风电-主要一次设备课件

风电场电气系统风电场主要一次设备风电场电气系统风电场主要一次设备§1

风力发电机§1.1发电机的结构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

原动机（例如风力发电中用的风力机）带动转子绕轴旋转，在定子绕组中感应出电势，在闭合的外电路中形成电流从定子绕组出线端（如图中的A、B、C所示）送出。定子就像一个空心的圆筒，转子像一个实心的滚轴§1风力发电机§1.1发电机的结构原动机（例如风力发

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，当然铜线外面要包裹绝缘物质。铁心的功能是靠铁磁材料提供磁的通路，以约束磁场的分布。各种发电机的定子的基本结构是类似的定子铁心由很薄的圆环状硅钢片叠制而成，内表面开了若干轴向沟槽，用于嵌放定子绕组。定子和转子一般都由铁心和绕组构成。定子铁心由很薄的圆环状§1.2发电机的工作原理发电机的工作原理主要是基于电磁感应现象。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。§1.2发电机的工作原理§2

变压器

§2.1变压器工作原理变压器的电压变换

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变压器

§2.1变压器工作原理

一次绕组和二次绕组一般没有电气上的连接，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：每台变压器可以长期流过的最大功率，规定为它自身的额定容量，以kVA来标定。每台变压器可以长期流过的最大功率，规定为它自身的额定§2.2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，所用的油一般为矿物油。

图3-7变压器工作原理示意图1234567891011121314151、铁芯2、绕组3、调压分接头4、调压机构箱5、高压侧套管6、低压侧套管7、高压侧中性点8、压力释放阀门9、瓦斯继电器10、11、吸湿器12、主变端子箱13、散热风扇14、油箱15、储油柜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）、用于调整电压变比的分接头和分接开关以及油箱和辅助设备构成。§2.2变压器的结构图3-7变压器工作原理示意图12§3载流导体

电力系统中的各个电气设备都由载流导体相互连接，组建成电路。其中，位于发电厂和变电站内的母线用于汇集和分配电能，连接导体和跳线用于连接电气设备，而输电线路则将发电厂、变电站和用户连接成完整的电力系统。§3载流导体

电力系统中的各个电气设备都由载流导体相互连§3.1导体的材料导体通常由铜、铝、铝合金或钢材料制成。多数载流导体一般使用铝或铝合金材料

纯铝的成型导体一般为矩形、槽形和管形。强度稍低，当110kV及以上配电装置敝露布置时不宜采用。

铝合金导体有铝锰合金和铝镁合金两种，均为管形。铝锰合金导体载流量大，但强度较差。铝镁合金导体机械强度大，但载流量小，主要缺点是焊接困难，因此使用受到限制。

铜导体一般在下列情况下才使用：

①位于化工厂附近的屋外配电装置，化工厂排出的大量腐蚀性气体对铝制材料有不良影响；

②发电机出线端子处位置特别狭窄，铝排截面太大穿过套管有困难时；

③持续工作电流在4000§3.1导体的材料

导体除满足工作电流、机械强度和电晕要求外，导体形状还应满足下列要求：电流分布均匀（即集肤效应系数尽可能低）；机械强度高；散热良好（与导体放置方式和形状有关）；有利于提高电晕起始电压；安装、检修简单，连接方便。

§3.2导体的形状导体可以分为两大类：硬导体和软导体。（1）硬导体：在电流较大的场合，软导体载流量不足时可以采用硬导体。硬导体根据其截面形状可分为：管型、槽型、矩形。§3.2导体的形状截面形状：

布置：排列（平排、竖排、三角排）、放置（平放、立放）与装配；

母线的排列应按设计规定，如无设计规定时，应按下述要求排列。

（1）垂直布置的母线。由上向下：A，B，C相；

（2）水平布置的母线。由内向外（面对母线）：

A，B，C相的排列；

（3）引下线排列。由左向右（面对母线）：

A，B，C相的排列；

（4）各种不同电压配电装置的母线，

其相位的配置应相互一致。截面形状：

①矩形导体单片矩形导体具有集肤效应系数小、散热条件好、安装简单、连接方便等优点。一般适用于工作电流I≤2000A的回路中。

载流量不是随导体片数增加而成倍增加的，尤其是每相超过三片以上时，导体的集肤效应系数显著增大。

②槽形导体槽形导体的电流分布比较均匀，与同截面的矩形导体相比，其优点是散热条件好、机械强度高、安装也比较方便。在回路持续工作电流为4000～8000A时，一般可选用双槽形导体③管形导体管形导体是空芯导体，集肤效应系数小，且有利于提高电晕的起始电压。户外配电装置使用管形导体，具有占地面积小、构架简单、布置清晰等优点。但导体与设备端子连接比较复杂，用于户外时易产生微风振动。

（2）软导体常见的软导体为钢芯铝绞线，由钢芯承受主要机械负荷，铝作为主要载流部分。软导线应根据环境条件（环境温度、日照、风速、污秽、海拔高度）和回路负荷电流、电晕、无线电干扰等条件，确定导线的截面和导线的结构型式。当负荷电流较大时，应根据负荷电流选择较大截面的导线。当电压较高时，为保持导线表面的电场强度，导线最小截面必须满足电晕的要求，可增加导线外径或增加每相导线的根数。

§3.3导体的功能风电场和变电站中的常见导体有母线、连接导体、跳线和输电线路，输电线路又可分为架空线和电缆线路。（1）母线

母线是将电气装置中各截流分支回路连接接在一起的导体。它是汇集和分配电能的载体，又称汇流母线。风电场中35kV母线（软导线）风电场中220kV母线（硬导线）§3.3导体的功能风电场中35kV母线（软导线）风电场中

（2）连接导体连接导体是将发电厂和变电站内部电气设备进行连接的导体。跳线其实也是连接导体，不过为了跨越某一设备或建筑物，需要提升高度，所以称为跳线。（3）架空线架空线是通过铁塔、水泥杆塔架设在空气中的导线，一般为裸导线。由导线、避雷线、杆塔、绝缘子和金具等组成风电场升压站内的出线架构及站外220kV架空线路风电场升压站内的出线架构及站外220kV架空线路（4）电缆电缆通常是由几根或几组导线（每组至少两根）绞合而成的类似绳索的电缆。

电缆有电力电缆、控制电缆、补偿电缆、屏蔽电缆、高温电缆、计算机电缆、信号电缆、同轴电缆、耐火电缆等等。

都是由多股导线组成，用来连接电路、电器等。（4）电缆§4电抗器和电容器

§4.1电抗器

§4.1.1电抗器的作用

电抗器在电路中是用于限流、稳流、无功补偿及移相等功能的一种电感元件。电力系统中，电抗器的作用主要是两个：

1、限流（或串联）电抗器，用于限制系统的短路电流，并能使母线电压维持在一定水平；

2、补偿（或并联）电抗器，用于补偿系统的电容电流，防止线路端电压的升高。从而使线路的传输能力和输电线的效率都能提高，并使系统的内部过电压有所降低。§4电抗器和电容器

§4.1电抗器§4.1.2电抗器的分类电抗器按结构可分为三大类：空芯电抗器、带气隙的铁芯电抗器和铁芯电抗器。

（1）空芯电抗器只有绕组而无铁芯，实际上是一个空芯的电感线圈。磁路磁导小，电感值也小，且不存在磁饱和现象。

（2）带气隙的铁芯电抗器其磁路是一个带气隙的铁芯。导磁性能较好，所以电抗值比空芯电抗器大，但电流达到一定数值后，铁芯饱和，电抗值逐渐减小。

（3）铁芯电抗器其磁路为一闭合铁芯。由于铁芯具有高的磁导率，电抗器的电抗值很大，在容量相同时，其体积最小§4.1.2电抗器的分类电抗器按绝缘方式可分为油浸式电抗器和干式电抗器。

（1）油浸式电抗器油浸式电抗器是一个带间隙铁芯的线性电感线圈。它的铁芯和线圈浸泡在盛有变压器油的油箱中，采用油浸自冷的冷却方式（2）干式电抗器干式电抗器多采用空芯结构，是一个不带铁芯的线性电感线圈，采用空气自冷式的冷却方式电抗器按绝缘方式可分为油浸式电抗器和干式电抗器。§4.2电容器

§4.2.1并联电容器并联电容器是一种无功补偿设备，也称移相电容器。变电所通常采取高压集中的方式，将补偿电容器接在变电所的低压母线上，补偿变电所低压母线电源侧所有线路及变电所变压器上的无功功率，使用中往往与有载调压变压器配合，以提高电力系统的电能质量。§4.2电容器并联电容器的结构可分为箱式和集合式两种。箱式电容器，主要由油箱、膨胀器、器身、芯子（电容元件）组成集合式并联电容器，也称为密集型并联电容器，有单相和三相两种。集合式电容器的结构可分为器身、油枕、油箱、出线套管等部分。并联电容器的结构可分为箱式和集合式两种。

10kV高压并联电容器装置由断路器、隔离开关、电流互感器、继电保护装置、测量和指示仪表、串联电抗器、放电线圈、氧化锌避雷器、接地隔离开关、单台电容器保护用熔断器、并联电容器及连接母线和钢构架等组成。其布置方式有围栏式、柜式和集合式（按安放地点可分为户内式、半户内式、户外式）

§4.2.2电容器放电装置为防止带电荷合闸及防止人身触电伤亡事故，电容器组必须加装放电装置。放电装置的放电特性应满足下列要求：

手动投切的电容器组的放电装置，应能使电容器组三相及中性点的剩余电压在5min内自额定电压（峰值）降至50V以下；

自动投切的电容器组的放电装置，应能使电容器组三相及中性点的剩余电压在5s内自电容器组额定电压（峰值）降至0.1倍电容器组额定电压及以下。§4.2.2电容器放电装置§5

互感器

§5.1互感器简介

在风电场和电力系统运行过程中，需要监视其运行状态。对电气一次系统运行状态的最直接反映就是电流和电压。

互感器正是起电压和电流变换作用的传感器。它将一次系统的高电压、大电流按照比例变成标准的低电压和小电流提供给二次系统中的测量设备和继电保护装置使用。这样二次系统可以采用功耗小、精度高的标准化、小型化的元件和设备。互感器分为电流互感器（CT）和电压互感器（PT）。

电流互感器串接于一次系统的电路中，将大电流变为小电流；而电压互感器并接于一次系统的电路中，将高电压变换为低电压。§5互感器

§5.1互感器简介§5.2电流互感器（CT）§5.2.1(1)CT的结构电流互感器的基本组成，包括铁心、一次绕组、二次绕组由于是大电流变小电流，一次绕组的匝数很少导体的截面形状可以制成圆形、管形、槽型。电流互感器二次侧采用圆截面的铜漆包线，缠绕于铁心之上。1231一次绕组2铁心3二次绕组§5.2电流互感器（CT）1231一次绕组

电流互感器的铁心一般要装设多个以适应测量和继电保护的不同需求。

铁心可由条状热轧电工钢片叠积为矩形（叠积式铁心）、或采用带状电工钢片卷制成圆形、矩形或扁圆形（卷铁心），或在卷铁心的基础上按要求切成两瓣或多瓣形成开口铁心。叠积式铁心卷铁心（圆形）卷铁心（矩形）卷铁心（扁圆形）叠积式铁心卷铁心（圆形）卷铁心（矩形）卷铁心（扁圆形）电流互感器二次绕组的标记方法：P2S1S2P1当二次绕组抽头较多时，二次端子依次标记为：S1、S2、S3、……P2S1S3P1S2当有多个二次绕组时，各绕组的出头相应标记为：1S1、1S2、2S1、2S2、3S1、3S2、……P21S12S2P11S22S1端子标志一经标定，就决定了电流互感器的极性。电流互感器二次绕组的标记方法：P2S1S2P1当二次绕组抽头（2）CT产品实例ABB某型110kV油浸式电流互感器1-气垫2-充油装置3-绝缘填充物4-纸绝缘的一次导体5-铁芯和二次绕组6-二次接线盒7-二次接线端8-膨胀容器9-油位监视玻璃10-一次接线端子11-接地端子一次绕组4为U型结构，和外部接线端子10相连接，一次绕组由单股或多股铝或铜材料构成，其外部包裹有绝缘纸。一次绕组装设于磁套管和油箱内，油箱中还装设有铁心5和二次绕组。二次绕组采用铜导体，缠绕于铁心之上，其接线端子7装设于接线盒6中。在油箱的外部装设有用于接地的端子11，一次绕组采用电容绝缘结构。（2）CT产品实例1-气垫一次绕组4为U型结构，和外部接线端屋内浇铸绝缘支柱式电流互感器12123456771-一次接线端子2-二次接线端子3-一次绕组4-铁心5-二次绕组6-树脂混合料7-铭牌当电流较小时，一次绕组用玻璃丝包线绕制；大电流时，用铜带或铜母线绕制。二次绕组用玻璃丝包线绕制；层间绝缘用聚脂薄膜或膜纸复合绝缘纸。如果是卷铁心，二次绕组直接绕在铁心上。如果是叠积式铁心，则二次绕组绕制在酚醛纸筒或玻璃纸筒上，然后再装配铁心。屋内浇铸绝缘支柱式电流互感器12123456771-一次接线(3)注意事项二次开路会产生不良后果：①出现的高电压将危及人身及设备安全；②铁心高度饱和将在铁心中产生较大的