楼巍，俞华锋，陶安

（中国电建集团华东勘测设计研究院，杭州310014）

摘要：分析了目前国内外海上变电站的发展现状，对海上变电站电气布置方案进行了研究分析。通过对海上变电站底层甲板顶标高确定及上部平台设备布置情况介绍了上部平台结构的设计原则。分析比较了三种海上变电站常见的基础形式，并总结了各自的适用范围及优缺点。

关键词：海上变电站；上部平台；基础形式；设计原则

Offshore substation development situation and design principles

LOU Wei,YU Hua Feng,TAO An

Abstract：The current offshore substation development situation at home and abroad and the offshore substation electrical layout schemes were analyzed. Determination of the top elevation of the bottom deck and the arrangement of the foundation platform equipments were introduced. Three kinds of offshore substations base form were compared and analyzed. Their application scopes and advantages and disadvantages were summarized finally.

Key words：Offshore substation;Upper platform;Base form;Design principles

0 前言

风力发电是目前世界上发展最快、最具商业化和规模化开发条件的可再生能源。近些年来，我国陆上风电得到了迅速的发展。但在东部沿海地区，资源条件、建设用地、电网条件、环境保护等因素对陆上风电发展的制约越来越明显。根据欧州国家风电的发展经验，海上风电将是我国东部沿海地区今后风电发展的方向。

随着海上风电场离岸距离以及装机容量不断增大，建设离岸的海上变电站成为海上风电场建设的重要环节之一。海上风电场的海上变电站使用寿命大致为20~30年，与许多石油平台类似；但在人员居住、结构失效后果等方面不能与石油平台相提并论。从重要性方面来看，海上变电站作为整个风电场的升压和送电枢纽，其重要性不言而喻。本文对国内外海上变电站的现状和特点进行了总结和分析，并对海上变电站结构选型的原则进行了概括。

1 国外海上变电站概况

欧洲占据全球海上风电项目的绝大部分市场份额。其中英国、丹麦、荷兰和瑞典是目前世界上最主要的海上风电发展大国。国外在2000年以前的海上风电场规模较小，同时离岸的距离也较近，与输送过程中的电能损耗相比，设置海上变电站升压后输送电能的经济效益差，因此早期的海上风电场均没有设置海上变电站。海上风力发电机产生的电能直接通过海底电缆连接到陆上的变电站或者是其他的电能储存设备。

从2001年开始，欧洲海上风电场建设开始进入商业化示范阶段。这个阶段的海上风电场的总装机容量较大，不少风电场的容量超过5万千瓦，部分风电场离岸距离超过10km。采用海底电缆与陆上变电站相连接的方式会导致线路压降大、电能损耗和投资大。因此从2001年开始，离岸远且总装机容量比较大的海上风电场一般均设置海上变电站。

下表列出了国外部分已投运的海上变电站的主要参数^[1]。

国外海上变电站概况表

表1

2 国内海上变电站概况

我国海上风电起步比国外晚，但发展历程与国外相似。从我国海上风电的发展进程来看，已经从潮间带风电场开发走向了近海风电场开发。根据海上风电的“双十”标准（即水深不小于10m，离岸距离不少于10km），目前已经投产的海上风电场只有中广核如东海上风电示范项目和江苏响水近海风电场项目满足这一标准。同时这两个项目均设有海上变电站。目前在建的江苏东台海上风电场项目和华能如东海上风电场工程也均设有海上变电站。通过已建、在建海上变电站的设计施工情况来看，我国完全具备近海海上变电站建造的所有技术水平，同时为将来远海海上风电场开发奠定了基础。

下表列出了国内部分已建及在建的海上变电站的主要参数^[2]。

我国已建、在建海上变电站项目一览表（截至2015年12月）

表2

3 海上变电站结构设计原则

国内外真正针对海上升压站平台的规范只有挪威DNV船级社的《Off-shore Substation  for  Wind  Farms》（DNV-OS-J201）^[3]。根据DNV规范，海上变电站结构安全等级为高级，其设计水准为年结构失效概率10^-5，相当于美国石油行业API规范及ISO规范中的L-1或L1级。《港口工程结构可靠性设计统一标准》（GB50158-2010）规定安全等级一级结构其结构失效概率为3.17×10^-5，安全等级为二级的结构失效概率为2.33×10^-4。根据《风电场工程等级划分及设计安全标准（试行）》（FD002）^[4]的规定，根据建筑物的重要性和建筑物破坏后果的严重性，海上变电站的建筑物级别为1级，结构安全等级为一级，海上变电站结构设计使用年限为50年。

海上变电站设计主要包括上部平台结构、下部基础结构设计。海上变电站结构设计总体原则同常规海洋平台结构设计类似，均遵循如下原则：合理、安全、经济，且方便采购、制造、安装、检验和维护等。由于海上变电站作为整个海上风电场的变电及送电枢纽，所以上部平台布置情况与常规海洋平台区别比较大。

3.1 上部平台设计原则

根据海上气候条件差，可供施工窗口期短等特点，海上变电站上部平台均采取陆上建造、安装、调试，在海上进行整体吊装的方式。这种建造方式要求海上变电站重量要轻，体积要小，因此上部平台常采用钢结构。

（1）        海上变电站底层甲板顶标高确定

当波浪冲击平台下层甲板和设备时，会对平台产生巨大的作用力。为了避免这种情况，下层甲板的底部应该在设计波的波峰以上，再加上足够的安全空隙。一般应该采用100年重现期的指导性波高，以及合适的波浪理论及波陡计算出风暴水位以上的波峰高程，包括指导性风暴潮在内。考虑到不可预见的平台沉降，水深的不确定性，及极端波浪的可能性，为了避免波浪冲击甲板，在确定底层甲板梁的最小标高时，应在波峰高程之上增加至少1.5m的安全裕量或空气间隙^[5]。《浅海固定平台建造与检验规范》^[6]也有相同表述。由此，海上变电站底层甲板顶标高可按照以下公式确定：

式中，T为底层甲板顶高程；为极端高水位；为极端高水位的最大波高；为富裕高度。

考虑到海上风电场水深变化较大，且缺乏长期的实测海洋水文资料，水文参数具有一定程度的不确定性。实际工程中可以根据以往经验并综合考虑潮位、波浪、基础沉降、施工等因素，将海上变电站底层甲板梁顶高程作相应调整。

（2）    上部平台整体布置方案的确定

海上变电站将陆上变电站中的一次设备用房、二次设备用房及事故油池等户外构筑物整合在一起。合理布局对整个变电站的经济、安全及美观起到了决定性的作用。

目前我国已建及待建的海上风电场装机规模大部分在200MW~300MW之间，电压等级基本上为110KV和220KV。综合比较将海上变电站上部平台设计成三层比较合理，具有以下几点优势：（1）可以减小平台尺寸，适合单桩及四桩导管架基础形式；（2）最小的结构平面尺寸使上部平台的整体运输安装比较方便；（3）可以按使用功能、火灾风险等级将房间布置在不同的楼层中^[7]。根据中广核如东及三峡响水海上变电站的施工情况分析，我国对海上变电站的建造、运输及吊装的水平均能满足设计要求。本文以一250MW海上风电场项目的220KV海上变电站为例，介绍海上变电站每层的布置情况。

一层作为整个上部结构的过渡层，本层设有大量斜撑；同时35kV和220kV海缆通过J型管穿过本层甲板，所以一层甲板按照敞开式设计。将事故油罐、工具间及救生设施布置在本层。根据电缆弯曲半径要求及转换层要求，本层层高设置为6米比较合理。

二层中间位置布置主变，主变两侧分别布置GIS室、通讯继保室、开关柜室、低压配电室及吊装平台。本层层高为4.5米。其中主变室及GIS室按照两层设计。主变作为最重的电气设备，将其布置在平台中间位置有利于结构设计。

三层中间为主变及GIS上空区域，两侧布置应急配电室、蓄电池室、柴油机房、水泵房、通风机房及吊装平台。通风机房对层高起控制因素，本层层高需要5.5米。

顶层布置避雷针、通讯天线设备、设备检修孔及悬臂吊机。同时可以根据项目需要设置直升机悬停区域。

3.2 下部基础设计原则

综合国内外已建海上风电项目的海上变电站，海上升压站基础一般采用单桩、重力式、导管架等基础型式。目前大多数海上风电场升压站在上部结构总重量约为1000t及以下时采用单桩基础型式；在地质条件许可、水深较浅时采用重力式基础，在水深较大且上部结构总重量超过1000t时则采用导管架基础。本文分别介绍着这三种基础的适用范围及优缺点。

（1）    单桩式基础

单桩基础采用一根钢管桩，钢管桩直径4~7m，桩长数十米，采用大型沉桩机械打入海床，上部用连接段与塔筒连接。采用与风机基础相同的处理方式，连接段与钢管桩之间采用灌浆连接，连接段与塔筒之间采用法兰连接，连接段同时也起到调平的作用。

单桩基础目前在已建成的海上风电场中得到了最广泛的应用，单桩基础特别适于浅水及中等水深水域。单桩基础的优点是施工简便、快捷，基础费用较小，并且基础的适应性强。但是只是用于海上升压站上部结构不大的情况，欧洲单桩基础海上升压站的上部组块的重量一般不会超过1000t。

（2）    重力式基础

重力式基础为预制混凝土基础，基础重一般一千余吨，在陆上预制。预制基础养护完成后，用驳船运至现场，用大型起吊船将基础起吊就位。重力式基础就位前需将海底冲平，就位后再在基础底板方格内抛填块石以增加基础自重和稳定性。重力式基础连接钢桶过渡段，在过渡段上连接构架，海上升压站上部结构直接安装在构架的四个角点上。

重力式基础是适用于浅海且海床表面地质较好的一种基础类型，靠其自身重量来平稳风荷载、浪荷载等水平荷载。这种基础安装简便，基础投资较省，但对水深有一定要求，一般不适合水深超过10m的风电场，并对海床表面地质条件也有一定限制，不适合淤泥质海床。同时要求上部结构重量较小。瑞典的Lillgrund等风场采用此种类型的基础，同时该风电场的风机基础也采用这种基础型式。

（3）    导管架基础

导管架基础用3根或3根以上的钢管桩，并用导管架相连，一般采用四桩导管架基础。导管架与海上升压站上部结构支腿之间相连。导管架的主要作用有：支撑上部结构，提高整体稳定性；作为打桩定位和导向的工具；将平台上面的负荷比较均匀地传递到桩上；可安装系靠船舶的设备，作为附属设备支撑；可作为安装上部结构时的临时工作平台。其施工安装过程为船舶就位—导管架起吊下水（导管架滑移下水）—导管架就位（扶正）—吊装、插桩—打桩—导管架调平—打桩—导管架最终调平—灌浆—安装附件。

导管架基础适用性强，适合于不同水深与地质条件，同时该种基础型式在石油平台中应用多，工程经验丰富。

4 结论

海上变电站集中体现了电力工程与海洋工程的结合，建设满足海上风电场电能安全稳定送出要求的海上变电站，已然成为我国发展海上风电必须面临和解决的关键问题。由于目前国内尚无专门的海上变电站结构设计规范，因此对海上变电站结构设计进行探讨具有重大的意义。

本文分析了国内外海上变电站的发展现状，提出了海上变电站上部平台结构设计及下部基础结构的基本要求和设计原则。

参考文献

[1]Morgan C A，Reheeea J，Barthelmie B，et al．Offshore wind energy，ready to power a sustainable Europe，final report from the EU concerted action on offshore wind energy in European．DelftUniversity，2001．

[2]文锋.我国海上风电现状及分析[J]新能源进展,2016(4)

[3]DNV Offshore substations:DNVGL-ST-0145[S].Oslo: Det Norske Veritas, 2016.

[4]风电场工程等级划分及设计安全标准（试行），FD002-2007[S]水电水利规划设计总院,2007

[5]海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法-荷载抗力系数设计法（增补1）[S]国家经济贸易委员会,2002

[6]中国船级社，浅海固定平台建造与检验规范[S]人民交通出版社,2004

[7]张力，刘晋超.海上变电站结构设计探讨[J]南方能源建设,2015(2)