【某风电场电气主接线及二次系统设计9700字（论文）】

第PAGEV页某风电场电气主接线及二次系统设计摘要长期以来，我国气候问题的根源是以化石能源为主的能源发展方式，但随着国际能源产业的发展以及我国提出的“双碳”目标，世界能源格局将发生巨大改变。其中，风能作为一种储量丰富、成本低廉且发展潜力巨大的清洁能源，对新能源的发展发挥着不可替代的作用。因此，着眼于风电场的规划建设并制定相应的电气系统设计方案具有强大的现实意义。本文主要根据国内外风能发电状况分析风能发电的发展背景和重要性,并介绍了对风电场及其所在区域的外部要求。首先,通过比较各种风力发电机的技术参数，并针对风电场的实际情况选用了最优风力发电机组。然后,根据风电场的基本设计准则与要求制定方案,并选定主变台数。接着，对电气一次系统进行总体设计工作,该部分也是本文的核心,通过绘制主接线图并完成短接计算,再进行主要电气设备的选型,最后完成电气设备在总平面的布局。再次,对电气二次系统进行总体设计，重点针对风电场和升压站的监控系统以及继电保护设备开展研究。最终完成该49.5MW风电场电气主接线及二次系统设计。关键词：风电场；电气设计；电气一次系统；电气二次系统目录TOC\o"1-3"\h\u第1章前言 1第2章风电场设计方案 22.1风电场设计现状、范围及原则 22.1.1风电场设计现状 22.1.2风电场设计范围 22.1.3风电场设计原则 22.2主变台数的选择 22.3小结 3第3章电气一次系统设计 43.1电气主接线 43.2一次系统短路电流计算 73.2.1短路电流的计算目的 73.2.2短路电流的计算要求 83.2.3短路计算的过程 83.3主要电气设备选择 93.4电气总平面布置及配电装置布置 123.4.1220kV配电装置 123.4.235kV配电装置 123.4.3配电装置 123.4.435kV无功补偿装置 123.4.5380/220V场用配电装置 123.4.6风机塔箱式变压器 123.4.7电缆设施 123.5防雷接地及绝缘配合 123.5.1防雷保护 123.5.2接地保护 13第4章电气二次系统设计 144.1二次接线 144.1.1二次接线设计规则 144.1.2信号 144.1.3测量 144.1.4电量 144.1.5“五防”系统 144.2计算机监控系统 154.2.1风电场监控系统 154.2.2升压站监控系统 154.3风电场继电保护装置 164.3.1主变电站保护 164.3.235kV母线保护 164.3.3小结 16第5章结论 17致谢 18参考文献 19第1页前言伴随科学技术的发展和人类社会的进步，工业革命爆发，大量消耗了煤、石油和天然气等非可再生能源，导致氟利昂、一氧化碳和二氧化碳等排放量极大增加。然而，化石燃料的储藏与使用并不是无穷无尽的，因此，人类开始探索对可再生能源的开发与利用。尤其是在1970年爆发的丹麦石油危机中，能源危机问题进一步引发了人类的思考，寻找替代有限的化石能源的新能源也成为了人类刻不容缓的任务。进入二十一世纪后，世界能源结构已发生巨变，数字化，经济化和智能化高质量发展时代随之而来，传统化石能源的发电形式已不再成为主流，利用现有的创新设计方法和技术实现可再生能源发电势不可挡。为了应对风力发电的缺陷，提高风电场运行的稳定性，本文将基于风电场的选址与风力发电机的选型、接地点方式的选择和主要电气设备的选择对风电场进行优化设计，使风能资源的利用率得以提升，提高风电场的可靠性，从而保证电力系统的安全运行。本次风电场的设计包括风力发电场区和220kV升压站，分成两个部分开展，分别是电气一次系统和电气二次系统进行研究。而由于外部环境因素，除去电气设计外的进站道路规划、给排水设施以及系统通信问题，并不属于本次设计范围内。在本次风电场的主接线设计中，必须满足的首要条件是风力发电与电网之间的适应性，基于此再坚持标准一致、技术先进、运行高效和投资合理的原则。考虑到未来风电场的检修维护和再规划问题，风电场的设计需要保证方案尽可能普遍化、风电接入尽可能规范化、升压变电站尽可能标准化和集电线路尽可能模块化，并且预留一定的扩展容量。综合考虑风电场主接线设计原则及要求，并参照目前风电场设计通用做法，进行了主接线方案设计，首先从电压匹配角度考虑，风力发电机与箱式变压器低压出线侧设690V,高压出线侧设35kV;其次从电能输送经济性角度考虑，33台单机容量1.5MWWTG3风力发电机均分成三组，每组11台。

第1章风电场设计方案1.1风电场设计现状在本次接线设计中，将33台风力发电机平均分成3回，每回11台。在每台机组出口处通过1kV电压等级的电缆线连接到变电箱，将出口电压690V升至35kV，连接到35kV母线上。35kV母线再通过220kV电压等级、容量为100MW的主变压器连接到220kV母线，将电压35kV升至220kV。由此初步制定本次风电场的设计方向。在本次风电场的主接线设计中，必须满足的首要条件是风力发电与电网之间的适应性，基于此再坚持标准一致、技术先进、运行高效和投资合理的原则。考虑到未来风电场的检修维护和再规划问题，风电场的设计需要保证方案尽可能普遍化、风电接入尽可能规范化、升压变电站尽可能标准化和集电线路尽可能模块化，并且预留一定的扩展容量。1.2主变台数的选择本风电场设计中在主变压器型号选择，台数选择及容量选型时，需实现当前风电场电气设计工作，为后续扩建工程奠定基础，重点考虑变压器有无两线圈，有无三相，损耗及噪音小等技术参数以及有载调压及自然油循环风冷电力系统所需功能的实现情况。因具体地说，需要满足下列3点：第一，确保了主变压器选择原则的合理性。在电力线路负载较高，或对一，二级负载电力线路选用2台及2台以上主变压器以确保电能传输安全稳定，降低电力线路故障率及减少电力线路维修成本，在电力线路负载较低时选用1～2台主变压器以确保电力系统运行平稳，避免电能浪费的情况，保证工程上的经济效益[1]。第二，保证主变压器的台数选择准确。主变压器的台数选择与风电场所在地区的主要用电量有关。若风电场所在地区为城市或城郊，用电量较大，应先了解该地的中低压环网情况，一般选择两台主变压器；若风电场所在地区为工业区或开发区，或者位置较为偏僻，一般选择三台或三台以上的主变压器，保证供电的安全高效，降低电力线路的故障率。第三，确保了主变容量的选取是正确的。目前，国内大多数的变电站都是按照电网的结构、负荷量、以及将来的负载规划来确定主变压器的容量。因此，必须考虑风电场所在地区的以上影响因素进行主变压器的容量选择。与此同时，主变压器的接地方式应为220kV中性点接地，35kV经消弧线圈接地。除此之外，本次风电场的设计应结合风电场所在地区的具体情况，考虑之后的维护和检修问题，最大程度上减少支出。在本次风电场的设计中，通过当前的变压器市场上的产品分析，选用技术先进和运行高效的主流变压器；根据风力发电机装机容量，风电场所在区域地形地貌，建设难易程度及经济效益情况确定主变压器台数。参考变压器设计方案中的惯例，制定了以下两种设计方案。方案一：目前采用一台容量为50MVA的主变压器，之后风电场进行扩建时再投入变压器。这个方案在扩建时将增加电力系统回路数。方案二：目前采用一台容量为100MVA的主变压器，之后风电场进行扩建时共用本台变压器。这个方案在扩建时将减少电力系统回路数。对比方案一和方案二，方案二所需要的配电装置明显较少。考虑到单台不同容量的主变压器在占地面积上只有细微的区别，因此，第二个方案比第一个方案更经济，而且投入也很少。为此，在本次风电厂的主变压器设计中，采用了方案二的50MVA主变压器，之后扩建风电场时也不会增加回路。1.3小结本章基于风电场的设计现状，初步制定了本次风电场的设计方向，确定设计范围，即电气一次系统和电气二次系统的规划建设。在此基础上，结合之后扩建的实际情况制定本次风电场的设计原则和要求，确定主变压器的设计方案。

第2章电气一次系统设计2.1电气主接线2.1.1主接线设计原则在电气一次系统设计中，最关键的环节就是主接线的设计，因为电气主接线关系到电力系统中选择不同的装置和模块，关系电力系统的正常运行。本次风电场的主接线设计需要在保证发电系统的可靠安全、并网系统的高效稳定和输出优质的电能的基础上，同时保证接线尽可能简单，便于后续维护和检修，甚至扩建，提高工程经济效益[2]。在本次风电场的主接线设计中，特别要注意的是，在电网出现故障时，它是否能够准确地找到故障所在，并迅速地将故障设备从线路中剔除，以便维护人员及时发现故障原因并及时修复。。3.1.2主接线设计要求（1）可靠性主接线可靠性是确保生活生产供电质量最根本的原则，它由宏观可靠性与微观可靠性两部分组成，宏观可靠性即电气一次系统与电气二次系统配合可靠度，微观可靠性即主接线可靠度[3]。其中最为关键的就是电气设备的可靠性问题，一个可靠的电气设备会极大地降低对电力线路方面的投入。在主接线可靠性问题上，具体提出了如下4点要求：第一，是巡检断路器及其他电气设备时要确保电能平稳输出；第二，在对母线和断路器等电气设备进行检修时，对于一级负荷和二级负荷应分别处理；第三，对于风力发电机组及大容量发电机组，要确保电能的可靠性；第四，是如风电场电能上游供给侧一定要确保电能可靠。灵活性主接线的灵活性主要是应对随时可能发生的调度不同、日常检修和扩展容量等问题，具体有以下三点要求：第一，调度时需要保证一定的灵活性。只有发电机、电力线路和变压器实现灵活地投切，才能与电力系统的负荷的不确定性和发生故障时的不确定性相适应。第二，检修时需要保证一定的灵活性。任何电气设备在保证不间断供电的基础上灵活地投切，才能同时实现供电与检修。第三，扩容时需要保证一定的灵活性。电力线路之间实现灵活地修改，才能在新的机组与旧的机组之间达到融合。（2）经济性主接线的经济性取决于其可靠性与灵活性，若不能兼顾其可靠性与灵活性，则其经济性就更不用说了。关于主接线的经济性具体有以下三点要求：第一，投资尽可能少。首先，在主接线上选择最为节省线材的设计，从而减少主接线上的保护设备，例如避雷器和互感器等。其次，在主接线的设计上尽可能保证二次接线的简易。第二，占地面积尽可能小。风电场的设计不仅有一次设备的安装，还有二次设备的安装。因此，考虑到其他二次设备的布置，必须保证主接线设计的占地面积较小。第三，电能损失尽可能少。这一要求具体体现在升压站的主变压器的选择上，如果能够使用一级升压，尽可能不使用二级升压。2.1.3主接线设计方案（1）主接线的基本形式及其优缺点单母线接线变电站电气主接线的设计通常采用单母线接线。单母线接线是用一只开关来控制与这一组母线相连的全部电源及回路，全部电气设备都串联于这一组母线中工作。单母线接线最大的优点在于接线较简单、操作较容易、连接设备较少、经济性较高、且母线易于向两端伸出、易于扩建；最大的缺点在于可靠性不高、灵活性较差、在母线或者母线侧隔离开关出现大修或者故障、所有设备和回路都要停止运行[4]。因此，单母线接线的形式适用于出线回路较少和对电能供应的可靠性要求较低的变电站中。双母线接线双母线接线就是两组母线同时运行，并且通过母联断路器实现并列工作，平均分配电源和负荷。双母线的主要优势在于电源可靠，在对一组母线进行维修时，另一组母线可以用倒闸操作来完成。，不影响正常供电；调度灵活，不同电源与回路负荷根据电力系统的实际情况随意分配到任一组母线中；方便扩建，扩建母线时不影响其正常运行。主要缺点是增加了母线长度和配电装置的架构，增大了占地面积，增加工程成本；变更主接线形式时，倒闸操作容易导致误操作；检修回路断路器时，该回路将断电；任何一组母线故障时短时停电，母联故障时两组母线都停电[5]。桥形接线桥形接线分为外桥接线和内桥接线。外桥接线的主要优点是调整变压器较为简单，无需较多设备；主要缺点是在断路器故障时，必须停止变压器的运转，直接影响正常的电能供应。内桥接线的主要优点是高压断路器较少，切换线路较为简单；主要缺点是在断路器故障时，检修时间较长，且线路必须断电。角形接线角形接线的主要优点是有效减少投资成本，当线路或设备故障时，只需切除故障元件，且不影响电力系统的正常运行；主要缺点是选择电器设备时考虑的影响因素较多，不利于后续扩建变电站[6]。变压器—线路单元接线变压器—线路单元接线最大优势在于操作简单、连接设备较少、有效地降低了投资成本，最大劣势在于线路或者变电站电气设备发生故障后线路不得不停电，极大地影响到了供电。升压站电气主接线本风电场220kV升压站电气主接线为单母线连接，一次出线。因为220kV升压站出线是一回，所以电力线路发生故障后整个升压站都要停电，所以在出线处装设断路器显得多此一举，且增加了工程成本，提高了电气设备故障率。风电场电气主接线由前文选出的风力发电机WTG3可知其出口电压为690V，通过装设升压变压器以及一系列升压过程接至220kV变电站中。其中，装设升压变压器有两个方案，分别是将690V升至10kV或35kV[7]。当风力发电机为兆瓦级时，若将690V升至10kV，每回10kV的汇流母线上可接3-4台风力发电机；若将690V升至35kV，每回35kV的汇流母线上可连接更多的风力发电机。由此可知，将690V升至35kV的升压方案更加合适，减小线损，节省电力线路投资成本，提高工程经济性。为此，综合考虑风电场主接线设计原则及要求，并参照目前风电场设计通用做法，进行了主接线方案设计，首先从电压匹配角度考虑，风力发电机与箱式变压器低压出线侧设690V,高压出线侧设35kV;其次从电能输送经济性角度考虑，33台单机容量1.5MWWTG3风力发电机均分成三组，每组11台。最终实现本风电场的电能供应[8]。风电场的电气主接线图如图3-1所示。图2-1风电场的电气主接线图2.2一次系统短路电流计算通过对一次系统短路电流的计算，可为此次电气设备的选型提供依据。根据计算短路电流的需要，本文给出了风电场的短路电流。2.2.1短路电流的计算目的由于短路电流取值直接决定电气设备绝缘装置及防护措施，因而它还为断路器、互感器等电气设备选型提供了依据。短路电流的数值为继电保护等等装置的整定数据提供依据。评价主接线的设计方案时，短路电流的结果作为评价依据，确定电力线路中是否需要添加抑制短路电流的设计方案。短路电流计算结果关系到电力系统瞬态稳定性及通信线路电磁屏蔽问题。判断中性点接地方式。2.2.2短路电流的计算要求在计算该风电场的短路电流的过程中，假设电力系统在正常运行时发生短路，短路电流值为峰值时，遵循以下四点要求进行计算：第一，短路电流计算结果关系到电力系统瞬态稳定性及通信线路电磁屏蔽问题。第二，是电力系统处于最大运行方式接线模式；第三，根据三相短路故障计算短路电流。第四，是有关短路计算点选取问题，针对电气设备短路电流节点进行研究。2.2.3短路计算的过程在短路计算的过程中选择系统阻抗时，选取220kV侧的阻抗，选取100MW为基准容量，35kV的母线按两台主变压器分列运行仿真。使用PSASP软件画等值阻抗图。等值阻抗图如图2-2所示。图2-2风电场的等值阻抗图根据等值阻抗图设置故障类型和故障地点。运行单线图，输出短路报表。短路电流计算结果表如表2-1所示。表2-1短路电流计算结果表短路电流简表短路作业名：作业1故障类型：ABC三相短路区域分区厂站全网全网全网母线名短路电流（kA）短路容量（MVA）0.69kV41.5730.69220kV16.884260.1335kV23.39939.13通过短路电流计算结果表明：本风电场所设计35kV母线与220kV母线短路电流等级分别为31.5kA与40kA。在完成短路电流这一参数的测定之后，下面就用它来对主要的电气设备进行选择。2.3主要电气设备选择按《导体和电器选择设计技术规定》及上述短路电流计算结果表明：主要电气设备选用见表2-2。表2-2主要电气设备的选择2.4电气总平面布置及配电装置布置2.4.1220kV配电装置220kV电气设备和配电装置通常都装在室外。考虑到风电场所处区域地理条件，本风电场设计为户外安装、分相中型型式、单列排列、共设四个区间、每区间13m[9]。2.4.235kV配电装置和220kV电气设备相似，35kV配电装置通常都设置在室外。考虑到风电场所处区域自然资源，本风电场设计为户外安装及一般中型型式，共设九个区间，每区间5.5m。该设计虽然占地面积较大，但布置简单，运行高效，母线的检修较为方便，且建设工作量小，建设时间短，具有良好的经济性。2.4.3配电装置由于电力线路的交叉将影响风电场的正常运行，故配电装置的布置应系统规划，间隔排列。2.4.435kV无功补偿装置35kV无功补偿装置与风电场内35kV的电气设备临近布置。2.4.5380/220V场用配电装置由于380/220V场用配电装置等低压设备电压等级低，为了确保其经济效益，与用电端临近布置。2.4.6风机塔箱式变压器风机塔箱式变压器与风力发电机组临近布置。2.4.7电缆设施当风电场内电压等级为220kV的电力线路需要穿过围墙时，电缆设施一般采用绝缘套管或地下高压电缆布置。本风电场内的主变压器出口220kV电力线路的电缆需埋在地下或在地下建设电缆通道，在地下建设电缆通道时需通过桥架固定电缆[10]。由于电缆线路将通过开关柜和配电盘等终端设备进入室内，故需用防火绝缘的材料封堵电缆所在的路径。2.5防雷接地及绝缘配合2.5.1防雷保护结合风电场所在地区的具体情况可知，本风电场处于露天环境，由于雷电极易直接击中现场的电器设备，引起雷击过电压，设备损坏，甚至是意外，所以在风电场中应安装避雷针。根据《交流电气装置的过电压和绝缘配合》DL/T7620-1997的参考标准，本次风电场的设计是装设七根避雷针构成防雷保护，其中在主变电站装设两根220kV用避雷针，在风电场其余位置装设五根避雷针[11]。除此之外，需在母线上装设一组复合绝缘氧化锌避雷器防止雷电侵入波导致的电能质量下降，在主变压器的高低侧均装设氧化锌避雷器确保安全。2.5.2接地保护由《交流电气装置的接地》DL/T621-1997的参考标准可知，主变压器接地时需与地面保持水平，且在较高电压等级时，结合水平与垂直进行接地，达到热稳定性的要求。装设完主变压器接地保护后，需在主变电站的人流活动区装设均压装置，防止跨步电压导致事故。

第3章电气二次系统设计为了减少本风电场接入电网后对电力系统造成的负面影响，设计较为完善的电气二次系统是必不可少的。结合电气二次系统接线的设计原则，本风电场对操作单元等电气设备进行计算机监控，并开展继电保护装置的规划设计，确保风力发电机组的正常运行[12]。通过电气二次系统的设计，本风电场实现了实时监控跟踪风力发电机组的运行情况，同时为电气一次系统的安全稳定运行提供了可靠保证。3.1二次接线3.1.1二次接线设计规则该风电场电气二次系统设计所分综合楼主控室与电子设备之间。其中综合楼主控室安装有风力发电机组计算机监控系统，计算机监控系统操作台与图像监控操作台之间安装有电子设备之间的操作电源以及继电保护装置及其他二次设备[13]。本风电场的监控部分由计算机控制系统实现。当电力系统正常运行时，计算机系统发出控制命令。此外，在风电场内装设监控/手动转换开关作为监控部分的备用操作控制指令。3.1.2信号为保证计算机监控精度，需要对该风电场重点部位采取关键点分别获取。例如主变电站，高压侧断路器和其他电气设备信号使用独立点对点通信，而低压侧仅需要串口通信。3.1.3测量该风电场将三相四线制全电子多功能电能表安装于主变压器220kV出线侧，35kV出线侧及剩余的变压器及其它节点处进行信号采集并测得电压值及电流值。3.1.4电量本风电场通过数字式电量表连接计算机控制系统，实现对电压值和电流值的采集。3.1.5“五防”系统为了确保电力系统安全运行，此次风电场二次系统设计需要达到“五防”，即即防止带负荷分、合隔离开关；防止带电挂（合）接地线（接地开关）；防止误分、合断路器；防止误入带电间隔；防止带地线送电。具体措施是：一是为避免通电时后门打开，35kV开关柜后门和地刀或者智能操控装置间设电气闭锁；二是为避免母线接地后断路器合闸，35kV开关柜中断路器和母线接地手车安装电气闭锁；三是为避免手车于工作位或者负荷侧通电时合上地刀而将地刀及手车及智能操控装置设电气闭锁；四是为避免线路通电或接地时向手车推入，断路器手车和各自的断路器以及35kV开关柜内地刀间的电气闭锁；五是母线接地手车及每个35kV开关柜中的断路器手车及母线带电显示器间安装电气闭锁，当35kV开关柜柜中的断路器手车全部位于试验位，母线未通电时即可推接地手车。3.2计算机监控系统3.2.1风电场监控系统风电场监控系统由在线风力发电机组控制器和集中监控装置组成，集中监控装置位于综合楼主控室内。风力发电机组控制器也有电源单元以及计算机单元之分，其中电源单元主要是让异步风力发电机在电网中处于同一时期，而计算机单元则主要是为了达到控制风力发电机组工作的目的。在综合楼主控室中，集中监控装置的对象为33台单机容量为1.5MW的WTG3型风力发电机，可对其实现远程手动开机或停机以及向顺时针或逆时针旋转，主要包括中央监控层，风机现地监控层以及场内通信设备。其中中央控制层配置有操作员站，后台监控软件，服务器与打印机，风力发电机组现地监控层配置有风力发电机组的主控与偏航系统，箱变监控系统与变频与变桨控制系统[14]。3.2.2升压站监控系统该风电场升压站内系统由站控层与间隔层组成，并辅以网络设备。站控层配置有主机兼作操作员工作站，远动工作站及公用接口装置，主机及远动工作站对站内所有电气设备进行充分可靠的测量，监视和控制，在实现时钟同步的前提下，具备遥测，遥信，遥控，遥调等功能，实现与电网各调度中心之间的信息传递和交换。间隔层中配置保护测控装置等二次设备，其中35kV系统监控与保护一体化设备采集和监控就地数据。3.3风电场继电保护装置3.3.1主变电站保护（1）220kV母线保护利用纵联电流进行差动保护，在这种保护中通信方式是通过安装独立的观测屏进行光纤通信来观察信号。（2）主变压器保护主变压器变比35/220kV,并且高、低压两侧采用单母线连接方式，而高压侧以中性点直接方式为主，低压侧以小电流方式为主。主保护：微机差动保护作用。（3）220kV侧后备保护主变高压侧：当电力系统过电流时，复合电压闭锁过流，断开主变压器两边的断路器；主变低压侧：当电力系统过电流时，复合电压闭锁过流，断开主变压器两边的断路器，且过载保护作用。零序电流保护：当主变高压侧的主保护拒动时，为后备保护；间隙零序电流、电压保护：当单相接地故障且中性点不起作用时，间隙零序电流、电压保护作用，且主变压器的断路器断开。（4）35kV侧后备保护35kV复合电压闭锁过流保护：首先断开35kV侧的断路器，其次是本段的断路器，最后是220kV侧的断路器；过负荷保护：当电力系统过负荷时动作，一般每相独立运行。3.3.235kV母线保护为了保护风电场内的回流母线，本次风电场的设计在35kV母线中装设母线差动保护。3.3.3小结本章主要进行风电场的电气二次系统设计，包括计算机监控系统的设计和继电保护装置的配置，只有规划好风电场内的通信对接与保护装置一体化，才能实现风电场的网络化与数字化，保证整个风电场安全可靠