300MW海上风电场电气主接线设计

VI绪论风电场设计选题背景意义由于中国的海岸线绵长，使得中国有非常丰富的风电资源，尤其是像一些经济比较发达，但是能源又相对比较匮乏的东部沿海。众所周知，海上的风电利用是陆地风电利用的几倍之多，我国的海上风能资源利用是陆地的三倍之多。像东海大桥这样的风电场一年可以达到8000小时以上的有效时间，发电的效率也比陆地上的风电场高的多得多。现阶段人类过度利用资源，过度开采不可再生的资源，而像风电这样的可再生资源便成了发展的重点，并且利用好可再生资源便是抓住了未来，风电也正因此成为了我国重点发展的新能源之一，相信未来风电的发展可以更好地改变我们的生活，减缓我们国家资源的紧缺。本文就在这个基础上简单介绍了风电发展的状况，相信随着科学技术逐渐的发展，可以在未来的风电发展上更具有竞争力。国内外海上风电场的发展动态国外风电场发展随着时间的不断推进，风电场的技术业发展的比较成熟，由于风电的条件比较容易达到，所以已经覆盖到了很多电网难以到达的地方，造福了地方人民。到目前为止，全球的大部分的国家已经形成了比较成熟的风电体系，虽然风电发展比较成熟，但是仍然存在诸多的问题，像如何解决电网适应能力的问题，还有海上风力发电应该克服的一些问题。但我们都相信风电会有一个更好的未来。国内的风电场设计研究“十二五”规划中关于新能源的问题表示，我国的风电发展要从15年装机500W千瓦发展至2020年的3000W千瓦，未来的五年，风电将进入到一个飞速发展的阶段。我国的风力资源分布十分的广泛，并且储量也十分的丰富。我国风力发电的主要特征包括开发十分的集中并且规模巨大，并且支持远距离的高压电输送。随着风电技术的逐渐发展，我国也紧跟国际形势，在风电方面有了巨大的进展。06年到10年五年的时间里，我国总风电装机容量增长了将近4000万千瓦。今年我国的风电场容量更是达到新高。主要内容（1）对风机的型号，容量，和参数进行比较选择。（2）选择风机的接线形式并且确定型号参数。（3）分析研究升压站的电气主接线，进而确定变压器的台数和容量。（4）根据参考方案的数据，分析计算短路电流，并最终做出最佳的电气设备选择。（5）选择主接线的形式以及选择恰当的防雷保护方案在老师的指导下，结合自己在网上查询的资料，完成本次的毕业论文设计。

海上风电场主接线设计海上升压站-升压变接线设计通过对国内风电场的研究，结合国内的形式，本设计可以以装机容量为300MW的海上风电场通过220kV的输电线路接入电力系统，通过研究，最佳的离岸距离为15KM，所以根据以上信息，本论文最终确定的两种方案主要有以下形式：方案一：.220kV海上升压站+一回220kV的海缆输送至陆地图2.1.220kV海上升压站+一回220kV电压等级方案二：110kV海上升压站+两回110kV的海缆输送到陆地图2.2110kV海上升压站+两回110kV电压等级方案技术比较表2.1.升压变接线设计方案对比220kV海上升压站+一回220kV电压等级海缆110kV海上升压站+两回220kV电压等级海缆优点功率损耗小，电压损失少，使用单回线路输送，可靠性高，稳定性强可靠性，稳定性大，且国内技术成熟，很多生产厂家都大量生产，运行经验丰富，施工难度小，事故抢修周期短，需要配置的无功补偿容量较小缺点国内对于200kV海缆的生产技术不成熟，经验不足并且技术难度大，施工难度大，事故抢修周期长，需要配置的无功补偿较大。功率损耗大，电压损耗大方案经济比较方案一中使用一回220kV海缆的费用要低于两回110kV的三芯海缆，方案一只需要220kV的主变压器两台，而方案二需要三台变压器，费用更高。220kV海缆的费用高于方案二，其他各方面的安装费用几乎差不多，所以方案一的费用用要比方案二低，海域使用的费用也比较低最终方案综上所诉，若不考虑国内对220kV海缆的技术成熟可靠的程度的基础上，综合比较，无论是在技术还是经济上，采用方案一220kV升压变电站和220kV的海缆的方案，都更合适。考虑到220kV海缆依然缺乏使用业绩，但是随着新能源和海上风电项目的不断发展，本设计220kV海缆的技术也一定会越来越成熟，应用也会越来越多。最后推荐使用方案一。一个220kV海上升亚站和一回220kV海缆输送回陆地的方案风电场集电线路连接方式风电场集电线路的选择主要有两方面的设计，最先要做的就是集电线路的电压选择，目前比较常用的两种方案是风电场到升压站的输电线路电压等级为10kV和35kV的两种方案。所谓集电线路就是风电场内诸多风机之间连接的线路，由于是要建立在海上，离岸比较远，所以集电线路一般会用到海底电缆。集电线路电压等级风电场内风机之间的连接成为集成电路，由于海上风电场位于海面上，前文也提及到本设计多使用海底电缆，风机发电后输出的电压大约为660V到690V左右，输出这样的电压需要的电缆面积太大，所以一般不能满足这样的安装要求，所以本设计一般需要把电压提高到10kV或35kV才能正常的输入升压站，以下是10kV和35kV两种升压方式的比较。表2-2.集电线路电压等级对比方案10kV35kV线路损耗电缆线路长，电压等级低，压降和线路损耗大相同截面的导线，35kV线路的损耗比10kV小的多的多，功率损耗只有10kV电路的1/12左右，因此线路损耗和压降比10kV小的多设备选型由于电压低，相同容量电流大很多，增加了设备选择和制造的难度海底电缆每回路输送量大，线路回路少，占海面积小，路由好解决且实现国际化生产，足够的市场供货综上所述，经比较，本设计选择把电压提升到35kV的升压方案。集电线路接线方式的选择为了优化本设计的电气主接线，就要从设计各个风机之间的连接方式来进行优化，可以最大程度的节省资金，达到最好的效果。风机之间的连接方式应该根据排布的情况来定，集电线路的拓扑布局分为链式连接，环形连接和辐射式连接三种形式如图链式连接，结构简单，成本低，就是把各个风机中的发电单元连接起来，然后再通过一个主干电缆接入升压站，目前国内外工程中运用广泛。链式连接布局的开关配置上，主要包括传统开关配置，完全开关配置，部分开关配置三种传统的开关配置非常的简单，只需要把两个风机用电缆连接起来，并且在就集成电路接入母线的地方安装开关。完全开关配置顾名思义就是在风机与风机之间以及集电线路汇入汇流母线的时候都加设开关设备，部分开关配置就是介于以上两者的一种配置方式，只在风机馈线分叉处和汇入汇流母线的入口处设置开关装置。就国内外形势而言，传统开关配置，投资少，技术成熟，安装简单，在国内的项目中比较常见。环形连接需要的电缆比链式连接的更高，更长，需要较高的成本，但链式连接可以实现一定程度的冗余，可靠性高。环形连接又分为三种：单边环形，双边环形和复合环形。其中，单边环形是将链式中的每一个尾部的发电单元，通过电缆接回汇流母线；双边环形是将链式中两个相邻的发电单元尾部连接，复合环形则是结合上述两种方式，并改进的一种方式。REF_Ref29982\r\h辐射是连接是将每一个发电单元通过断路器与升压站的汇流母线连接，优点在于每一个风机的发电单元或线路损坏都不会影响其他的部分正常运行，并且可以独立调节，且可靠性高灵活性好，但是在投资和技术难度上会有所提高。由于海上风电场离岸越来越远，开发成本也越来越高，如果投资成本上过高，就会在很大程度上制约我国海上风电场的发展，所以秉承着降低发展成本，促进风电场发展的原则上，本设计选择更加可靠且投资低的链式连接方式，在配置开关方面，考虑到安全，可靠性，本设计最终选择了传统的开关配置的方案。但是随着技术的不断成熟，风电的运用越来越广泛，以后海上的风电场离岸也会越来越远，更多的连接方式和开关配置会被运用。升压站主接线设计对升压站所进行的电气主接线设计，是接下来本设计对电气设备的选择对接线方式的设计的基础，所以更好的对升压站做好设计将影响整个风电场可靠的运行，所以升压站的电气主接线设计，更应该满足到经济，灵活，可靠的条件，所以根据本设计对升压站的需求和对整个电力系统产生的作用，本设计就需要制定一个适应的主接线设计方案。REF_Ref30227\r\h升压站是整个电力系统中必不可缺的一个环节，升压站主要分为三个部分的电气主接线，分别为高压侧，低压侧和变压器三个方面的接线，由于每个部分都不相同，所以也会影响到他们的接线方式。REF_Ref30263\r\h有汇流母线的接线形式单母线接线单母线接线包括单母线接线，单母线分段接线，带旁路母线的单母线和单母线分段加设旁路母线四种形式。REF_Ref30227\r\h图2-3.单母线接线单母线接线就像上图中的表示一样，是由电源加上引出电流的引出线，电源把电能输送给母线，然后母线再将电能分配给各个引出线，从而达到分配电能和汇集电能的作用，在每一条支路上都安设断路器和隔离开关，这样母线既能保证电源的工作，也可以使任一条出线都可以从电源处获得电能。单母线接线的优点：电路设计简单清晰，使用的设备较少，操作起来比较容易上手简单，后期可以继续建设，并且整体花钱比较少。单母线接线的缺点：操作复杂容易出现失误，检修时需要关闭所有的电源，就会影响到大局的供电。REF_Ref30316\r\h双母线接线双母线接线包括双母线，双母线分段，双母线加设旁路母线和双母线分段加设旁路母线几种形式。REF_Ref30263\r\h图2-4.双母线接线双母线接线优点：操作比较灵活方便，当发生故障的时候，维修不会影响大部分的供电，本设计只需要把故障的支路切断，并且可以很快速的恢复正常。无汇流母线的接线形式（1）单元接线从发电机的输出口直接通过导线连接进入升压站系统的接线方式就叫做发电机到变压器的单元连接。图2-5.无汇流母线单元接线单元接线的优点：使用到的设备较少，需要加设的开关装置也不多，接线整体比较简单，占用的空间也较少，操作起来比较方便。（2）桥形接线当一个电路中只存在两个电源点和两条输电线路时，便可以采用此接线方式。桥形接线分为内桥和外桥两种接线，具体需要根据断路器的位置决定。线路较长的情况下，内桥接线的应用较多，线路中较易发生故障且容量比较小，而外桥接线多用于变压器需要经常切换运行方式的装置中。风电场升压站主接线设计由于海上风电厂处于电网的末端，装机容量并不大，所以海上风电场可以随时投入发电或切出停运，因此，本设计不需要考虑太高的稳定性和可靠性，为了降低总体的成本，经过本设计的选择和比较，单元接线，桥形接线或者单母线接线成为了本设计最终选择的方式。

短路电流计算和电气设备选择短路电流计算电气设备在运行的时候会时不时伴有一些故障和不正常的情形，发生这种情况的时候就会比较危险，其中故障中最常见的一种就是短路。那么本工程中也可能会发生短路这样的故障，为了更好的预防这样的问题发生和尽量减少损失，所以，进行一个短路电流的计算就显得非常的重要短路电流计算条件本设计首先应该去假定系统的容量无限大，所以当线路发生短路的时候，整体系统的电压不会发生变化，同时本设计也可以在计算电压较高的电器短路电流时，可以去计算他的电阻造成的影响，短路电流计算公式或计算图表，都以三相短路为计算条件。REF_Ref30316\r\h短路电流计算的一般规定（1）在短路电流的计算中，应尽量以本设计工程中规划好的标准计算，并且应该考虑到电力系统发展前景（2）异步电机的反馈作用和电容的补偿装置会影响到短路电流，所以当本设计选择短路电流的时候，应充分考虑这一点。（3）当本设计在计算没有电抗器的短路电流时，选择接地点要选择短路电流最大的接地点来保证计算的准确性。电站等值电路模型为了计算短路电流，本设计把电气系统的组成部分：导体和寻多电器元件通过合理的等值，简化，将复杂的，难以进行精准计算的电气系统元件，在不改变其电气特性的条件下，简化为可以方便计算的电路密模型，基于对三峡阳西沙坝300WM海上风电项目风电场电气主接线的设计的研究。REF_Ref21012\r\h接线图图3-1.短路计算接线图基准值采用标幺值进行计算，取三峡阳西西沙坝的参考值为基准值：基准容量：基准电压：基准电流：基准电压：基准电流：计算各元件标幺值送出电路选用LGJ-240，长度为6Km主变压器阻抗标幺值为：绘制系统等值电路图图3-2短路计算等值电路图短路点短路电流计算（1）d1点短路电流图3-3d1点短路电流基准电流：短路电流周期分量有效值：短路点冲击系数短路电流冲击值短路电流最大有效值d2点短路电流图3-4d2点短路电流基准电流短路电流周期分量有效值KA短路点冲击系数短路电流冲击值短路电流全电流最大有效值

表3-1短路电流计算结果短路电流短路电流周期分量有效值短路冲击电流短路电流周期分量最大值110kV母线16.742.525.235kV母线11.629.517.5电气设备选择电气设备选择的基本规则正常工作运行，方便检修，对短路和故障有一定的保障。跟所处的环境和工作空间相适应。花钱不会太多，且在这方面有比较领先的技术。设备的工作指标和标准需要和工程整体要求的技术指标相吻合技术条件长期工作条件1.额定电压其中装置地点电网额定电压电气设备的额定额定电流其中选定设备的额定电流持续工作电流短路稳定条件校验的一般原则在选择完所有的电器需要校验其热稳定与动稳定的时候，本设计应该选择短路电流最大的时候进行校验。电器受到熔断器保护的时候，就不需要校验其热稳定性。本设计也可以不校验他的动稳定，如果熔断器有限流的作用的话。电压互感器如果也被熔断器保护的话，就都不需要检测。REF_Ref21058\r\h短路热稳定条件校验热稳定时所需要的时间下表数据是继电保护装置起动和执行机构的动作时间，断路器的分闸时间和触头电弧的维持时间总和。

表3-2不同开断速度的断路器分闸时间断路器开断速度断路器的全分闸时间td（s）计算时间tjs（s）高速断路器<0.080.1中速断路器0.08~0.120.15低速断路器>0.120.2短路动稳定条件ich<ig电气设备选择（1）主变压器风速的大小直接决定了风电场产生风能的大小，本设计选额和风电站发电容量相同的主变压器，电站的装机容量为300MW，根据110kV变压器型号选择，可采用两台容量为150mVA的变压器。REF_Ref21525\r\h图3-5变压器型号：SFS9-150000/220;表3.3主变压器参数电压组合：高压：220±2X2.5%中压：115（或110）低压：11.5（或10）kV;

联结组：YNyn0d11;

空载损耗：125kW；

负载损耗：513kW；

空载电流：0.42%

短路阻抗：高-中：12-14%；高-低：22-24%；中-低：7-9%；中性点接地方式110kV系统：在110kV的系统中，中性点可以选择接地也可以不接地运行35kV系统：在35kV的系统中，中性点就必须经小电阻接地运行图3-6隔离开关主变压器的中性点设备选择主变压器隔离开关表3.4隔离开关参数型号：GW13-72.5W/630额定电压：110kV额定电流:630A额定频率:50Hz额定动稳定电流:80kA热稳定电流：31.5Ka/4s图3-7电流互感器电流互感器表3.5电流互感器参数型式：环氧树脂浇注全封闭式额定一次电压：12kV额定电流变化：100/5A精度：5p20容量：20VA局部放电：<10pc避雷器表3.6避雷器参数型号：Y1.5W-72/186额定电压：110kV最高电压：126kV避雷器额定电压有效值：72.6kV持续运行电压：116kV标称放电电流：1.5KA（2）110kV母线的选择母线最大可持续电流选用型号LGJ-300/25的钢芯铝绞线如图图3-8钢芯铝绞线按环境温度校验，本设计选取一年中最热的几个月的平均温度36℃导体长期可承受的载流量所以导体可以满足载流量要求。3.热稳定校验：主保护动作时间和断路器全开断时间。计算时间（s）满足热稳定条件（3）35kV母线选择若长期有电流，母线可以维持的最大电流标准的环境温度大约为25℃，选取横截面为100×10的矩形铜母线的话，在这个温度下导体温度70℃可以长期流过的允许电流为2289A如果不适用标准温度而是环境温度的话，由于设备常年处在室内，每个月的平均温度会比标准的温度高出5℃左右。REF_Ref21597\r\h校验系数导体允许的长期载流量3.热稳定校验主保护动作时间和断路器全开断时间。计算时间（s）满足热稳定条件（4）110kV配电装置选择表3.7110kV配电装置选择敞开式高压电器气体绝缘全封闭组合电器优点价格便宜占地面积，体积小维护周期长受环境影响小可用于湿热，污秽，高寒等严酷条件缺点维护需要很长的时间周期，设备庞大，占用过多的占地面积，并且比较受环境的制约。价格高昂由于本工程在海上，环境潮湿，风浪大，为了减少环境对设备造成的影响，本设计选择气体绝缘封闭式组合，如图图3-9断路器A.断路器表3.8断路器参数型式：SF6，三相机械联动安装方式：立式级数：3相额定电压：126kV额定电流：1250A额定动稳定电流：80KA额定热稳定电流：31.5KA额定短路开断电流：31.5KA额定开断时间：<60msB.隔离开关：

表3.9隔离开关参数型式：SF6绝缘，三相联动级数：三相额定电压：126kV额定电流：1250A额定热稳定电流：31.ska额定动稳定电流：80KA隔离开关可进行就地操作，远程遥控C.接地开关表3.10接地开关参数型式：SF6绝缘，三相机械联动带电气连锁级数：3相额定电压：126kV额定动稳定电流：80KA额定热稳定电流：31.ska机械寿命：检修前允许操作5000次

D.避雷器表3.11避雷器参数避雷器额定电压：102kV避雷器持续运行电压：73kV标称放电电流：10KAE.电流互感器表3.12电流互感器参数型式：SF6一次贯穿式，水平安装额定电压：126kV额定频率：50Hz电流比：400/5A800/5A额定热稳定电流：31.5KA额定动稳定电流：80KAF.电压互感器母线电压互感器

表3.13电压互感器参数型式：电磁式，四线圈额定电压：一次绕组：110/kV主二次绕组：0.1/kV剩余电压绕组：0.1kV额定电压比：额定频率：50Hz(5)35kV配电装置选择A.铠装型移开式高压开关柜表3.14高压开关柜参数型号：KYN-40.5额定电压：40.5kV额定电流：1250/2000A额定短路开断电流：25KA额定峰值耐受电流：63KA操作机构：弹簧操作机构(6)升压变表3.15S11型三相油浸双分裂无载调压变压器型式：S11型三相油浸双分裂无载调压变压器冷却方式：ONAN额定频率：50Hz额定容量：1000kVA额定电压：高压侧：36.5kV低压侧：270v额定电流：高压侧：15.82A低压侧：1069.2A极性：负极性(7)逆变器本工程中使用到的是多机并网的逆变器，这种逆变器多用于大型的风电站群，本设计通过逆变器将风能直接转化为可以输入电网的电能，这样一来便省去了设置蓄电设备的资金，同样也减少了蓄电池每一次充电和放电过程中对能源的消耗，极大地降低了投资的成本。REF_Ref21669\r\h

表3.16逆变器技术指标型号:NB-S，NB-W系列功率范围:1KW

500KW

直流电压范围:40V980V可选)

总电流波兴畸变率:<3

%功率因素:>0.99

DC-AC效率:90~96%

直流电接入方式:端子排+直流开关交流电网接入方式:端子排+交流开关

夜间自耗电:OW通讯接口:RS232，RS485，USB可选保护功能:输出短路保护，电网电压和频率异常保护，过热保护，过载保护，孤岛效应保护，极性反接保护.REF_Ref21734\r\h

使用环境温度:-10℃~+40℃电网监控:按照UL1741，IEEE-2000标准小结本章完成了海上风电场短路点的短路电流计算和海上风电场的主要电器设备的选择。根据以上的校验结果，最终得到结果电气设备的热稳定时间全部可以达到3s以上的合格水平，所以设备满足动热稳定的校验条件。REF_Ref21790\r\h短路电流短路电流周期分量有效值短路冲击电流短路电流周期分量最大值110kV母线16.742.525.235kV母线11.629.517.5

风电场电站中性点接地各种接地方式比较电网中普遍存在有3种比较常见的中性点接地方式，分别是中性点不接地，中性点经消弧线圈接地和中性点经大电阻接地。REF_Ref21845\r\h中性点不接地方式流过接地点的短路电流是：单相对地电容电流，图4-1中性点不接地

表4-1中性点不接地优缺点中性点不接地优点发生单项短路故障时，不会产生短路的回路，所以接地点的电流是接地电容电流，所以单相接地故障很小时，故障点的电弧是可以自熄，熄灭后绝缘就会自动恢复，不需要断开线路，就可以清除故障，提高了供电可靠性。缺点当接地故障发生时，产生的电弧光容易复燃导致过电压然后危及电网内薄弱的设备，造成不必要的设备损坏。中性点经消弧线圈接地消弧线圈是灭弧的，是一种带贴心的电感线圈，用于变压器的中性点与大地之间，构成消弧线圈接地系统。REF_Ref4542\r\h图4-2中性点经消弧线圈接地单相短路时，流过故障点的电流为：单相对地电流消弧线圈电流和相位相差180°由于消弧线圈的补偿而减小，电容电流的补偿程度可分为三种如下表所示：表4-2完全补偿欠补偿过补偿特点完全补偿接地点电流为0，该补偿方式可以最好的消除故障点电弧，避免过电压，但是极容易发生串联谐振，因此一般工程中不使用。欠补偿一般不采用。过补偿一般均采用此方式中性点经大电阻接地在中性点与大地之间串联一个大电阻的方式称为中性点经大电阻接地，通过这种方式来降低短路电流的方式称为中性点经大电阻接地。其故障电流一般为：单相对地电容电流，接地电阻电流图4-3中性点经大电阻接地表4-4中性点经大电阻接地优缺点中性点经大电阻接地优点单相接地时，对设备的绝缘等级要求较低，设备造价低零序阻抗不高，发生接地电流较大的接地事故时，保护装置会迅速切断故障线路，保证电路的正常持续运行电阻在中性点回路中提供了足够大的电阻性电流，改变了相位降低了重燃电弧的概率，可保障断路器有效灭弧。缺点当单项故障时，使跳闸的次数大大增加，影响用户正常供电，降低了他的可靠性。中性点接地方式结论像本设计这样比较大型的风电场或者一些电站内集电线路较长，此类发电厂，较容易发生单项短路故障。综合前文所述，最终本设计选择大电阻的接地方式。

防雷保护风电场场区过电压保护及接地过电压保护直击雷保护：本工程所处地区有较多的雷暴天气，且风力发电机竖直站立，较高，受到雷击的概率比较大，需要加设避雷器等防护设备。感应雷防护：本工程风电机支架几乎全部为钢结构并且有较大的占地面积，较容易受到感应雷的破坏，所以钢支架和接地网至少通过两点可靠焊接，确保雷电波快速的释放。REF_Ref29982\r\h接地装置根据交流电电气装置接地技术规格DL/T621-1997规定，所有要求接地的部分均应该接地，站内设置一个主要的接地装置，主要为水平接地，形成复合的接地网。根据地质报告，该地区的等值土壤电阻率为，考路各方面影响，最终决定水平装置埋于地下两米以下，垂直装置埋于地下2.5到3米之间，接地网总面积1998000，总长110Km。REF_Ref21950\r\h土壤电阻率实测土壤电阻率季节系数，取1.2接地电阻升压站过电压保护及接地过电压保护单只避雷针保护范围本设计运用滚球法画出其保护范围：图5.1单只避雷器保护范围避雷器保护范围的计算单只避雷针保护范围计算如下：当时当时避雷针在水平面上的保护半径（m）避雷针的高度（m）被保护物体的高度（m）避雷针保护的有效高度（m）避雷针高度影响系数，当时，p=1，当h>30m时，本工程=10.5m，，当时，采用方法2P=1所以：两支等高避雷针保护范围的计算本设计通过本文前面提到的单只避雷器的保护范围的计算方式来确定两支避雷器外侧的保护范围。两支避雷器保护的最低点通过以下公式计算：两个避雷针的内测联合保护最小的宽度bx计算如下：时，时，计算结果如下：表5-1防雷保护计算避雷针编号避雷针高度h（m）被保护物高低（m）两针距离D（m）两针