风电场电气工程课程设计

风电场电气工程课程设计国华巴盟乌拉特中旗（川井）风电场电气部分初步设计1. 风电场风机型号现选择由中国南车集团出产的YFF06型1.5MW风冷双馈风力发电机,第一期装设风力发电机33台，第二期装设风力发电机33，具体数据如下: 2. 各台接线形式 风电场的风机排列各异,有阵列布置,也有线性布置,合理选择风机分组和风机连接型式,可以使风电场电缆或架空线等导体投资尽量节省,是主接线方案优化。风电场的风机分组及连接方式影视情况而定。从陆上风电场和海上风电场的设计经验来看，连接方式基本上有链形(放射形)、星形和环形三种.又因星形的造价过高,故此处不予考虑。(1)放射形布局如图 (a)所示,将若干风力发电机连接在同一条输电线路上,整个风电场的电能通过若条输电线路输送到汇流母线上, 输电线路的额定功率须大于所连接风机的最大功率。该布局的优点是操作简单、投资成本较低;缺点是可靠性不高,如果输电线路的某处发生故障,那么整条输电线路都将被迫切除,与其相连的所有风机都将停运。图3-1(a)放射形布局(2)单边环形布局如图 (b)所示,在放射形布局的基础上,通过一条冗余的输电线路将线路末端的风机连回到汇流母线上。如果输电线路某处发生故障,可以通过加装在其上的开关设备切除,保证风机正常运行。该布局的优点是可提高内部电气系统的可靠性;缺点是操作比较复杂,投资成本较高。图3-1(b)单边环形布局(3)双边环形布局如图 (c)所示,在放射形布局的基础上经一条冗余的输电线路将两条相邻线路末端的风机相连。因输电线路连接的风机数量加倍,故其额定功率也需要加倍。该布局的优缺点与单边环形布局基本相同。图3-1(c)双边环形布局(4)复合环形布局如图 (d)所示,将单边环形与双边环形进行结合,将相邻几条输电线路末端的风机互连,然后经一条冗余的线路将末端的风机连回到汇流母线上。该布局相比单边环形可以减少冗余线路的数量,相比双边环形可以降低其额定容量。图3-1(d)复合环形布局(5)多边环形布局由以上几种布局可以看到,环形布局提高可靠性的途径有提供冗余和增加互连2个。本文根据这一原则提出多边环形布局,如图 (e)所示。该布局将所有输电线路末端的风机用线路连在一起,以增加风机互连。该布局要求输电线路的额定容量比放射形布局中线路的额定容量稍大,以满足某一输电线路故障处下游风机通过其余输电线路输送电能。该布局与复合环形相比不需要冗余线路,但是所需线路的额定容量稍大。图3-1(e)多边环形布局结论：（1）链形结构的建设成本低，但是有功损耗、电压偏差较大；（2）单边环形结构的有功损耗、电压偏差小，但是建设成本过高；鉴于此风电场容量较小,如对有功损耗、电压偏差没有过大的要求应选择较便宜的链式结构方案。 注：0.85为功率因数。3. 风电机组的升压变压器选择690V/35kV，无励磁调压（无载调压，变压器不带电的时候才能调压）、容量2000kVA，数量为33台。升压变压器的容量计算如下：风机及附属设备耗电取3%，一个风力发电机组为1500kW 具体数据如下:表1. 风力发电机箱变参数型号S11-M-2000/35容量2000kVA电压35000v/690v产品代号OHT.710.923频率50Hz相数三相联结组标号Dyn11冷却方式ONAN使用条件户外绝缘水平L1200A95/AC5短路阻抗6.26%器身重2270Kg出厂序号BY标准代号GB1094.12-1996、GB1094.3-2003GB1904.5-2003、GB/T6451-2008 分接位置高压电压V3858837669367503583134912电流A15.7低压电压V690电流A836.744. 引线截面积考虑到施工方面等因素，一条线路上8台风力机，前4台采用50mm2截面积的，后四台采用150mm2 截面积的.方案描述比较：风电场的风机至中心升压站之间的集电线路有电缆和架空线两种方案可供选择,下面将从经济和技术两个方面对这两种方案进行比较。架空线:（1）由于采用架空线,导线裸露在空气中,受周围环境影响较大,可靠性较低；（2）架空线对地电容较小,发生单相接地故障时,电容电流较小,并且发生单相接地故障通常以瞬时故障为主,因此可以采用中性点不接地或采用消弧线圈接地方式,以减少机组无为跳闸的可能性；（3）架空线相同截面导线载流量比电缆大得多,如此次设计采用架空线则导线截面积可以选的较小。但是在一些地区如沿海风电场由于海风较大,采用架空线方案时对铁塔的要求较高,造价也增加较大,可靠性也有所下降.还有在一些地区牵涉到视觉观赏性等,也必须采用电缆。 电缆:（1） 电缆由于埋设在地下,不受周围环境影响,可靠性较高；（2） 电缆对地电容较大,发生单相接地故障时,电容电流较大,并且发生单线接地故障通常以永久故障为主,因此不可以采用中性点不接地方式,只能采用消弧线圈接地或电阻接地方式,无形中降低了可靠性；（3） 电缆相同截面导线载流量比架空线小得多,如本设计采用电缆则导线截面积要大一些,且需选择三根电缆.结论：（1）架空线方案经济上优越得多,技术上也可以达到要求,且鉴于此次地形所限,所以作为推荐方案；（2）电缆方案需要较大投资,但在一些设计中则优先考虑此方案,如:沿海风场,海上风场及风力影响较大的地区。5. 主接线形式升压变电站的主变压器将集电系统汇集的电能进行再次升压。对于此次设计的47.5MW的风电场一般可将电压升高到220kV接入电力系统。就接线形式而言，此次的风电场，10kV或35kV线路数目较多，需要采用单母线分段的方式。6. 主变压器的选型风电场的总容量为49.5MW.所接电网电压为220KV,以此数据选择主变压器, 具体数据如下:表2. 风电场主变压器参数型号SFZ10-相数3相频率50.00HZ户外使用额定容量63000kVA额定电压220/35kV冷却方式ONAN/ONAF (70%/100%)联结组标号YNyn0产品代号1TB.714.0058.1出厂序号A20098T22-1出厂日期2009.08变压器油牌号DB-45标准序号GB1094器身重43.6 t上节油箱重5.6 t油重21.6 t运输重68.9 t总重83.2 t绝缘水平h.v.线路端子 LI/AC 480/200 KVh.v.中性点端子 LI/AC 325/140 KVI.v.线路端子 LI/AC 200/85 KVI.v.中性点端子 LI/AC 200/85 KV空载电流空载损耗负载损耗0.124%40.7KW237.0KW短路阻抗%最高电压分接额定电压分接最低电压分接10.6310.1810.027 其它电气设备的选取(1)断路器的选择：初选为SW2-35/600型断路器,其额定技术数据为:UN=35KV,IN=600A,额定开断电流为Ibr=6.6KA,动稳定电流imax=17KA,热稳定电流(及时间)It=6.6KA(4S),固有分闸时间tg=0.06s,燃弧时间th=0.12s。根据UN=220KV,I=0.520KA及室外布置要求,初选为LW10B-252W/3150型断路器,其额定技术数据为:UN=252KV,IN=3150A,额定开断电流为Ibr=40KA,动稳定电流imax=100KA,热稳定电流(及时间)It=31.5KA(4S),固有分闸时间tg=0.033s,燃弧时间th=0.066s。(2)隔离开关的选择：根据UN=35KV,I=0,816KA及室内布置要求,选为GN2-35T/1000型隔离开关可满足要求,其额定技术数据为:imax=70KA,I2tt=27.52 *5。根据UN=220KV,I=0,260KA及室内布置要求,选为GW27-252/2000型隔离开关可满足要求,其额定技术数据为:imax=125KA,I2tt=502 *4。(3)电压互感器的选择：根据UN=35KV,I=0.816KA要求,选为JDZJ-35型电压互感器可满足要求,其额定技术数据为:一次线圈为 KV,二次侧为 KV,辅助线圈为0.1/3KV,最大容量为1000VA。(4)电流互感器的选择：根据UN=35KV,I=0.172KA及室外布置要求,初选为LCW-35型电流互感器,其额定技术数据为:UN=35KV,IN/iN=200A/5A。根据UN=35KV,I=0.816KA及室内布置要求,初选为LDJ-35型电流互感器,其额定技术数据为:UN=35KV, IN/iN =900A/5A。根据UN=220KV,I=0.520KA及室外布置要求,初选为LCQB-220W2型电流互感器,其额定技术数据为:UN=220KV, IN/iN =2*600A/5A。8. 风电场配电装置 （1）母线及构架：屋外配电装置的母线有软母线和硬母线两种。软母线可选用较大的档距，但一般不超过三个间隔宽度，硬母线常用的有矩形和管形。矩形母线用于35kV及以下配电装置，管形则用于110kV及以上的配电装置。屋外配电装置的构架，可用型钢或钢筋混凝土制成。（2）电力变压器：电力变压器外壳不带电，故采用落地布置，安装在变压器基础上。变压器基础一般制成双梁形并铺以铁轨，轨距等于变压器的滚轮中心距。（3）高压断路器:按照断路器在配电装置中所占据的位置，可分为单列、双列和三列布置。断路器有低式和高式两种布置。低式布置的断路器安装在0.51m的混凝土基础上，在中型配电装置中，断路器和互感器多采用高式布置（4）避雷器:110kV及以上的阀型避雷器多落地安装在0.4m的基础上。磁吹避雷器及35kV阀型避雷器一般采用高式布置。（5）隔离开关和互感器:隔离开关和互感器均采用高式布置，其要求与断路器相同。（6）电缆沟:屋外配电装置中电缆沟的布置，应使电缆所走的路径最短。 （7）道路:为了运输设备和消防的需要，应在主要设备近旁铺设行车道路。出线11M电压互感器及避雷器1号主变压器进线出线2ABCABC出线3（备用）2M电压互感器及避雷器2号主变压器进线出线4（备用）ABCABC110kV配电装置80080080080080080080080080080010001000600600600600800800110kV检修电源箱ABCABC图例隔离开关电流互感器电压互感器断路器避雷器电容式电压互感器端子箱建筑物架构道路避雷针ABCABCABC9. 风电场的防雷保护及接地装置(1)防雷保护:避雷针：由接闪器、支持构架、引下线和接地体四部分构成。原理：使雷云先导放电通道所产生的电场发生畸变，致使雷云中的电荷被吸引到避雷针，并安全泄放入地。避雷线：由悬挂在被保护物上空的镀锌钢绞线（接闪器）、接地引下线、接地体组成。主要用于输电线路、发电厂和变电站的防雷保护。原理：与避雷针基本相同，但对电场畸变的影响比避雷针小。避雷器：用来限制沿线路侵入的雷电过电压（或因操作引起的内过电压）的一种保护设备。原理：实质上是一种放电器，把它与被保护设备并联，并在被保护设备的电源侧。避雷带和避雷网：在建筑物最可能遭到雷击的地方采用镀锌扁钢或镀锌圆钢，并通过接地引下线与埋入地中的接地体相连构成避雷带，再由避雷带构成的避雷网。原理：避雷带、避雷网与避雷针及避雷线一样可用于直击雷防护。接地电阻：即接地装置对地电压与入地电流之比。它包括接地线、接地体的电阻以及接地体与土壤间的过渡电阻和大地的散流电阻。前两者较小，可忽略不计，主要是大地的散流电阻。故接地电阻与土壤的电阻率成正比，与接地体的半径成反比。设接地装置（接地体）为一半径为的半球体，并认为接地体周围土质均匀接地装置对地电位分布曲线Uk接触电位差；Ukb跨步电位差(2)接地装置:风机基础的防雷接地系统地埋接地避雷带应为504mm的热镀锌扁铁，扁铁要按照以风机基础中心为圆心的同心圆进行敷设。风机接地铜引线与避雷带要焊接相连，连接点应不少于3处。施工流程一般为：施工准备开挖接地沟槽敷设接地扁铁安装接地装置焊接避雷线焊接接地网对焊点进行防腐处理铺撒降阻剂回填压实接地沟槽测试接地电阻值。防雷接地网所有焊接处的焊缝应饱满，并能够承受足够的机械强度，不得有夹渣、咬肉、裂纹、虚焊、气孔等缺陷，焊接处的焊渣应清除干净，并刷沥青进行防腐处理。10. 风电场主变压器及线路上保护的配置主变压器保护配置:主变压器主保护应配置一套二次谐波制动原理的微机型比率制动纵联差动保护，保护动作跳变压器各侧断路器。除了比率制动差动保护，一般还装设差动速断保护用于快速动作于较为严重的故障。容量为6300KVA及以上、厂用工作变压器和并列运行的变压器、10000KVA及以上、厂用工作变压器和单独运行的变压器、以及2000KVA及以上用电流速断保护灵敏性不符合要求的变压器，应装设纵联差动保护。 除了装设主保护，变压器还装设后备保护。后备保护用于防御变压器本身和外部系统的故障，常见的后备保护是用于防止相间短路的电流保护和用于防止接地短路的零序电流和零序电压保护。容量较大的变压器则一般采用带时限的过电流保护作为后备保护。在220kV及以上电压等级，为了保护变压器本身，复合电压闭锁过流还需要加装方向器件。为了防御外部或变压器本体的接地故障，还装设有零序电流和零序电压保护。此外，变压器还装设有主变压器过负荷保护，带时限动作于发信、启动风扇、闭锁有载调压或跳低压侧分段断路器。瓦斯保护:瓦斯继电器又称气体继电器。瓦斯继电器安装在变压器油箱与油枕之间的连接管道中，油箱内的气体通过瓦斯继电器流向油枕。以往使用的浮筒式瓦斯继电器，由于浮筒的密封性不良而经常漏油，抗震性能差，常常造成瓦斯继电器误动作。目前，国内采用的瓦斯继电器有浮筒挡板式和开口杯挡板式两种型式，均有两对触点引出，可以并联使用。瓦斯保护装置接线由信号回路和跳闸回路组成。变压器内部发生轻微故障时，继电器触点闭合，发出瞬时“轻瓦斯动作”信号。变压器内部发生严重故障时，油箱内产生大量气体，强烈的油流冲击挡板，继电器触点闭合，发出重瓦斯跳闸脉冲，跳开变压器各侧断路器。因重瓦斯继电器触点有可能瞬时接通，故跳闸回路中一般要加自保持回路。变压器严重漏油使油面降低时，继电器动作，同样发出“轻瓦斯动作”信号。变压器纵联差动保护:变压器纵联差动保护在正常运行和外部故障时，理想情况下，流入差动继电器的电流等于零。但实际上由于变压器的励磁电流，接线方式和电流互感器误差等因素的影响，继电器中有不平衡电流流过。由于这些特殊因素的影响，变压器差动保护的不平衡电流远比发电机差动保护的大。因此，变压器差动保护需要解决的主要问题之一是采取各种措施避越不平衡电流的影响。在满足选择性的条件下，还要保证在内部故障时有足够的灵敏系数和速动性。按照避越励磁涌流方法的不同，变压器差动继电器可按不同的工作原理来实现。目前，国内广泛应用有以下几种类型继电器构成差动保护：（1） 带短路线匝的BCH-2型差动继电器；（2） 带磁制动特性的BCH-1型差动继电器；（3） 多侧磁制动特性的BCH-4型差动继电器；（4） 鉴别涌流间断角的差动继电器；（5） 二次谐波制动的差动继电器。此外，有些单位还研制了高次谐波制动的差动继电器。后备保护：对于由外部相间短路引起的变压器过电流，可采用下列保护作为后备保护。（1） 过电流保护，宜用于降压变压器，保护装置的整定值应考虑事故时可能出现的过负荷。（2） 复合电压（包括负序电压及线电压）起动的过电流保护，宜用于升压变压器和系统联络变压器及过电流保护不符合灵敏性要求的降压变压器。（3） 负序电流保护和单相式低电压起动的过电流保护，可用于63000KVA及以上的升压变压器。（4） 对于升压变压器和系统联络变压器，当采用上述（2）、（3）保护不能满足灵敏性和选择性要求的时，可采用阻抗保护。（5） 上述各项保护动作后，应带时限动作于跳闸。过负荷保护：对于400KVA及以上的变压器，当数台并列运行或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，应根据可能过负荷的情况装设过负荷保护。对自耦变压器和多绕组变压器，保护装置应能反应公共绕组及各侧过负荷的情况。过负荷应接于一相电流上，带时限动作于信号。在无经常值班人员的变电所，必要时过负荷保护可动作于跳闸或断开部分负荷。线路保护