg /（m2 * h）；
b)化學(xué)源（例如鹽）IEC 60721 3C2：鹽霧。
（4）海拔1000米，超過1000米按照IEC62271-1-2007, 2.2.1降容。
（5）震動(dòng)
a.中壓開關(guān)設(shè)備位于塔架門部分的基礎(chǔ)框架上，通過基礎(chǔ)和框架震動(dòng)會(huì)影響開關(guān)柜；
b.開關(guān)柜需要承受表1所示震動(dòng)耐受值；
表1 開關(guān)柜需承受的震動(dòng)耐受值
c. 安裝在風(fēng)力渦輪機(jī)中的開關(guān)柜應(yīng)承受從0到10Hz，水平連續(xù)加速度（沿x和y方向）為0.4 m /s2的震動(dòng)，持續(xù)20年。
（6）雷電沖擊
根據(jù)IEC61312-1/2 雷電區(qū)域2，為保護(hù)輪機(jī)電氣系統(tǒng)不受雷擊，開關(guān)柜應(yīng)安裝電纜頭避雷器。
（7）電磁兼容
電磁兼容性需滿足下列標(biāo)準(zhǔn)要求：
IEC 61000-6-2 電磁兼容性（EMC）第6-2部分：通用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)環(huán)境抗擾性；
IEC 61000-6-4電磁兼容性(EMC)第6-4部分:通用標(biāo)準(zhǔn).工業(yè)環(huán)境用輻射標(biāo)準(zhǔn)；
IEC 61000-4-2 靜電標(biāo)準(zhǔn)；
IEC 61000-4-3 多頻率輻射抗擾度試驗(yàn)方法；
IEC 61000-4-4 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)；
IEC 61000-4-5浪涌抗擾度試驗(yàn)；
IEC 61000-4-6 耐電源及射頻磁場(chǎng)抗干擾試驗(yàn)；
IEC 61000-4-11電壓下降,短路和電壓偏差抗擾試驗(yàn)。
（8）可靠性要求
a.在規(guī)定的使用壽命內(nèi)，通過“預(yù)防性維護(hù)”中指定的維護(hù)，開關(guān)設(shè)備的MTBF（平均故障間隔時(shí)間）應(yīng)大于1,661,000 小時(shí)，也就是189.6年。供應(yīng)商應(yīng)證明系統(tǒng)符合規(guī)定的MTBF。這應(yīng)通過設(shè)計(jì)分析、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或測(cè)試來完成。
b.修復(fù)性維修
開關(guān)柜平均維修時(shí)間（MTTR）小于4小時(shí)；可更換部件的重量應(yīng)小于16千克且小于57升，具有明顯的零件編號(hào)標(biāo)識(shí)，具有警告或特殊說明等標(biāo)簽。
c. 使用壽命，滿載條件下設(shè)計(jì)20年要求，質(zhì)保期5年。
