风电场电气工程 朱永强第二章 风电场电气主系统1

《风电场电气工程 朱永强第二章 风电场电气主系统1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《风电场电气工程 朱永强第二章 风电场电气主系统1（91页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、风电场电气工程,华北电力大学,第2章 风电场电气主系统,章节设置： 2.1 主要电气一次设备 2.2 风电场电气主接线 2.3 常用的电气计算*（选修） 2.4 风电场电气设备的选择,第2章 风电场电气主系统,教学目标： 掌握风电场（包括升压变电站）中各主要电气一次设备的功能、结构、种类和工作原理等，对各主要一次设备的外观和主要部件有明确的感性认识；掌握电气主接线的基本概念和设计原则，分析并理解各种电气主接线形式的特点；对常用的电气计算有一定的了解（选修）；掌握风电场电气一次设备选择的原则和基本方法。,第2章 风电场电气主系统,知识点分布： 主要电气一次设备的结构和工作原理 主要电气一次设备的

2、外观和型式参数 电气主接线的概念及相关术语 电气主接线的设计原则和主要形式 风电场的常用电气主接线设计 短路电流计算，导体发热和电动力计算 电气设备选择的技术条件和校验方法 变压器、开关电器、互感器等主要设备的选择, 2.1 主要电气一次设备,2.1.1 风力发电机组 2.1.2 变压器 2.1.3 断路器 2.1.4 隔离开关及其它开关电器 2.1.5 载流导体 2.1.6 无功补偿设备 2.1.7 互感器,2.1 主要电气一次设备,2.1.1 风力发电机组 目前风电场中应用的风力发电机，大都是三相交流发电机 各类发电机的主体部分都由静止的定子和可以旋转的转子两大部分构成,2.1.1 风力发

3、电机组 定子和转子一般都由铁心和绕组构成。 绕组多是用铜线缠绕的金属线圈; 铁心以约束磁场的分布。,2.1.1 风力发电机组,电机结构的差别可能主要体现在转子的形状或转子绕组的形状。 同步机的转子有凸极式和隐极式等类别,凸极式转子铁心，隐极式转子铁心的截面为圆形。,2.1.1 风力发电机组,异步机的转子绕组有鼠笼式和绕线式等 鼠笼式转子的绕组由嵌放在转子铁心槽内的金属导条和两端的短路环组成 绕线式转子的绕组连接到三个固定在转轴上的铜环，通过电刷引出。,2.1.1 风力发电机组 工作原理:电磁感应现象 电 磁 当导体中通入电流时，在带电导体的周围会产生磁场。 如果导体中流过的电流是直流电，则产生

4、恒定的磁场。如果导体中流过的电流是交流电，则产生交变的磁场。 磁 电 当处于磁场中的导体做不平行于磁场方向的运动时，导体切割磁力线，就会在该导体中感应出电势 如果该导体与外电路构成了闭合回路，则还会在感应电势的作用下形成感应电流。,2.1.2 变压器,2.1.2.1变压器工作结构和工作原理 变压器的基本原理是利用电磁感应现象实现一个电压等级的交流电能到另一电压等级交流电能的变换 变压器的核心部件是铁心和绕组，铁心用于提供磁路，缠绕于铁心上的绕组构成电路 与电源相连的一侧为一次绕组，与负荷相连的一侧为二次绕组,2.1.2.1变压器工作结构和工作原理 变压器的电压变换 一次绕组和二次绕组一般没有电

5、气上的连接，而是通过铁心中的磁场建立联系。 对于理想变压器，感应电压、电流和绕组匝数之间有如下关系：,变压器的等效电路 变压器的等值电路模型包括：一次绕组的电路、由磁路等值为电路的励磁电路及二次绕组的电路,2.1.2.1变压器工作结构和工作原理,变压器的等效电路 工程中可以采用空载试验来测定励磁阻抗 变压器绕组的漏阻抗可以通过短路试验测得。 为了简化计算，往往忽略掉励磁阻抗的影响如下图简化等效电路。,2.1.2.1变压器工作结构和工作原理,变压器的结构 大多数电力变压器均为油浸式变压器，即以油作为绝缘和冷却介质，一般为矿物油。,油浸式变压器由其核心部件（即实现电磁转换的铁心和绕组）、用于调整电

6、压变比的分接头和分接开关以及油箱和辅助设备构成。,2.1.2.1变压器工作结构和工作原理,铁心： 变压器铁心的作用是为经过一次绕组和二次绕组的磁通提供低磁阻的磁路 当磁通的大小和方向发生变化时，铁心材料的分子重新排布需要消耗一定的能量，这部分损耗与铁心的磁滞现象有关，称为磁滞损耗 磁通变化时，铁心自身也像绕组一样，会感应出一定的电压和电流，由于这种电流只在铁心的各个小局部循环，因此被称为涡流。涡流会在铁心材料（具有电阻）上形成有功损耗，称为涡流损耗 铁心中的磁滞损耗和涡流损耗统称为铁心损耗，简称铁损,2.1.2.1变压器工作结构和工作原理,铁心： 单相变压器 单相变压器的铁心形状 对单相变压器

7、而言， 其铁心必须包括供磁通返回的心柱。,2.1.2.1变压器工作结构和工作原理,铁心： 对于三相电力变压器而言，目前最常用的是三相三柱式铁心，有时称为三相芯式铁心 因为在任何时候，由平衡三相电压系统所产生的三相磁通的相量之和都等于零，所以在三相铁心中不需要供磁通返回的旁柱，而且铁心柱和铁轭的截面可以相等。,2.1.2.1变压器工作结构和工作原理,铁心：,图为三相五柱式铁心结构，这是降低大型变压器（例如大型联络变压器）或自耦变压器运输高度的另一种铁心结构形式。,通过在套装绕组的心柱外面增加用于构成磁通回路的旁柱的方法，五柱铁心结构降低了铁轭高度。,另一种使用三相五柱式铁心结构的可能情况是要求变

8、压器 的零相序阻抗值与正相序阻抗值相当。,2.1.2.1变压器工作结构和工作原理,绕组： 变压器绕组绝大多数用铜制成，也有部分采用铝作为导体材料。 对于所有容量大于几千伏安的变压器，其绕组导线截面都为矩形。 在绕组每匝导线内部的单股导线之间必须相互绝缘，每匝导线也要与邻近的线匝绝缘。这种绝缘就是在导线上沿螺旋方向连续包扎的绝缘纸带，并且至少要包两层绝缘纸，以便外面一层绝缘纸能够覆盖里面一层绝缘纸的接缝间隙。,绕组： 常用的三相心式铁心的变压器，其高低压绕组同心缠绕于铁心柱上 考虑到和铁心的绝缘，以及分接绕组一般都接于高压绕组，一般将低压绕组靠近铁心布置,2.1.2.1变压器工作结构和工作原理,

9、2.1.2.2 变压器的型式 变压器的型式包含相数、绕组数、调压方式、绝缘介质、 冷却方式等 。 相数 可以分为：单相变压器和三相变压器等。三相系统中的变压器，可以用一台三相变压器，也可以用三台单相变压器。 三台单相变压器组：与采用一台三相变压器相比，投资大、占地多、运行损耗大、配电装置结构复杂、维护的工作量也大。,2.1.2.2 变压器的型式,绕组数 变压器可以分为：双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器和自耦变压器 调压方式 分接头的切换方式有：无激磁调压和有载调压。 无激磁调压需要在变压器停电以后，通过螺栓来实现绕组连接位置的变换。 有载调压方式则可以在变压器带电运行时通过有载分接开关

10、实现对电压的调整。,绝缘介质。变压器常用的绝缘介质主要是变压器油（即油浸变压器）和空气（即干式变压器）等。 冷却方式： 自然风冷 ，强迫空气冷却 ，强迫油循环水冷却 ，强迫油 循环导向冷却，水内冷变压器 ，采用充气式变压器（用SF 气体取代变压器油），或在油浸变上装蒸发冷却装置。,2.1.2.2 变压器的型式,变压器型号表征 变压器型式多样。在设计和生产中往往需要使用型号来表示变压器的特征。 变压器型号的表征一般按下列规则：,变压器型号表征 其中关于型号描述的符号，参见下表：,设计序号是设计和生产厂家自定义的，不直接反映变压器本身的型式特征。,联结组标号 联结组标号是三相变压器的外部联结方式。

11、电力系统采用的三相绕组联结方式只有“Y”和“”两种。 三相变压器的联接组标号必须保证变压器和系统电压相位一致，否则不能并列运行。,2.1.3 断路器,开关电器:在电力系统运行中，靠开关器件的分合来实现电 路的选择性接通和断开，从而改变运行方式和电气设备的相 互联系。,电力系统中的高压开关电器要复杂的多常。用的开关电器有断路器、隔离开关、熔断器和接触器，它们的功能各不相同。,电弧现象产生的影响： 断路器分闸时，即使触头已经断开。 电弧能量集中，会产生很高的温度和很强的亮度。 所以要消除电弧，那怎么灭弧呢？ 那首先的了解电弧产生和维持的条件。,2.1.3.1 电弧现象及灭弧方法,2.1.3.1 电

12、弧现象及灭弧方法 开关电器的分合部件称为触头。 动触头与静触头接触时，将电路接通，开关电器相当于保证电流通过的良导体，这种过程或状态称为合闸。 动触头与静触头分离，将电路断开，开关电器相当于阻隔电流的绝缘体，这种过程或状态称为分闸在动、静触头的相对运动的过程中，会产生电弧。,电弧产生和维持的条件：只要电压大于1020V，电流大于 80100mA（不同的场合数值有所差别），电弧就可以持续 燃烧。 高压断路器需要装设灭弧室，将触头放置于专门的灭弧 介质中以加速电弧的熄灭。常用的灭弧介质有绝缘油、空气 真空和SF6。,2.1.3.1 电弧现象及灭弧方法,除此之外，还可以： 铜-钨合金、银-钨合金等耐

13、高温材料，减少触头上所产生的金属蒸气和自由电子； 操作机构加快触头分离的速度，使弧隙的电场强度骤然降低； 采用气体或油吹动电弧，以拉长电弧、增强电弧表面积并强化冷却效果； 在断路器中采用多断口，将电弧切成多段，也可以加速电弧的熄灭。,2.1.3.1 电弧现象及灭弧方法,断路器是电力系统不可缺少的主要控制、保护设备，是电力系统中最重要的开关电器，其作用为切断电路。为了可以熄灭电路分合时所产生的电弧，断路器都装设有灭弧装置 常用的断路器类型有：油断路器、压缩空气断路、器真空断路器和SF6断路器等,2.1.3.2 断路器的类型,油断路器 油断路器的触头浸在油中，触头分合时电弧能量中除一小部分通过传导

14、、辐射等方式向四周散出外，大部分能量使四周的油蒸发和分解，在电弧周围形成气泡。 利用电弧自身能量熄灭电弧的方法称为自能式灭弧。 利用其它能量熄灭电弧的方法称为外能式灭弧。 按照绝缘结构的不同，油断路器可分为多油断路器和少油断路器两种。,2.1.3.2 断路器的类型,2.1.3.2 断路器的类型 多油断路器 多油断路器的触头系统放置在装有变压器油的由钢板焊成的油中，油箱是接地的。 多油断路器的导电部分多做成“U”形，每相至少有两个断口。,电压等级的多油断路器，每相各有一个油箱，称为分箱式结构 有些电压等级较低的多油断路器，三相共用一个油箱，称为共箱式结构。,2.1.3.2 断路器的类型 多油断路

15、器内部带有电流互感器，配套性强；在户外使用时，不易受大气条件的影响。,多油断路器的缺点是油量多，钢材消耗也多。 油量太多不仅给检修断路器带来困难，而且增加了爆炸和火灾的危险性。,2.1.3.2 断路器的类型 少油断路器 少油断路器中，变压器油用来熄灭电弧和作为触头间的绝缘介质，但不作为对地绝缘。 按使用地点的不同，少油断路器可分为户内式与户外式两种。,2.1.3.2 断路器的类型 压缩空气断路器 压缩空气断路器是利用高压力的压缩空气来吹灭电弧。 该断路器中的压缩空气起三个作用： 一是强烈吹弧； 二是绝缘； 三是供给分合闸操作的动力。,2.1.3.2 断路器的类型 真空断路器 利用真空作为触头间

16、的绝缘与灭弧介质的断路器称为真空断路器，真空断路器中的电弧和气体电弧有明显的不同。,2.1.3.2 断路器的类型 真空包括的范围很广，为方便起见常将它划分为几个区域。 我国划分的区域为如下表所示。,真空灭弧室的真空度为1.3310-2Pa1.3310-5Pa，属于高真空范畴。,2.1.3.2 断路器的类型 （2）真空间隙击穿与真空电弧 真空间隙的击穿不是由于间隙中气体分子的碰撞游离所引起，而主要由电极现象决定。 真空电弧实为金属蒸汽电弧。 真空电弧的电弧电压也由阴极压降、弧柱（等离子区）压降和阳极压降三部分组成。,2.1.3.2 断路器的类型 （3）真空断路器的基本结构 真空断路器的结构与其它断路器大致相同，主要由操动机构、支撑用的绝缘子和真空灭弧室组成。,真空灭弧室的外壳由玻璃或陶瓷制成，动触头运动时的密封靠波纹管。,2.1.3.2 断路器的类型 （4）真空断路器的特点 真空断路器的特点： 真空断路器的机械寿命和电气寿命都很高； 真空灭弧室密封问题特别重要，否则就会导致开断失败，造成事故； 真空灭弧室工