风电场电气系统 教学课件 ppt 作者 朱永强 张旭主编 风电场第4章

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1、风电场电气系统,第4章 风电场一次设备的选择,制作：朱永强，张旭，申惠琪,华北电力大学,第4章 风电场一次设备的选择,关注的问题 电气设备选择的技术条件和校验方法是什么？ 变压器的容量、台数和型式应怎样进行选择？ 开关设备的型式和参数怎样选择？CT和PT怎样选择？ 载流导体选择和校验应如何计算？,教学目标 了解风电场一次电气设备选择的一般条件和技术条件， 了解热稳定校验、动稳定校验和环境校验方法， 理解和掌握电气设备的型式、参数与其在风电场中运行环境的关系 能对风电一次设备的选择进行初步分析和简单计算。,4.1 导体的发热和电动力,4.1.1 导体长期发热和载流量 当电流流过导体时，由于有电阻

2、存在将造成能量损耗，同时由于涡流和磁滞损耗，在导体附近的磁场中也将有一部分能量损耗，这些能量的损耗将转换为热能，使导体的温度升高。 为保证导体可靠工作，往往要对导体正常工作时的最高允许温度做出限制： 对于一般裸导体，最高允许温度一般为70； 对于计及日照的钢芯铝绞线和管形导体，最高允许温度一般为80； 对于接触面有镀锡的可靠覆盖层，最高允许温度一般为85。,4.1.1 导体长期发热和载流量 由于导体正常运行时，电流运行于额定电流，发热量不是很大，可以持续运行而不超过导体的最高允许温度，因此称导体正常运行时的发热过程为长期发热。 考虑到导体本身的发热和散热过程，电流和温度的关系如下： 式中 I为

3、导体载流量； w为导体的散热系数; F为散热面积; w为带电运行的导体的温度； 0为环境温度； R为单位长度的导体电阻,4.1.2 导体短时发热 短路发生后，导体中流过的电流急剧增加，热量积累也非常迅速（按照电流的平方产生），但是短路不允许持续很长时间，继电保护会尽可能快地将其切除，因此这一过程被称为短时发热。 一般采用短路电流热效应来计算短路后的导体发热热积累。短路电流热效应计算公式如下： 其中，Ikt 为短路电流； tk为短路时间,4.1.2 导体短时发热 由于短路电流的变化规律十分复杂，很难用简单的解析表达式来计算，因此工程中常用一种简化的实用计算法来计算 ： 其中Qp为短路电流周期分量

4、所产生的热效应，Qnp为短路电流非周期分量所产生的热效应。 当短路电流切除时间超过1秒时，发热主要由周期分量决定，可忽略非周期分量的影响,4.1.3 导体短路时的电动力 短路的时候电流急剧增大，导体所受的电动力也急剧增大，很可能造成导体的变形扭曲，导致电气设备的损坏 一般情况下，系统中发生三相故障时的短路电流最大，而且短路电流的最大数值出现在短路后最初的半个周期（常按t=0.01s分析），此时的短路电流的最大峰值被称为最大冲击电流 ish 三相导体中B相（中间相）的电动力最大，大小为：,4.2电气设备选择的一般条件,电气主接线是由导体和电气设备连接而构成的电路。 选择适合本地使用的导体和电气设

5、备，不仅需要考虑电气设备的电气参数，还需综合考虑电气设备所处的环境因素，此外也要注意电气设备运行可能给环境带来的影响。,4.2.1 电气设备选择的一般条件 选择适用的电气设备，首先要确定其额定参数，同时，还要考虑设备安装地点的环境因素，此外，必须考虑电力系统中短路所造成的巨大短路电流对系统的损害 在选择电气设备时，必须考虑下列各项原则： 应满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展。 应按当地环境条件校核。 应力求技术先进和经济合理。 与整个工程的建设标准谐调一致。 同类设备尽量减少品种。 选用的新产品均应具有可靠的试验数据，并经正式鉴定合格。,4.2.2 电气设备选择的技术

6、条件 4.2.2.1 按照正常工作状态选择 对电气设备来说，首先要考虑其是否可以承受流过的电流和加于其上的电压： （1）额定电压 即电气设备的额定电压UN要大于设备安装处的电网额定电压Uns （2）额定电流 即运行中的电气设备额定电流IN不得低于所在回路在各种可能运行方式下的最大持续工作电流 Imax。,4.2.2.2 按照短路状态校验 按照正常条件选出的电气设备必须要校验一下其热稳定和动稳定能力 （1）设备允许通过的热稳定电流It和时间t，并以此校验其热稳定性是否满足要求： 其中Qk是实际计算得到的短路电流热效应 （2）设备允许通过的动稳定电流幅值ish及其有效值Ish，以此校验电气设备是否

7、可以满足动稳定的要求： 其中ish和Ish为实际计算得到的冲击电流幅值（kA）,4.2.2.2 按照短路状态校验 Qk和ish需要由短路电流计算求得 在计算Qk时需要选取合适的短路时间，一般考虑短路时间tr为保护动作时间tpr和断路器全开断时间tbr之和，即： tpr 一般采用后备保护动作时间 tbr为断路器的固有分闸时间和断路器触头开始拉开直至触头间电弧完全熄灭的时间之和。,4.2.2.2 按照短路状态校验 对于以下几种情况，也可以不去校验动稳定和热稳定性： 1)用熔断器保护的电气设备，其热稳定由熔断时间保证，故可不验算热稳定。 2)采用有限流电阻的熔断器保护的设备。其回路电流被电阻限制。

8、3)装设在电压互感器回路中的裸导体和电气设备。,4.2.3 电气选择的环境因素 应根据具体工作场所的实际情况有针对性地选择电气设备的结构和型式 1）温度 如果周围的环境温度不是40，则设备的允许电流须按一定的规则进行修正 2）日照 当设备提供的额定载流量未考虑日照时，在电气设计中可以按电气设备额定电流值的80满足电流要求来选择设备 3）风速 当最大风速超过35m/s时，应在设计和布置时采取有效防护措施,4.2.3 电气选择的环境因素 4）冰雪 在积雪和附冰严重的地区，应采取措施防止冰串引起瓷件绝缘发生对地闪络 5）湿度 一般高压电气设备可在环境温度为+20、相对湿度为90的环境中使用 6）污秽

9、 7）海拔 对安装在海拔高度超过1km地区的电气设备外绝缘一般应加强 8）地震 选择设备时要考虑本地地震烈度，选用可以满足地震要求的产品,4.2.4 环境保护 选择电气设备时，还应该考虑电气设备对周围环境的影响，主要考虑电磁干扰和噪声。 电磁干扰 电气设备及金具在最高工作相电压下，晴天的夜晚不应出现可见电晕；110kV及以上的电气设备，户外晴天无线电干扰电压不应大于2500V 噪声 在距电气设备2m处，连续性噪声不应大于85dB；非连续性噪声，屋内设备不应大于90dB，屋外设备不应大于110dB,4.3 变压器的选择,4.3.1 变压器的容量和台数 风电场中的变压器包括主变压器、集电变压器和场

10、用变压器 风电场各种变压器容量的确定方法如下： （1）集电变压器 集电变压器的选择，可以按照常规电厂中单元接线的机端变压器的选择方法进行。即：按发电机额定容量扣除本机组的自用负荷后，留10%的裕度确定,4.3.1 变压器的容量和台数 （2）升压站的主变压器 对于升压站中的主变压器，则参照常规发电厂有发电机电压母线的主变压器进行选择： 主变容量的选择应满足风电场对于能量输送的要求，即主变压器应能够将低压母线上的最大剩余功率全部输送入电力系统。 有两台或多台主变并列运行时，当其中容量最大的一台因故退出运行时，其余主变在允许的正常过负荷范围内，应能输送母线最大剩余功率。,4.3.1 变压器的容量和台

11、数 （3）场用变压器 风电场场用变压器的选择，容量按估算的风电场内部负荷并留一定的裕度确定。 变压器的台数与电压等级、接线形式、传输容量、与系统的联系紧密程度等因素有密切关系： 与系统有强联系的大型、特大型风电场，在一种电压等级下，升压站中的主变应不少于2台。 与系统联系较弱的中、小型风电场和低压侧电压为6-10kV的变电所，可只装1台变压器。,4.3.2 变压器的型式 （1）相数 用一台三相变压器还是用三台单相变压器组，就要根据具体情况确定，一般要考虑以下原则： 当不受运输条件限制时，330kV及以下的电力系统，一般都应选三相变压器。 当风电场连接到500kV的电网时，宜经过技术经济的比较后

12、，确定选用三相变压器、两台半容量的三相变压器或单相变压器。 对于与系统联系紧密的500kV变电站，除考虑运输条件外，还应根据系统和负荷情况，分析变压器故障对系统的影响，以确定选用单相或三相变压器。,4.3.2 变压器的型式 （2）绕组数 绕组数一般对应于变压器所连接的电压等级，即电压变化的数目。分裂变压器的电压等级和绕组数不对应，它的电磁结构是高压或低压侧有两个绕组，而这两个绕组的电压等级相同。 当风电场中的变压器连接三个电压等级（其中两个为升高的电压等级）时，可以选择采用2台双绕组变压器或者1台三绕组变压器。 对于容量为125MW及以下的风电场，可采用三绕组变压器，三绕组变压器的台数一般不超

13、过2台 对于200MW及以上的风电场，采用双绕组变压器加联络变压器连接多个电压等级。联络变一般采用自耦变压器,4.3.2 变压器的型式 （3）接线组别 变压器三相绕组的接线组别必须和系统电压相位一致 电力系统采用的变压器三相绕组连接方式只有“Y”和“”两种,在我国，110kV及以上电压等级中，变压器三相绕组都采用“Yn”连接；35kV采用“Y”连接，而中性点多通过消弧线圈接地。35kV以下，采用“”连接。,在发电厂和变电站中，考虑系统或机组的同步并列要求以及限制三次谐波等因素，主变压器一般都选用Yn/11常规接线。,4.3.2 变压器的型式 （4）调压方式 根据分接头的切换方式，变压器的调压方

14、式有两种： 无激磁调压：不带电切换，调压范围在22.5%以内； 有载调压：带负荷切换，调压范围在30%，但结构较复杂。 一般来说，有载调压只在下列情况选用： 接于风电场这种出力变化大的发电厂的主变，特别是潮流方向不固定，且要求变压器副边电压维持在一定水平。 接于时而为送端，时而为受端，具有可逆工作特点的联络变压器。为保证供电质量，要求母线电压恒定。 发电机经常在低功率因数下运行。,4.3.2 变压器的型式 （5）冷却方式： 自然风冷：7500kVA以下的小容量变压器靠自然的风吹进行冷却 强迫空气冷却：容量大于10000kVA的变压器常采用人工风冷 强迫油循环水冷却：水源充足的地方采用此方式极为

15、有利 强迫油循环导向冷却：近年来大型变压器都采用这种方式 水内冷变压器 充气式变压器,4.3.2 变压器的型式 例4-1：某风电场安装1500kW风电机组33台，风机及附属设备耗电不大于3%，请选择风电机组中升压变压器的容量？ 解： 注：0.85为功率因数,4.3.2 变压器的型式 例4-2：例1中的风电场，每11台机组升压为35kV集成一路接入风电场升压站，升压站接有一路110kV架空线路，请从下表中选择升压站主变压器？,4.3.2 变压器的型式 解：风电场的总装机容量为 主变台数的选择：考虑变压器检修，风电场中应装设两台主变压器。 主变容量的选择：由于风电的不连续特性，风电场的利用小时数低

16、以及主变具备一定的过负荷运行特性，因此要求当一台主变停运的时候，另一台主变可以依据其自身过负荷能力将风电场生产的全部电能送入，计算如下： 电机组发电时，潮流从风电场送到电网；风电机组不发电时，潮流从系统倒送站用电，电压波动较大，选用有载调压变压器。 由上所述，选上表中3为升压站主变压器。,4.3 开关电气设备的选择,4.3.1 断路器的选择 4.3.1.1断路器的型式 根据灭弧介质，断路器可以分为：油断路器（多油、少油）、压缩空气断路器、SF6断路器、真空断路器等。 应根据各种类型断路器的结构和性能特点以及使用环境和条件等，来合理选择断路器的型式。,4.3.1.2 断路器的电气参数 选择高压断路器时，不仅要考虑其额定电压和额定电流的大小，还要考虑其对故障电流的开合能力，即考虑其额定开断电流和短路关合电流。 （1）额定电流和电压 即断路器的额定电压UN要大于其安装位置的电网额定电压Uns。 即断路器的额定电流IN不得低于所