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随着国内海上风电的不断发展，海上风场的输电技术逐渐成为国内研究的热点，海上变电站是海上风场输电的关键设备，它的可靠性关系到整个风场的可靠性，欧洲海上风电经过二十年左右的发展积累大量的工程经验，从整体结构布局来看，从刚开始的敞开式的变电站，到后来的半敞开式的变电站，再到现在的全封闭式的变电站;从基础形式来看，有重力基础、导管架基础、单桩基础、以及自升式、半潜式的基础形式;从输电形式来看，小容量、离岸距离近的采用交流输电，大容量、离岸距离远的采用柔性直流输电。各种形式的变电站正是随着技术的不断升级与风场规模发展的要求想对应。国内目前还没有建成的海上风场离岸变电站，能够参考和借鉴的经验较少，科研院所的研究也比较少，对国外案例的研究可以帮助我们少走弯路，减少海上风电复杂工程项目的实施风险。
本文详细介绍了欧洲海上变电站设计的一些案例分析以及从中获取的经验分享，通过对对国外案例的研究，对我国今后的研究有一定的借鉴意义。
作者：李常 吕学山 赵云 庞文彦（中国能建集团装备有限公司南京技术中心）
一、Barrow海上变电站
Barrow海上风场项目是英国第一个设置海上变电站的项目，该项目由AREVA T&D负责设计、组装、调试和平台交付，变电站尺寸为23×15×10米，重440吨，水深20米，28千米海缆连接至陆上电网。变电站的设计采用敞开式的设计思路，各设备模块采用封闭形式，平台的布局比较简单，直观明了。
图1 Barrow海上风场单桩基础变电站
Barrow变电站topside部分于2005年装运，因为安装的窗口期较好，之后不久就成功吊装与海上单桩基础上。只要海缆安装完毕，整个工作可以在2006年春季完成，但是天气因素影响，整个风场的调试到2006年六月才完成。经过几年的运行，AREVA T&D工程技术人员在一直跟踪项目的运行情况，获得了一些宝贵的经验，分享如下。
1.涂装系统
变压器箱体的外层油漆涂料剥落，部分地方进行了重新加工。还有一些容易受环境影响的地方，比如散热片的边缘部分，总体来说防腐系统的效果是可靠的。
经验分享：尽管涂装的规范与箱体材料选择是合理的，而且供应商也采取了有效的手段给出了合理的涂装解决方案，但是还是需要投入更多的精力到涂装的实施工艺上面，不仅仅是关注环境温度和湿度条件。这方面积累的经验较少，需要花较长时间去验证。
2.材料选择
项目所处的海洋环境很具挑战性，而且材料选择必须要适应环境的要求，尽管项目组在事前做了很多的准备工作和头脑风暴，但是最后还是出现了一些问题。
未对紧固件材料进行指定，比如低碳钢螺栓，或者是不锈钢的螺母和螺栓。一些辅助设备不能适应环境要求，比如手动阀门，窥视镜。
经验分享：除了按照正确的材料规范采购外，最好能到供应商的生产基地进行考察，在最后安装的之前也需要重新检验。或者指定第三方的监理机构全程协助检验材料的合格性。
3.机械设计
随着项目的推进和持续运行，很多细节带来的挑战很大，特别是很细微的设计也会带来一定的影响，毕竟项目在海上严苛的环境条件下。比如说扶手的支撑座(套接头)，支撑座直接焊接在甲板上，雨水沿着扶手垂直往下流到支撑座底部，逐渐形成一个积水区，对底部造成严重腐蚀。如图所示：
图2 典型的扶手积水腐蚀问题
门窗设计里面，门的非活动端的铰链最好采用焊接的方式，比螺栓的方式要好，而且尽量设计在室内，如图所示。门的密封圈也要放在门与边框的内部，放到外面，腐蚀会加重。如图所示。
图3 室内的门铰链与室外的门铰链腐蚀情况对比
图4 门的外密封圈安装问题(腐蚀)
图5 优化后的内密封圈门设计
尽量不要采用需要进行固定安装的标牌、指示牌、标签，即使所用紧固件材料是合格的，也不要采用粘胶的方式贴到设备表面，都会对设备的涂装系统带来损毁风险。一种较好的替代方案是采用印刷油漆标签。
经验分享：AREVA T&D作为电气领域的工程公司，尽管找了很多专业的供应商进行合作，减小项目实施风险，尽管对潜在的分包商进行了筛选和管理，在工作节点的要求下完成相应的工作，但是到项目最后还是决定放弃原来选定的分包商，项目管理中存在太多不确定因素，最后因为要保证项目按时交货，不得不找经验相对差一点公司进行门窗等辅助系统的设计安装。
同时选择经验丰富的分包商一起开展新工作是降低风险的正确做法，关键是学习到一些项目管理的经验，当项目出现问题之后，没有应急的交付计划来保证项目顺利进行，如果有公司中途撤走不干了，不能耽误项目的总体进度，委托方也要完成相应工作，或者寻找其他有资质的分包商继续完成工作。
4.制造方法
由于项目是总包合同，结构制造外包给另一个专业钢结构制造公司。当然电气系统设计阶段就必须参与到甲板结构设计过程中，以保证载荷设计符合要求，整个topside的设计通盘考虑装载和运行操作状态。尽管如此，在质保期内，topside的安装过程中仍然出现了很多问题，比如扶手没有设计排水孔，辅助设备预留的安装点太少，甚至有的不对，防腐措施做的不到位等。
经验分享：甲板的设计开发过程分为三个阶段进行较为合理，第一个阶段确定主要设备和模块，以便设计主要承重结构材料和输电配置;第二阶段主要确定开孔的要求以及电缆通道和管线的走向，以便设计非承重的支撑结构;第三阶段主要是舾装设计和确定其他辅助设备的安装位置。
很重要的一点教训是，第三个阶段应该留有充足的时间去确定所有的细节，以免在安装过程中要做很多的现场更改，不但影响时间进度，还会带来安全隐患。
二、Alpha Ventus海上变电站
在Alpha Ventus海上变电站项目里面，主变压器采用了全密封设计，设置一台主变，规格为110/33 kV 75MVA，中性点接地。Topside尺寸为24×18×19.25m，重630吨，基础采用导管架结构，重500吨。Topside由丹麦的Ramboll公司设计，电气部分由阿尔斯通设计完成。该风场采用了5MW大容量海上风电机组，包括6台ArevaMultibrid的5MW和6台Senvion(原REpower公司)的5MW机组，水深28-30米。
图6 Alpha Ventus海上变电站
1.全密封式变压器
通过特殊设计的膨胀式全密封变压器和抗纤维老化等独有专利方法，全密封型变压器最大的优点就是减少维护量。密封式变压器没有吸湿器和胶囊式储油柜，从Barrow学到的经验是辅助部件越少，海上的风险也就越小。
密闭的变压器设计主要依据的是德国的DIN EN 60076标准和DIN 42508标准，或者依据国家标准IEC 60076-1、IEEE Std C57.12.00，当然散热器经过了特殊设计。
此外，一种新型的少维护的有载分接开关应用到变压器中，这种分接开关非常适合采用真空接触室，以便灭弧操作不发生在分接开关的切换油室里面，而是发生在真空接触单元中，这样就不会因为开关操作引起油的分解，有载分接开关在带负荷快速切换时产生的电弧会将绝缘油分解，产生游离碳、氢气、可燃性烃类气体，还产生微量的金属颗粒。其中游离碳及金属颗粒杂质的一部分附着在分接开关绝缘件表面，特别在电场集中的带电触头附近，另一部分悬浮于油中，而大部分积沉在切换油室箱底，随着切换次数的增多，切换油室中杂质颗粒的数量也随着增多，将严重影响分接开关的整体绝缘水平，采用真空室分接开关也就不会产生油的污染。相比传统的抽头开关，这种真空开关的使用寿命可以在7至15年，甚至更久。
另外一种油密封的方法是采用密封式的油气分离器，比如用法兰将胶囊固定在储油柜中。储油柜是变压器的主要组件之一，其作用是补偿绝缘油因温度变化而产生的体积膨胀或收缩，保证充油设备本体内一直充满油。常见的储油柜有开启式、胶囊式或隔膜式和波纹管式三种类型。胶囊式储油柜是在储油柜内安装一密闭的、能承受较高压力的胶囊，通过胶囊将绝缘油与外界空气隔开，并通过吸湿器阻止水蒸气进入胶囊，运行中，胶囊浮在油面上，随着油面上升或下降进行吸气或排气，以此自动平衡胶囊内外两侧压力，保证变压器本体内一直充满绝缘油。胶囊内部气体通过吸湿器与大气相通，胶囊袋的底面紧贴在储油柜内的油面上，使胶囊与油面之间没有空气。当油面发生变化时，在油压和大气压的作用下，胶囊会随之膨胀和收缩。这种方法有他固有的缺点，胶囊需要吸湿器进行保护，而且需要维护和更换。
2.纤维老化取决于热老化程度
变压器的绝缘系统由绝缘油与固体绝缘组成，比如绝缘纸、绝缘用合成纤维板、绝缘帽等。绝缘纸和合成纤维板都是用纤维素制造而成的。纤维素是一个化学分子链，由线性的脱水葡萄糖单元构成，纤维素分子里面的葡萄糖单元数量也被叫做分子聚合度。纤维素的结构赋予了纤维素的结构特征：亲水性、立体型、降解性和由于富有烃基而形成的化学反应的可变性。
纤维素受限于老化程度，在传统变压器里面，主要有三种老化形式：
热老化，在温度超过150度或者更高的时候，葡萄糖单元开始分解，典型的老化产物是游离葡萄糖、水、一氧化碳和二氧化碳。
氧化老化，氧化老化会使葡萄糖单元进一步分解，产生介于酸类、酮类、酚类的产物。这种反应也会发生在变压站正常工作温度条件下。通过绝缘纸抽样测试结果表明，有氧条件下氧化速度是无氧条件下的三倍。
水解老化，水既是纤维老化的起因，也是其老化的产物。主要原因是吸湿器的少维护(免维护)造成的。水溶解掉氧与葡萄糖环之间的键，测试表明绝缘纸中有氧存在，而且含水量达到2%，老化率增加8至10倍，在聚合度(DP值)到达200时，根据LCIE报告和IEC 80076-7标准，绝缘纸的使用寿命就到头了，这个时候绝缘纸就失去了结构稳定性和绝缘性能。任何的短路状况都可以直接导致变压器故障。
对于这种密闭的变压器设计，老化进程主要是取决于热老化，改进老化措施是降低海上维护成本的重要手段。
3.可变容积的散热器设计
这个设计是在传统的散热器的基础上改进的，容积可变但是不影响使用寿命。整个设计过程中和散热器供应商开展密切合作，进行了很多类型的设计、制造和试验。散热器通过了5800次载荷周期的耐久性试验，按照DIN 42 500-6或EN 50216-6标准，等同于87年的使用寿命。这方面的理论研究也在和德国亚琛工业大学同步开展，理论分析的结果与试验结果一致。散热器经受了最大温度和压力考验，但是不影响散热片之间的自然空气对流。这个新型的散热器的使用有个前提条件：不能进行热镀银。
4.散热器的防腐保护系统
海上变电站的一个大的挑战也是防腐系统的设计，特别是这种直接放置于敞开环境下的设备。散热器就是典型的例子，具有很大的表面积，数量众多的薄片单元，以及很多的开口。设计中有一个关键问题需要权衡，防腐要求所需要的最小涂层厚度与热交换允许的最大涂层厚度之间的矛盾，解决这个矛盾可以考虑采用电泳涂层。这项技术很简单，但是还是需要相关的专业经验，基本原理是利用外加电场使悬浮于电泳液中的颜料和树脂等微粒定向迁移并沉积于电极之一的基底表面的涂装方法，它包括四个过程：
1)电解(分解)
在阴极反应最初为电解反应，生成氢气及氢氧根离子OH，此反应造成阴极面形成一高碱性边界层，当阳离子与氢氧根作用成为不溶于水的物质，涂膜沉积，方程式为：H2O→OH+H。
2)电泳动(泳动、迁移)阳离子树脂及H+在电场作用下，向阴极移动，而阴离子向阳极移动过程。
3)电沉积(析出)
在被涂工件表面，阳离子树脂与阴极表面碱性作用，中和而析出不沉积物，沉积于被涂工件上。
4)电渗(脱水)
涂料固体与工件表面上的涂膜为半透明性的，具有多数毛细孔，水被从阴极涂膜中排渗出来，在电场作用下，引起涂膜脱水，而涂膜则吸附于工件表面，而完成整个电泳过程。
通过与专业的公司合作，散热器最后的涂层效果很好，涂层丰满、均匀、平整、光滑，电泳漆膜的硬度、附着力、耐腐、冲击性能、渗透性能明显优于其它涂装工艺。
根据DIN EN ISO 12944标准对散热器进行了1500小时的盐雾测试(电泳涂层的底漆厚度为30μm)，结果表明即使表面涂层有损坏(涂层刺穿直到钢结构表面)也没有观察到严重腐蚀情况(在标准的许可范围内)。
电泳涂装的应用范围可以逐步扩大，可以用在连接螺栓、法兰、减震器甚至整个变压器的外壳上。
图7 采用电泳涂装的散热器
图8 经过1500小时盐雾测试(最大钢材腐蚀量0.7μm<1μm)
三、Borkum West II海上变电站
德国Borkum West II海上风场容量400MW，离岸45公里，水深30米，风场采用Multibrid5MW机组，采用HVDC(轻型直流输电)输电方式。Topside重2500吨，尺寸为30×35×26m。
图9 Borkum West II海上变电站
风场的海上变电站内部采用2台220MVA 33/155kV的变压器，还包括直流换流阀组等核心部件，这个项目其中的一个亮点是变压器的冷却系统采用海水冷却，如下图所示。该系统应用的高效冷却方式不仅用在变压器上，而且根据气候变化情况应用到其他的设备中。
海水冷却泵设计采用n-1原则，每台变压器设置两台循环泵，同时还设计了两个自动清洗的海水过滤器。主冷却回路采用了套管式换热器，一旦换热器的管道泄漏，可以很快检测到，以便最大程度的保护油循环系统，防止大量水分渗入。
图10 海水冷却系统原理图
四、HelWin alpha海上变电站
HelWin alpha海上风场容量576MW，采用HVDC(柔性直流输电)技术，由荷兰Tennet电网公司、西门子和普瑞斯曼电缆公司共同实施海上换流站的工程项目，西门子委托Nordic Yards进行平台建造，平台的结构与BorWin Beta风场的平台结构基本一致。平台topside重量12000吨，尺寸为70×50×35米，±250kV，采用的西门子漂浮自升式平台，topside设计为全密封形式，平台内部设计了7层甲板，设置16个休息间，可供24位工作人员休息的床位，还设置有厨房、卫生间、含体育设施的多功能房间，以及一个可观看卫星电视的房间，其他的换流阀、变压器、高压开关和其他辅助设备设置在离人员休息较远的地方，如下图所示：
图11 HelWin alpha海上柔性直流换流站
平台于2013年8月开始安装，海上历时11天完成安装。平台制造直接在船坞进行，建造完毕之后拖拽至海上安装点(非平底驳船运输)，平台重量超过12000吨，超过浮吊的起重能力，因此安装采用了低位浮托模式，即采用常规浮托安装方案将组块载荷转移到导管架上，再利用液压提升系统提升组块至设计高度。安装时平台桩腿的6个插尖开始与导管架上的6个LMU(桩腿对接缓冲装置)对接，在落潮和驳船压载的双重作用下，平台组块与驳船分离，载荷逐渐落在导管架上，驳船退出导管架槽口。此后，安装工程进入提升作业阶段，在液压千斤顶的牵引下，平台组块开始缓慢提升到海平面22米高度，到此完成了安装的主要步骤。
HelWin alpha海上变电站平台是一个综合性的平台，与传统的海上油气平台的设计类似，与前面Barrow等交流平台不一样，直流平台的挑战更大，是目前海上风电输电领域最前沿、难度最大的工程技术领域，国内的海上风电技术与国外的差距还很大，还有一段艰难的路要走。
结论：海上变电站的设计、安装、施工是一个复杂的系统工程，需要多种技术、多个公司紧密配合才能完成，各个环节出现问题，在海上就会以倍数的形式放大，因此在项目的设计之初就需要进行全面的分析，充分借鉴国外的经验，利用国外的设计与认证标准，开展国内的海上变电站研究与工程项目建设。