第二讲 风电场的电气系统

第二讲风电场的电气系统概述2.1集电系统2.2风电场的接地的系统2.3风电场的防雷保护2.4电气保护2.4.1风电场和发电机保护2.4.2异步发电机的孤立运行和自励磁2.4.3分界面保护概述中型或大型风力发电机(几百千瓦到几兆瓦)主要是采用并网运行方式，好处：与公共电网互补、充分发挥风电的效益、电能质量更好、电气系统要求可靠、灵活、经济地把电能送入系统风电场内的电气系统和常规电厂内的电气系统比较简单，辅助设施少风电场内的电气接线特殊点容量、设备、分布性、厂用负荷及地区负荷、电缆与架空线在风场内，风机与变电所之间的连接有两种方式：场地布置相对集中时用电缆直埋；场地布置相对分散时用架空10kV线路。考虑：经济性、景观架空线（绝缘架空线）电缆（直流电缆、交流电缆）海上风电场电气接线一例电缆特性：电阻与面积、距离；充电电流与面积、距离海上风电用电缆传输的比较：HVDC、VSC、交流风电场电压等级从发电机到塔基的主电路的电压等级一般低于1000V，国际上选的一种标准电压是线电压690V。——好处：方便和有成本-效益，发电机成本低；低电压的开关设备和下垂的柔软电缆可以广泛选择；——低电压导致大的电流。例如600kW的风力机组工作在690V需要超过500A的电流。——联网送电需要升压变压器（位于塔中或邻近塔）风电场集电系统的中压（MV）电平的选择通常由当地配电公司的经验确定。这样电缆和开关设备都比较容易获得。一般选择在10kV至35kV之间，可以是10kV,20kV和35kV等。2.1集电系统固定转速风力发电机电气系统简图风电机主要电气设备发电机，定子输出经三条柔软下垂电缆到塔下断路器铠装断路器（mouldedcasecircuitbreaker-MCCB），MCCB装备有防备故障的瞬时过流保护，有延滞（热）功能的过电流保护双向晶闸管软起动单元，通常具有一个旁路电流接触器，被用来减小在发电机接通时的浪涌电流功率因数校正电容器(PFC)电路，分级投切，+小的电感器限制容性合闸电流（浪涌电流）辅助交流电源，直流电源（风轮机控制器、保护等用）保护保险丝额定电流较小。浪涌分流器（避雷器），避免内部电气系统遭受站内电气网络传递过来的过电压风电机与变压器的连接•风电机大小•电流引起的损耗大小•额外的电压变化•风电机位置靠得远近多台风机的连接风电场内部接线形式之一Z2Z2大电源系统Z1LT112342MW2MW2MW600kW600kW431#2#3#4#5#110kV10kV大型风电场风机布局（海上、海岸）风电场风机布局图(5MW风机)风海上风电场一例12.1风电场的接地的系统2.2.1接地的基本概念2.2.2配电网接地方式选择2.2.3风电场的接地的系统2.2.1接地的基本概念(1)地的概念电力系统中的“地”不是普遍意义上的“地理地”，而是电力概念中的“电气地”。以下几类在广义下都可被称作地：1）导电性的土壤，具有等电位，且任意点的电位可以看成零电位2）导电体，如土壤或钢船的外壳，作为电路的返回通道，或作为零电位的参考点3）电路中相对于地具有零电位的位置或部分4）电路与地或其他起导电作用的导电体的有意的或偶然的连接(2)接地的概念接地是指将有关系统、电路或设备与地连接。通过接地可以使连接到地的导体具有等于或者近似于大地的电位并引导入地电流流入和流出大地。(3)接地的分类保护性接地和功能性接地保护性接地为了系统与设备运行安全而采取的接地措施，有以下几类：1)防电击接地：为了防止电气设备绝缘损坏或产生漏电流时，使平时不带电的外露导电部分带电而导致电击而将设备的外露导电部分接地。这种接地还可以限制线路涌流或低压线路及设备由于高压窜入引起的高电压；当产生电气故障时，有利于电流保护装置动作而切断电源。2)防雷接地：将雷电导入大地，防止雷电流使人身受到电击或设备受到破坏3)防静电接地：将静电荷引入大地，防止由于静电积聚对人体和设备造成危害。4)防电蚀接地：地下埋设金属体作为牺牲阳极或阴极，防止电缆、金属管道等受到电蚀。功能性接地为了设备正常运行或者提供电流回路而采取的接地措施，有以下几类：1)工作接地：为了保证电力系统运行，防止系统震荡。保证继电保护的可靠性，在交直流电力系统的适当地方进行接地，交流一般为中性点，直流一般为中点。2)逻辑接地：为了确保稳定的参考电位，将电子设备中的适当金属件作为“逻辑地”。常将逻辑接地及其他模拟信号接地统称为直流地3)屏蔽接地：将电气干扰源引入大地，抑制外来电磁干扰，减少电子设备产生的干扰影响其它电子设备4)信号接地：为保证信号具有稳定的基准电位而设置的接地(4)接地的作用1)防止人和动物遭受电击电击所产生的电击电流会对人体造成伤害甚至导致死亡，所以必须采取防护措施。接地中避免危害人和设备的大的电位差。电气设备在正常情况下不带电的金属部分与接地机制件作良好的金属连接，可以保护人体的安全。2)保障电气系统的正常运行采用中性点接地的方式，中性点与地间的电位接近于零。如果中性点不接地，那么当相线与外壳或者地接触时，其他两相对地电压会升高为相电压的倍，绝缘水平要求更高。采用中性点接地可以降低设备的制造成本和建设费用，提高继电保护的可靠性。3)防止雷击和静电的危害采取适当的接地方式,，使对人和动物的雷击危害最小化；4）为接地故障电流的建立低阻抗通路，从而满足保护动作要求。5）改善雷电保护，使电压保持在可接受的范围内32.2.2配电网接地方式选择配电网中性点接地方式的选择涉及到配电网的绝缘水平、安全性、经济性、供电的可靠性。配电网接地方式(1)中性点直接接地方式——单相接地时，通过接地中性点形成单相短路，很大的零序电流，根据零序分量的特点可构成保护，保护动作后跳闸。——不对称短路引起的工频电压升高较小，操作过电压较低，对系统绝缘水平的要求相对较低。(2)中性点不接地方式——当系统对称运行时，电源中性点与负载中性点电压为零。——单相接地故障时，故障点相对于地的电压为零，非故障相的相电压升高到倍，等于线电压，此时线电压仍保持对称不变，对用户供电无影响。——当各相对地电容不相等时，即使在正常运行状态，系统的中性点的对地电位将发生偏移。中性点不接地系统要求的绝缘水平较高，各种操作过电压较高。中性点不接地系统当电网发生单相接地时，可能造成电磁式电压互感器激磁电流激增而损坏，甚至可能产生谐振过电压。这种接地方式存在电弧接地过电压的危险。3配电网接地方式(3)中性点经消弧线圈接地——消弧线圈是一个具有铁心的可调电感线圈，安装在变压器的中性点。——单相接地时，消弧线圈产生电感电流，补偿接地点的电容电流，使较大的接地电流容易熄灭。——自动跟踪补偿式的消弧线圈装置，由接地变压器、可调式消弧线圈和消弧线圈自动跟踪调节控制器、阻尼电阻和氧化锌避雷器组成。当系统发生单相接地时，接地点电容电流的变化会传到消弧线圈自动跟踪调节控制器上，调节控制器可测量出电网的脱谐度，并控制调节消弧线圈的直流励磁，从而改变消弧线圈的电感量进而改变消弧线圈中的电流。(4)电阻接地方式中性点经电阻接地的系统，相当于在零序阻抗上并联一个电阻R，该电阻与系统对地电容构成并联回路，可起到抑制谐振过电压的作用。当发生接地故障时，中性点出现电压，能迅速切除故障，可降低设备绝缘水平。继电保护可方便地监测接地的故障线路。2.2.3风电场的接地的系统风电场接地系统特点:①风电场延伸至几公里范围②现代风力机的高度使它们易遭受雷击③它们有的位于山顶的高阻性地基上风电场接地系统方案Rturbine风力机接地电阻；Rshunt风力机就地接地网（环）；Rseries风力机之间接地线串联电阻；Lseries串联电感；对于雷击在风力机上的高频分量，串联电感（阻抗大）的作用有效地把接地网络简化为仅仅当地风力接地系统接地系统设备接地体：水平接地体，环形导体，围绕着地基，深度1m（有时称为平衡接地）；垂直接地体是杆，埋入地下。接地网：连接一个接一个风轮机的水平电极接地电阻（阻抗）：风电场一般要求小于10Ω两个风电场接地阻抗实测结果•即使在50Hz下，接地阻抗的电阻和电抗几乎是相等的（X=R），对系统的设计和检验有重要意义。•水平接地导体长，不可能用常规的计算方法（用于小的，纯电阻的接地网络），有必要考虑长接地导体的阻抗作用。•土壤条件不同，接地阻抗值不同2.3风电场的防雷保护雷击是非常复杂的自然现象，包含一系列的气体放电电流。术语“闪电”用来描述放电序列，它利用相同的电离通道，可以持续达1s。闪光的各个部分叫雷“击”。雷闪通常分成4种主要类型：•起初向下，负的和正的极性；•起初向上，负的和正的极性。通常由带电雷云引起，负电荷雷云传递负电荷到地(起初向下—负极性)是最普遍的。向下的负闪电典型的是由高幅值的电流脉冲组成的，持续时间几个ms，持续流过的电流几百A。然后，随着雷云和地之间初始传递电流的熄灭，可能有多次再击雷。雷闪形成雷闪是自然界中的大气火花放电现象。当带电的雷云之间或雷云与大地之间出现很高的电位差时，就会发生放电，电荷迅速中和。放电会产生强烈的光和热，通道温度高达1500020000度，使空气急剧膨胀、震动，发出隆隆声响，形成雷闪雷云带电和放电过程可解释如下:潮湿的热气流不断上升，进入稀薄的大气层时冷凝成云。当强烈的上升气流穿过云层时，水滴因碰撞而电离。微细的水末带负电，上升形成带负电的雷云；大滴水珠带正电，凝聚成雨下降，或悬浮在云中形成带正电的局部雷云区。大多数雷云带负电，并在地面感应出大量正电荷。在带有大量异号电荷或不等数量电荷的雷云间或雷云与大地间，会出现高达数十至数百兆伏的电位差。随着雷云的发展，一旦空间电场强度超过大气电离的临界电场强度(空气中约30千伏每厘米，有水滴时约10千伏每厘米)时，强烈的大气放电就发生了。雷电特性对雷云生成和气体放电来说，有各种各样的影响因素，所以雷闪放电是一种随机现象，表征其特性的参数具有随机性。雷暴日数平均每年有雷闪的天数来表示雷闪放电的频繁程度，地面落雷密度——每一雷暴日每平方公里地面的落雷次数，用雷电流峰值——雷电的强烈程度，用雷电流脉冲的波前时间、半峰值时间脉冲从零开始升到峰值再降至半峰值的时间——雷电流的变化快慢。在我国，雷暴日数差别较大，西北地区少于20日，长江以北、华北、东北2040日，长江以南4080日，华南80日以上，海南岛达100130日。我国的地面落雷密度为0.015。雷闪放电中，7590%为负极性。雷闪脉冲电流的峰值高，12%的雷电流超过100千安，最高可达二三百千安。雷电流的变化时间快，脉冲波前时间为15微秒，半峰值时间为20100微秒。风电场的防雷保护（续）雷击对风轮机是一个重要的潜在的危害，多年前认为，风轮机叶片采用不导电的玻璃钢（塑料）或环氧树脂等制成，因而不需要提供直接的保护。现在大量的现场经验表明，雷击会加到由这种材料做的叶片上，如果没有安装合适的保护系统，可能造成灾难性的损害。当然如果碳纤维（它是导电的）被用来增强叶片，则需要另外的防范。雷电过电压雷电过电压是因雷闪而使设备承受的电压升高的现象。根据形成机理的不同，可将雷电过电压分为直击雷过电压和感应雷过电压。直击雷过电压——雷闪直接击中设备的带电导体或接地金属部分时产生的过电压雷闪击中带电导体(如架空输电线)的称为直接雷击，它可能使带电导体对接地部分产生放电。雷闪击中接地部分(如输电线路铁塔)时，强大的雷电流流经接地部分的电阻、电感，使其由地电位升至很高的电位，有可能反过来对设备的带电部分放电，这种雷击称为反击。感应雷过电压——雷闪击中设备附近地面，雷云中电荷与大地中积聚的电荷中和放电时，由于空间电磁场急剧变化而使设备感应出的过电压称为感应雷过电压。主要发生在架空输电线路上，其峰值一般不超过300400千伏。雷闪的危害雷闪危害来自两个方面：雷直击于电气设备；雷击输电线路产生的雷击过电压波沿线路侵入电气设备。雷闪对电力系统的危害：造成停电事故；电气