风电场电气一次系统设计

风电场电气一次系统设计【摘要】本文论述了风电场电气一次设计，并着重介绍兆瓦级风电机组电气一次部分的组成，包括接入系统、电力电缆和主要电气设备的选型、过电压和接地保护系统、照明系统等。【关键词】双馈异步型风力发电机组；短路电流；等电位搭接1.概述风电场电气部分主要由一次部分(系统)和二次部分(系统)组成。电气一次可分为4个主要部分:风电机组、集电线路、升压变电站、所用电系统。电气二次分为风力发电机组计算机监控系统和变电站计算机监控系统。本文着重以某风电场风电机组电气一次设计为例，结合电气主接线等内容对风电场电气一次从理论到技术进行了简要阐述。2.电气一次系统设计2.1接入系统本工程风电场总装机容量为40MW，安装单机容量为2MWD110的双馈异步型风力发电机组20台。本期风电场内建设110kV升压变电站1座，配置一台40MVA主变和两台50MVA主变及一回110kV出线，本期机组通过35kV集电线路接入风电场升压站35kV侧。2.2电气主接线1.风电场电气主接线机组出口电压为0.69KV，风电机组与箱式变的接线方式采用一机一变的单元接线方式，配套选用20台箱式变，其低压侧电压与机组匹配选用0.69KV，高压侧35kV。箱式变就近布置在距离风力发电机组塔基约25米的位置。2.升压站电气主接线风电场建设承载着向系统供电的任务，根据风电场最终规划方案，建设一座110kV升压站，建成一台40MVA主变压器，经GIS接入110kV母线，并通过110kV线路接入220kV变电站。升压站低压侧为风电场电源进线，电压等级35kV。2.3主要电气设备选择1.短路电流短路电流计算是电气设备选型、导体选择、继电保护整定和校核的基础，其计算结果直接影响到电气系统的安全可靠性和工程造价，将风电场作为独立系统进行短路电流的分析计算，通过对整个电气系统中的组成元件进行合理的等值、简化，在不改变其主要电气特性的前提下，将复杂的电气网络简化成为可供计算的电路模型。由于短路电流其实是指电力系统中相与相或相与中性点之间经过电弧或小阻抗拉通的电路，这时流过导线的电流将比正常情况下流过导线的电流将增大几十倍。对于箱式变低压侧，尽管电网低压侧变压器的阻抗比电力系统高压侧的阻抗大很多，当低压电网发生短路故障时变压器一次端电压下降幅度不大，如果阻抗不大时甚至可以忽略高压电网的阻抗影响，但是对风电机组来说，短路电流误差过大会影响短路保护装置的灵敏度及设备选型，尤其是电力电缆阻抗较大时，必须考虑系统电抗和电缆的阻抗。2.箱式变选择风电机组之间选址相对较远，为降低发电机回路的电能损耗、减少发电机回路动力电缆的长度和数量，根据接入变压器的风电机组的容量及一定超负荷的余量，同时，也需综合考虑风力发电机组的抗短路电流的能力，降低机端的短路电流，选择的箱式变压器的短路阻抗不宜过小。变压器型号为S11-2500KVA/35KV,35+_2*2.5%/0.69KV,Dyn11，ud=6.5%。3.断路器选择断路器的选定与线路最大短路电流有直接关系，既要满足技术要求，同时也要综合考虑其经济性。技术要求除满足器件本身参数（如电压、电流、短路分断能力、耐受电流、动稳定电流、机械载荷、分合闸时间及绝缘水平等）外还需要充分考虑环境因素（如环境温度、相对湿度、海拔高度、污秽等级）。对于箱式变低压侧，断路器的保护直接关系整个风电机组的安全稳定运行。低压断路器必须能过接收外部跳闸信号，对低压侧线路进行保护，根据P=2000KW,U=0.69KV及现场运行环境要求,低压断路器其额定电流值In取1.5倍风电机组出口额定电流I，I=P/1.732U=1674A，In=1.5I=2511A，选E3S2500R2500型4段式保护（过负荷保护、短延时过流保护、瞬时过流保护、接地故障保护）断路器,额定技术参数为:Ue=0.69KV，Iu=2500A，额定极限短路分断电流为Icu=100KA,额定短路接通能力Icmmax=165KA，短时耐受电流(及时间)Icw=75KA(1S)/65KA(3S),固有分闸时间t=0.08s，满足设计需求。2.4电力电缆所有的工程的电气设计系统中，电线电缆是不可或缺的，合理的选择电力电缆及其敷设方式不但能提高电气系统安全性，减少事故隐患，也可以降低工程造价成本，使整个系统更加优化。实际敷设环境下单根电缆能够承受的载流量，与很多因素有关，不同敷设方式下载流量不尽相同。因此电缆载流量根据电缆的运行环境和敷设方式，需要对其进行修正。对于单根电缆：电缆在温度下的载流量应为标准温度时电缆载流量乘以温度修正系数K1，当环境温度超过25℃时再打9折。K1=[(T1-Tn)/(T1-T0)]½T1：导体允许运行最高温度T0：导体运行标准温度，取25℃Tn：导体运行环境实际温度。根据目前所选型的电力电缆技术规范要求：导线工作温度以最高90度计算，环境温度按最高50度，此时的修正系数为K1=[(90-50)/(90-25)]½=0.784，环境温度超过25℃，则实际的修正系数为K1=0.784*0.9=0.706。以实际工程2000KW电力电缆敷设方式采用每相取一根即三根非同相电缆紧扎敷设计算，在空气中成品字型敷设，此种情况下根据空气中并列电缆敷设的修正系数K2=0.8总修正系数K=K1*K2=0.706*0.8=0.564；埋地并行敷设，此种情况下根据土壤中并列电缆敷设的修正系数取K3=0.85，总修正系数K=K1*K3=0.706*0.85=0.6，综合考虑各方因素，经核算，低压侧推荐选用16根型号YJV22-240mm2的交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套铠装电力电缆进行埋地敷设接至箱式变电站。2.5风电机组自用电系统风电机组的自用电源取自箱式变低压侧，箱式变低压侧设置1台干式变压器，作为箱式变自用电电源（如照明、检修、加热、低压用电负荷电源）及风电机组的自用电电源。干式变压器一次侧电压0.69KV，二次侧电压0.4KV，容量按照箱式变自用电容量及风电机组自用电容量进行选取。2.6照明系统照明设计按照标准GB50034的规定进行，设备设置正常照明和应急照明，采用三防荧光灯。正常照明电源为交流220V，应急照明兼作正常照明用，当交流电源断电时能自动切换到蓄电池电源。2.7过电压保护和接地系统变电站具有良好的接地系统，为防止沿线路侵入的雷电波对设备造成的危害，在变电站内设置避雷器，并联合构成对屋外配电装置的防直击雷保护，设置以水平接地网和垂直接地的复合接地网，其接地网与风电机组的接地网进行良好的搭接，组成的共同接地网应保证其工频接地电阻不大于4Ω。风电机组设备按照风电机组防雷标准《IEC61400-24风力发电机组雷电保护》进行设计。外部保护主要防止直接雷击造成的损坏，内部保护主要防止因直接或间接雷击造成的电位差所引起损坏。将外部防雷和内部防雷措施整体统一考虑，机组整体通过水平接地环电极和垂直接地极构成接地系统，并与基础中的钢筋连接，利用钢筋作为自然接地体，机组通过采取接闪、引流、接地、屏蔽、等电位搭接、钳位、降阻、电气隔离、合理布线等现代防雷技术，可对风电机组叶片、机舱、塔筒等进行防雷保护，等电位搭接的铜线截面积不小于50mm2，接地系统的接地电阻应不大于4Ω。3.结束语风能作为一种清洁的可再生能源，不仅具有巨大的经济效益和潜力，同时也是对保护环境的可持续发展道路提供了有力的支撑。【参考文献】[1]风力发电场设计技术规范DL5383-2007.[2]中国船级社.风力发电机组规范[Z].北京：2008,6【作者简介】唐益文（1985.2—)男，湖南株洲人，硕士，南车株洲电力机车研究所有限公司，工程师，研究方向：电路与系统