风电场电气工程 朱永强第三章 风电场电气二次系统2

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1、风电场电气工程,华北电力大学,第3章 风电场电气二次系统,章节设置 3.1 二次系统的构成 3.2 继电保护的基本知识 3.3 风电场的继电保护配置 3.4 风电厂的二次部分 3.5升压变电站二次部分 3.6升压变电站综合自动化系统 3.7风电场继电保护与综合自动化系统的示例,3.3 风电场的继电保护配置,3.3.1 电力线路的保护 3.3.2 电力变压器的保护 3.3.3 母线的保护 3.3.4 风电机组的保护 3.3.5 无功补偿设备的保护,3.3.1 电力线路的保护,3.3.1.1 单侧电源线路相间短路的电流保护 1.单侧电源网络相间短路时的电流特征 任意点发生三相或两相短路时，流过短路

2、点与电源之间线路 的短路周期分量可以用下式近似计算：,3.3.1.1 单侧电源线路相间短路的电流保护 2.电流速断保护 只反应电流增大而瞬时动作切除故障的保护，称为电流速断 保护，也称为无时限电流速断保护。 最大保护电流的表达式如下： 即,3.3.1.1 单侧电源线路相间短路的电流保护 3.限时电流速断保护 保护1限时电流速断保护的动作电流，即 限时电流速断保护的动作时限比下一条线路的速断保护 时限高出一个时间阶段t，即,3.3.1.1 单侧电源线路相间短路的电流保护 4.定时限过电流保护 定时限过电流保护（简称过电流保护），其动作电流按躲 过最 大负荷电流来整定，而时限按阶梯性原则来整定。

3、定时限过电流保护不仅能保护本线路的全长，还能保护 下一线路的全长。既能作为本线路主保护拒动的近后备保 护，也作为下一条线路保护和断路器拒动的远后备保护。,3.3.1.1 单侧电源线路相间短路的电流保护 5 阶段式电流保护的配合 速断保护只能保护线路的一部分； 限时电流速断保护能保护线路全长，但却不能作为下一相相 邻的后备保护； 定时限过电流保护作为本条线路和下一段相邻线路的后备保 护。 由电流速断保护，限时电流速断保护及定时限过电流保护相 配合构成一整套保护，叫做三段式电流保护。,3.3.1.2 线路的方向性电流保护简介 对于多电源的复杂网络，简单的电流保护已不能满足要求。 在下图所示的双电源

4、网络中，为保证选择性，k1点短路时要 求t2 t3。为解决上述矛 盾，可以在电流保护中增加一个功率方向继电器，只有当短 路功率从母线流向线路时才动作，而短路功率从线路流向母 线时不动作。,3.3.1.4 线路的距离保护 距离保护反应保护安装处至故障点的电气距离，并根据距离 的远近确定动作时限，又称阻抗保护。 距离保护的保护范围由整定阻抗Zset来确定。当ZmZset即 短路点在保护范围以内时保护动作。因此，距离保护也叫低 阻抗保护。,阻抗继电器是距离保护的核心元件，主要用作测量元件，也可以作起动元件和兼作功率方向元件。,3.3.1.4 线路的纵联差动保护 导引线通道构成的纵联差动保护，以基尔霍

5、夫电流定律为基 础，主要是比较被保护线路始端、末端电流的大小和相位， 其基本接线下图所示。 当故障在线路内部时，如图中k1点，流入继电器KD线圈 差动电流为,3.3.1.4 线路的纵联差动保护 当流入继电器的差动电流大于启动电流时，继电器启动跳开 线路两侧的断路器。 为了保证差动保护动作的选择性，差动继电器动作电流必须 躲过外部短路流过保护的最大不平衡电流。 差动继电器的动作电流还必须躲过单个电流互感器二次回路 断线的情况： Krel为可靠系数，取值为1.51.8；IL.max为线路正常运行 时的最大负荷电流,3.3.2 电力变压器的保护,3.3.2.1 变压器的故障、异常运行方式及保护配置

6、电力变压器的故障包括油箱内部故障和油箱外部故障 油箱内部故障主要包括高压侧或低压侧绕组的相间短路、匝 间短路，中性点直接接地系统的绕组单相接地短路。 油箱外部故障主要是变压器绕组引出线和套管上发生的相间 短路和接地短路（直接接地系统）,3.3.2.1 变压器的故障、异常运行方式及保护配置 变压器的异常工作状态主要有过负荷、外部短路引起的过电 流、外部接地短路引起的中性点过电压、油箱漏油引起的油 面降低或冷却系统故障引起的温度升高等。 变压器的保护配置应有： （1）瓦斯保护。 （2）电流速断保护。 （3）纵联差动保护。 （4）相间短路后备保护。 （5）接地保护。 （6）过负荷保护。,3.3.2.

7、2 变压器的瓦斯保护 变压器内部故障时，局部高温将使变压器油体积膨胀，甚至 出现沸腾，油内空气被排出而形成上升汽泡。若故障点产生 电弧，则变压器油和绝缘材料将分解出大量气体，这些气体 自油箱流向油枕上部。利用这些气体实现的保护，称为瓦斯 保护。 瓦斯保护的主要元件是气体继电器，它安装在变压器油箱与 油枕之间的连接导油管中。,3.3.2.3 变压器电流速断保护 （1）躲开被保护变压器二次侧母线短路时的最大短路电流，即 （2）躲开被保护变压器空载合闸时的最大励磁电流，即 电流速断保护的优点是结构简单、动作快速，缺点是只能保 护变压器的一部分。,3.3.2.4 变压器的纵联差动保护 1.变压器纵联差

8、动保护的基本原理 正常运行或外部故障时，差动继电器中的电流等于两侧电流互感器的二次电流之差，为使这种情况下流过继电器的电流基本为零，应恰当选择两侧电流互感器的变比。,3.3.2.5 变压器微机比率制动特性的纵联差动保护 变压器微机纵联差动保护装置采用微处理器，可以将差动量 与制动量改为数字量计算，利用微机保护强大的计算与存储 功能加以实现。 在变压器微机纵联差动保护装置中，广泛采用比率制动特性 的差动元件。,3.3.2.6 变压器相间短路的后备保护和过负荷保护 （1）过电流保护 保护的动作电流Iset按躲过变压器的最大负荷电流IL.max 定，即 变压器的最大负荷电流应考虑下列两种情况： 1）

9、对并联运行的变压器，应考虑其中一台变压器退出后的负荷电流。 2）对降压变压器，应考虑负荷中电动机自起动时的最大电流。,3.3.2.6 变压器相间短路的后备保护和过负荷保护 （2）低电压起动的过电流保护 电流元件的动作电流Iset按躲过变压器的额定电流ITN整 定，即,3.3.2.6 变压器相间短路的后备保护和过负荷保护 （3）变压器的过负荷保护 变压器的过负荷保护反应变压器对称过负荷情况下的过电流。 保护用一个电流继电器接于一相电流回路中，经较长的延时 后发出信号。 电流元件的动作电流Iset按躲过变压器的额定电流ITN整 定，即,3.3.3 母线的保护,3.3.3.1 完全电流差动保护 在母

10、线的所有连接元件上装设具有相同变比和特性的电流继 电器。正常运行或外部故障时，流进、流出母线的电流之和 为零，即流入差回路的电流为零，保护不动作；母线故障时 ，流入差回路的电流为短路电流的二次值，保护动作，接于 母线上的所有断路器断开。,3.3.3.1 完全电流差动保护 （1）躲开外部短路时的最大不平衡电流Iunb.max （2）躲开最大负荷电流IL.max,3.3.3.2 电流比相式母线保护 电流比相式母线保护的基本原理，是根据母线外部短路或内 部短路时连接在该母线上各元件电流相位的变化来实现的。 正常运行或保护范围外部故障时，流进、流出母线电流的相 位相反，相位差为180，保护不动作。当母

11、线短路故障 时，各有源支路的电流相位几乎相同，保护瞬时动作。,3.3.4 风电机组的保护,3.3.4.1 电压保护 1.瞬态过电压保护 三相电压中任一相电压瞬时过高时，发电机都应退出运行。 根据运行经验，过电压元件的动作电压Uset通常取 Krel为可靠系数，取Krel=1.11.2；UGN为风力发电机的额 定电压。,3.3.4.1 电压保护 2.持续过电压保护 根据运行经验，过电压元件的动作电压Uset通常取 式中，Krel为可靠系数，取Krel=1.071.15。 动作时间一般取为t=1min。相电压在规定的时间低于复位设 置值时，保护必须返回。,3.低电压保护 低电压元件的动作电压Use

12、t按三相电压中任一相电压低于正 常运行情况下母线可能出现的最低工作电压来整定。根据运 行经验，通常取 式中，Krel为可靠系数，取Krel=0.80.85。 动作时间一般取为t=0.150.3s。相电压高于复位设置值 时，保护必须返回。,3.3.4.2 三相不平衡保护 在风力发电机并网及运行时，必须对三相不平衡度进行检测。 如果三相电流不平衡度过大，保护必须可靠动作停止发电 机运行，而且禁止自动复位。 根据对称分量法，三相系统中的电气量可以分解为正序、分 量和零序三个对称分量。三相负载的不平衡度通常表示为 I1为电流正序分量均方根值；I2为电流负序分量均方根值。,3.3.4.3 过电流保护 发

13、电机过电流保护采用单相式定时限电流保护，动作电流 Iset按躲过发电机的最大负荷电流IL.max（一般取发电机的 额定电流）来整定，即 Krel可靠系数，取1.051.15。 返回系数Kre一般为0.850.9。 过电流的动作时间一般取t=0.150.3s，使断路器跳闸，并 且不允许自动复位。,其他保护：过功率保护、 超速保护、频率保护 、齿轮油温 保护、发电机温度保护、逆功率保护、切出风速保护、并网 次数限制保护等,3.3.5 无功补偿设备的保护,当电容器组与断路器之间连线发生短路故障时，应装设反应 外部故障的过电流保护。 三相三继电器接线的过电流保护原理接线图如下图所示。,电流继电器的动作

14、电流按下式计算：,3.4 风电厂的二次部分,3.4.1 风电机组的保护、控制、测量和信号处理 3.4.2 箱式变电站中变压器的保护、控制、测量和 信号处理 3.4.3 风电厂控制室的控制、测量和信号处理 3.4.4 风电厂远动,3.4.1 风电机组的保护、控制、测量和信号处理,风力发电厂的监控系统分为三种形式： 1.风力发电机现场控制单元，该控制单元由微处理器构成, 对机组实现单机控制、保护、测量和信号处理。 2.对各台风力发电机组进行集中监控的中控室监控系统。 3.远方（业主营地或调度机构）对风力发电机组进行监视的远 方监视系统。 这些监控单元或监控系统的主要功能为： 1.根据风速信号自动进

15、行启动、同期并网或从电网切出。 2.根据风向信号自动对风。 3.根据功率因数及输出电功率大小自动进行电容切换补偿。 4.脱网时保证机组安全停机。 5.运行中对电网、风况和机组状态进行监测、分析与记录，异常情况判 断及处理。,3.4.4 风电厂远动,风电厂远动是指应用通信技术，完成风力发电厂遥测、遥信 、遥控、遥调等功能的总称。遥测、遥信、遥控、遥调即为 风电场综合自动化中的“四遥”，加上遥视单元，可以构成 “五遥”。,3.5 升压变电站二次部分,3.5.1 升压变电站的控制、测量、信号 3.5.2 升压变电站的继电保护配置 3.5.3 升压变电站的操作电源系统 3.5.4 升压变电站的图像监控

16、,3.5.1 升压变电站的控制、测量、信号,对于110kV及以上电压等级的升压变电站，其控制、测量和 信号系统选择主要遵循以下原则： 1) 变电站的主要电气设备可现地控制也可采用集中监控系 统。 2) 隔离开关、与相应的断路器和接地开关之间，装设闭锁 装置。 3) 变电所监控系统结构分为站级层和间隔层，网络按双网 考虑，通信介质采用光纤，站级层采用总线型结构。,3.5.2 升压变电站的继电保护配置,（1）主变压器保护配置 （2）110kV或220kV线路保护 （3）站用变压器保护 （4）10或35kV线路保护 （5）10或35kV电容器保护 （6）其他配置,3.5.3升压变电站的操作电源系统,升压变电站操作电源系统包括直流和交流两种形式。 交流电源供电的集中监控设备可由交流不停电电源供电；升 压变电站直流系统电压一般采用DC 220V，并配以蓄电池 及其充放电装置。,3.5.4 升压变电站的图像监控,升压变电站图像监控系统主要监视的场所包括：主变压器、 电容器室、GIS 室、