據(jù)預測2030年，電力需求約達到11萬億千瓦時，在當前水平基礎上增長54%，年均增長約4%；而全球電力生產(chǎn)的碳排放約占全部排放的42%，在中國這一比例達到51%；清潔能源發(fā)電勢在必行。要實現(xiàn)2030年前碳達峰目標，中國仍須新增大約650GW光伏、600GW陸上風電、60GW海上風電、113GW水電和66GW核電裝機；風電和光伏裝機預測都將以每年50~60GW速度增長，其中海上風電是增速最快的領域。
1.引言
開關設備作為電力傳輸、使用過程中控制、保護的核心設備，也是傳統(tǒng)火力發(fā)電站中發(fā)電系統(tǒng)、廠用電設備進行開合、控制和保護的關鍵設備。雙碳背景下，開關設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。當前，我國海上風電產(chǎn)業(yè)已進入規(guī)?；?、商業(yè)化發(fā)展階段，但仍存在一些制約因素亟待消除：關鍵核心技術創(chuàng)新能力不強，產(chǎn)業(yè)協(xié)同性不夠。從歐洲海上風電的發(fā)展規(guī)律來看，我國海上風電向大容量、深遠海發(fā)展是必然趨勢。但目前一些核心、關鍵技術不夠成熟，無法適應產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，也制約著成本的快速下降，國產(chǎn)海上風電集電、輸電設備應用、可靠性的問題就是需要提高的技術。
2. 海上風電應用
海上風電通過風機轉動帶動發(fā)電機發(fā)電，發(fā)電機發(fā)出的電經(jīng)過變流器、升壓變壓器升至40.5kV、再經(jīng)控制開關與集電電纜相連，集電電纜通過手拉手形式把各個風機發(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 海上風電電力輸出系統(tǒng)
海上風電所需要設備有單機升壓變壓器，控制開關柜；還有升壓變電站所需要的開關設備和升壓變壓器。海上風電電力輸出系統(tǒng)示意，見圖1。
3. 海上風電設備的要求
海上風電設備需要選擇可靠性高、壽命長、故障率低、維護量小、環(huán)保型的設備，且考慮海上環(huán)境惡劣，室內(nèi)安裝。設備尺寸和重量應盡量小，減少風機機艙、海上升壓變電站平臺的面積和造價。
海上風電發(fā)電機發(fā)出的電經(jīng)變壓器升壓至40.5/72.5kV，采用六氟化硫或氮氣等氣體絕緣金屬封閉開關設備或氣體絕緣開關柜作為集電線路開關，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或更換；主變高壓側采用氣體絕緣金屬封閉開關設備，低壓側配電裝置采用六氟化硫或氮氣等氣體絕緣金屬封閉開關設備或氣體絕緣開關柜；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，應配置適當?shù)倪^電壓保護裝置以限制工頻過電壓和操作過電壓；無功補償宜選用靜止無功發(fā)生器SVG。
升壓站設置2臺及以上主變壓器，單臺主變?nèi)萘繎紤]冗余，當一臺主變故障退出運行時，剩余主變可送出風電場60%及以上的容量。海上升壓站離岸距離較遠，無系統(tǒng)配電網(wǎng)電源作為備用電源，考慮到可靠性，故一般設置2回站用工作電源，互為備用，當站用電源故障時，采用獨立的應急電源供電。
海上風電電氣設備的防護等級不應小于IP56，防腐等級不應小于C5-M；戶內(nèi)主要電氣設備的防護等級不應小于IP4X，防腐等級不應小于C4。
海上風電實際運行期一般為25年左右，防腐設計年限25年。
海上風電設備的其它要求：
（1）安全、防火，外殼設計滿足耐內(nèi)部電弧要求、通過內(nèi)部電弧試驗要求，配備弧光保護；
（2）成本低，陸上風、火同價，海上降本提效；
（3）頻繁高、低負載循環(huán)，開關設備耐受冷熱沖擊；
（4）低電壓穿越，抗過流機械強度好。
通用電氣（GE）對海上風電開關設備的主要要求如下：
（1）使用溫度范圍 -25OC ~ +50OC。
（2）濕度范圍 IEC60721 3K6 10~100%相對濕度。
（3）污染物
a)機械源（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
a.中壓開關設備位于塔架門部分的基礎框架上，通過基礎和框架震動會影響開關柜；
b.開關柜需要承受表1所示震動耐受值；
表1 開關柜需承受的震動耐受值
c. 安裝在風力渦輪機中的開關柜應承受從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，持續(xù)20年。
（6）雷電沖擊
根據(jù)IEC61312-1/2 雷電區(qū)域2，為保護輪機電氣系統(tǒng)不受雷擊，開關柜應安裝電纜頭避雷器。
（7）電磁兼容
電磁兼容性需滿足下列標準要求：
IEC 61000-6-2 電磁兼容性（EMC）第6-2部分：通用標準工業(yè)環(huán)境抗擾性；
IEC 61000-6-4電磁兼容性(EMC)第6-4部分:通用標準.工業(yè)環(huán)境用輻射標準；
IEC 61000-4-2 靜電標準；
IEC 61000-4-3 多頻率輻射抗擾度試驗方法；
IEC 61000-4-4 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗；
IEC 61000-4-5浪涌抗擾度試驗；
IEC 61000-4-6 耐電源及射頻磁場抗干擾試驗；
IEC 61000-4-11電壓下降,短路和電壓偏差抗擾試驗。
（8）可靠性要求
a.在規(guī)定的使用壽命內(nèi)，通過“預防性維護”中指定的維護，開關設備的MTBF（平均故障間隔時間）應大于1,661,000 小時，也就是189.6年。供應商應證明系統(tǒng)符合規(guī)定的MTBF。這應通過設計分析、經(jīng)驗數(shù)據(jù)或測試來完成。
b.修復性維修
開關柜平均維修時間（MTTR）小于4小時；可更換部件的重量應小于16千克且小于57升，具有明顯的零件編號標識，具有警告或特殊說明等標簽。
c. 使用壽命，滿載條件下設計20年要求，質(zhì)保期5年。
