风电场升压站电气系统设计说明.docx
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风电场升压站电气系统设计说明
摘要
近年来随着国家对节能环保越来越重视，我省近两年迅速建设许多光伏电站、风电发电站。
变电站是电力系统的一个重要组成部分，由电气设备及配电网络按一定的接线方式所构成，他从电力系统取得电能，通过其变换、分配、输送与保护等功能，然后将电能安全、可靠、经济的输送到每一个用电设备的转设场所。
作为电能传输与控制的枢纽，变电站必须改变传统的设计和控制模式，才能适应现代电力系统、现代化工业生产和社会生活的发展趋势。
随着计算机技术、现代通讯和网络技术的发展，为目前变电站的监视、控制、保护和计量装置及系统分隔的状态提供了优化组合和系统集成的技术基础。
随着电力技术高新化、复杂化的迅速发展，电力系统在从发电到供电的所有领域中，通过新技术的使用，都在不断的发生变化。
变电所作为电力系统中一个关键的环节也同样在新技术领域得到了充分的发展。
关键词：
风力升压站变压器选择电气设备选择电气主接线站用电设计
1.原始资料及其分析
1.1原始资料
1.1.1电力系统接线简图
110kV系统
X1=0.0839，X0=0.0896
（Sj=100MWA）
箱变1.5MVA
35±2x2.5%/0.69kV
风力发电机1.5MW
共三回
1.1.2建设预期
布尔津县风力升压站预计建设两期共9.9MW风力发电场，本次建立一期4.95MW风力发电场同时做好二期预留，通过220龙湾变并入电网。
1.1.3环境条件
序号
名称
单位
环境条件
1
周围空气温度
最高气温
℃
+40.7
最低气温
-40
最大日温差
K
25
2
海拔
m
＜2500
3
太阳辐射强度
W/cm2
0.1
4
污秽等级
Ⅲ
5
覆冰厚度
mm
10
6
风速/风压
m/s/Pa
35/700
7
湿度
日相对湿度平均值
%
≤95
月相对湿度平均值
≤90
8
耐受地震能力（水平加速度）
m/s2
0.2g
1.2原始资料分析
布尔津县风力升压站110kV出线一回，接入布尔津县220kV变电站110kV线路，线路采用架空线长约5km，远期维持不变；35kV本期出线3回，线路采用架空线和直埋相结合，架空线长约0.9km直埋长约22.03km，远期维持不变。
2.电气主接线
电气主接线是发电厂、变电站电气设计的首要部分，也是构成电气系统的主要部分。
电气主接线是由电气设备通过连接线，按其功能要求组成接受和分配电能的电路，成为传输强电流、高电压的网络，故又称为一次接线。
由于本设计的变电站有三个电压等级，所以在设计的过程中首先分开单独考虑各自的母线情况，考虑各自的出线方向。
论证是否需要限制短路电流，并采取什么措施，拟出几个把三个电压等级和变压器连接的方案，对选出来的方案进行技术和经济综合比较，确定最佳主接线方案。
2.1对电气主接线的基本要求
对电气主接线的基本要求，概括地说包括可靠性、灵活性和经济性三方面
2.1.1可靠性
安全可靠是主接线的首要任务，保证供电可靠是电气主接线最基本的要求。
电气主接线的可靠性不是绝对的。
所以在分析电气主接线的可靠性时，要考虑发电厂和变电站的地位和作用、用户的负荷性质和类别、设备的制造水平及运行经验等诸多因素。
2.1.2灵活性
电气主接线应能适应各种运行状态，并能灵活的进行运行方式的转换。
灵活性包括以下几个方面：
（1）操作的灵活性
（2）调度的灵活性
（3）扩建的灵活性
2.1.3经济性
在设计主接线时，主要矛盾往往发生在可靠性和经济性之间。
通常设计应满足可靠性和灵活性的前提下做到经济合理。
经济性主要通过以下几个方面考虑：
（1）节省一次投资。
如尽量多采用轻型开关设备等。
（2）占地面积少。
由于本变电站占用农田所以要尽量减少用地。
（3）电能损耗小。
电能损耗主要来源变压器，所以一定要做好变压器的选择工作。
（4）主接线还应简明清晰、运行维护方便、使设备切换所需的操作步骤少，尽量避免用隔离开关操作电源。
2.2电气主接线的基本原则
电气主接线的基本原则是以设计任务书为依据，以国家经济建设的方针、政策、技术规定、标准为准则，结合工程实际情况，在保证供电可靠、调度灵活、满足各种技术要求的前提下，兼顾运行、维护方便，尽可能的节省投资，就地取材，力争设备元件和设计的先进性与可靠性，坚持可靠、先进、适用、经济、美观的原则。
2.3变电站的主接线形式
2.3.1110kV侧主接线
对于110kV侧来说，因仅有一个出线，所以110kV采用线路-变压器组接线。
110kV母线运行方式：
采用单母线运行方式。
110kV中性点接地方式：
中性直接接地方式。
2.3.235kV侧主接线
对于35kV侧来说，因仅有三个出线及几个馈线，所以35kV采用单母线接线。
35kV母线运行方式：
采用单母线运行方式。
35kV接地方式:
经接地变接地电阻方式接地。
2.4方案确立
本工程只建设一期项目同时为二期做好预留，建设规模如下：
计划建设单机容量1500kW风力发电机组33台，每台风力发电机组均采用一发一变组单元接线方式；发电机出口电压690V经箱变压器升压后接至35kV集电线路，由第一条、第二条、第三条35kV集电线路并联接入风电场升压站35kV母线。
35kV侧：
终期5回电缆出线，2回SVG馈线，2回接地变馈线，1回场用变馈线，35kV单母线分段接线；本期3回电缆出线，1回SVG馈线，1回场用变馈线，1回接地变馈线，采用单母线接线，风电场升压站2台容量50MVA主变压器。
本期建设1台容量50MVA主变压器。
升压站终期高压侧110kV为单母线接线；终期1回进出线，单母线接线；本期出线1回，采用单母线接线。
经主变升压后由GIS室110kV出线接至110kV龙湾变，并入电网系统。
2.5电气主接线图
3.风电机组与箱变接线设计及选择
3.1风机选择
根据当地条件，选择已在当地实验成熟机型，方便后期维护，风机参数如下。
生产厂家
明阳风电产业集团
总容量
49.5MW
轮毂高度
65米
单机容量
1500kW
额定功率
kw
1500
叶轮直径
m
82.7
切入风速
m/s
3
切出风速（10分钟平均值）
m/s
25
额定风速
m/s
10.5
抗最大风速（3s均值）
m/s
70
设计寿命
年
20
叶轮及叶片
叶片长度
m
40.25
叶片材料
玻璃纤维增强树脂
叶轮转速
rpm
17.4
扫风面积
m2
5320
齿轮箱
传动方式
两级行星齿轮，一级平行轴
齿轮传动比率
103.4483
发电机
类型
双馈异步发电机
额定功率
kw
1500
额定电压
v
690
额定电流
A
1169
额定转速
rpm
1720
额定频率
Hz
50
绝缘等级
F
防护等级
IP54
制动系统
主制动系统
变桨独立制动
第二制动系统
单盘式，失效安全，主动型（在电网断开期间可让传动系统停车）
变桨系统
类型
电动式
变桨轴承形式
4点接触双滚珠轴承，齿
控制系统
控制柜
明阳/Beckhoff
变频器
IGBT双向逆变
额定输出功率因数
±0.95（可调节）
防雷保护
描述
单位
MY1.5
防雷设计标准
按照IEC1024-II设计，符合GL认证规
防雷措施
电气接地、叶尖和叶片中部接闪等
风力发电机组接地电阻
Ω
≤4
塔架
类型
钢制锥筒
高度
m
65
表面防腐
喷漆防腐
重量
机舱
吨
64
叶轮
吨
35
3.2箱式变压器的选择
3.2.135kv箱变选择原则
（1）台数的确定，根据一台风力发电搭配一台箱式变电站的方案。
共需33台箱式变电站。
（2）容量的确定单元接线中的箱式变电站容量应按发电机额定容量扣除本机组的负荷后，预留10％的裕度，已知风机自生消耗功率0.1KW。
=1.1（
—风机消耗）
—风力发电机容量
—通过箱式变电站的容量
发电机的额定容量为1500kW，经过变压器的容量为：
=1.1（
—风机消耗）=1.55MVA
由上计算结果选取容量为1600KVA的箱式变电站。
3.2.2最终箱变确定参数
名称
组合式变压器
额定容量
1600KVA
额定电压
36.5×（1±2×2.5%）/0.69kV
额定频率
50HZ
额定电流
25.31/1338.78A
连接组别
Dyn11
冷却方式
ONAN
调压方式
无载调压
3.3风电机组与箱变接线设计
风电机组电气主接线一般采用一机一变的单元接线方式。
风电场风电机组通过风电机组监控系统接入风电场升压变电站监控系统，风电机组升压变压器由风场运行人员维护。
设计依据参照《变电所初步设计容深度规定》、《国家电网公司输变电工程初步设计容深度规定》、《风电场接入电网技术规定》等。
对于3MW及以下容量的风电机组出口电压一般为0.69KV，经风电机组升压变压器升压至35KV，通过35KV集电线路汇流后，接入风电场升压站的35KV母线侧，经升压站主变压器升压后送至系统。
（1）风电机组升压变压器高压侧（35KV侧）：
对2MW以下的风电机组，采用负荷开关与熔断器组合方式；对3MW容量及以上机组，采用真空断路器形式。
我们是1.5MW的风电机组，我们采用负荷开关与熔断器组合方式。
（2）风电机组升压变压器高压侧（0.69KV侧）：
风电机组低压侧（0.69KV侧）设备配置，应考虑风机供货商的技术要求，如风机总开关的配置等，并在与风电机组供货商签订的协议中确定。
3.4电缆选择
3.4.1690V电力电缆
根据下列公式：
则I=P/√3U≈1255A
通过查电缆选型手册，查得我们需要的电缆型号为：
风力发电专用ZC-FDEF（-25）-1*240mm²电力电缆。
3.4.235KV电力电缆
根据下列公式：
则I=P/√3U≈24.74A
通过查电缆选型手册，查的我们需要的电缆型号为：
YJV-26/35KV-1*50mm²
3.5风电场集电环节设计及电缆选择
本次我们的设计容量为49.5MW,对于1.5MW的风电机组，总共有33台风力发电机组，我们设计分为3组，每组11台。
3.5.1设计总则
风电场集电线路是将每台风电机组升压变压器高压侧电力通过线路汇集输送到风电场升压变电站。
其电压等级一般为35KV，主要采用架空线路和直埋电缆。
架空线是主要输送型式，在风景区、草原牧场、沿海滩涂等地宜采用直埋电缆输送形式。
当线路为架空线时，一般采用35KV的1*50mm²的担心电缆引至线路终端杆（塔）顶部，再T接到架空线上。
风电场分布区域广泛，既有山区、丘陵，又有平原、沿海滩涂。
按照集电线路工程标准地形条件分，可分为平地、河网泥沼、丘陵、山地和高山大岭五类，但从架空线路铁塔设计的影响来看，则可归纳为平地（含河网泥沼）和山区（含丘陵、山地和高山大岭）两大类。
电缆线路地形划分为陆河沿海滩涂两大类。
3.5.2集电线路架空线路
风电场容量一般为50MW（或其整数倍）左右，由几十台风机组成，由于受单回路输送容量及线路长度限制，架空集电线路一般采用2～3回线路输送。
为减少线路总长度、缩小线路走廊，山区及丘陵地带一般采用2个回路输送，平原及沿海滩涂地带可考虑3个回路输送。
采用2个回路输送，每回路输送容量25MW,导线截面一般用240mm²；采用3个回路输送，每回输送容量16.5MW，电线截面一般选用150mm²。
我们采用2个回路输送电量，分支输送容量16.5MW，导线截面一般选用95mm²。
3.5.3集电线路电缆选择
由于电缆上面连接的风电机组越多电缆的横截面积就越大，所以我们这里约定将风电机组4台看成一组，共用一根电力电缆，所以根据公式：
计算得出电缆的电流值：
I=272A
通过查电力电缆选型手册，所以得选择交联聚乙烯绝缘聚乙烯护套电力电缆：
YJLV/YJLY-26/35KV-1*95mm²
4.变压器的选择
主变的容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构，它的选择依据除了依据基础资料外，还取决于输送功率的大小，与系统联系的紧密程度。
另外主变选择的好坏对供电可靠性和以后的扩建都有很大影响。
总之主变的选择关系到待建变电站设计的成功与否，所以对主变的选择我们一定要全方面考虑。
既要满足近期负荷的要求也要考虑到远期。
4.1主变压器的选择原则
主变压器的台数和容量，应根据地区供电条件、负荷性质、用电容量和运行方式等条件综合考虑确定。
在有一、二级负荷的变电所中宜装设两台主变压器，当技术经济比较合理时，可装设两台以上的主变压器。
如变电所可由中、低压侧电力网取得足够容量的备用电源时，也可装设一台主变压器。
4.2主变台数确定
由原始资料可知，待建风力升压站，出线较少，且本期即为远景，所以考虑初期用一台主变，预留一台。
4.3主变压器容量确定
本工程是风力升压站，风力电站共33台1.5MW的风力发电机。
风力发电机共计49.5MW，风力升压站采用一台50MVA的变压器即可。
4.4变压器类型的确定
4.4.1相数的选择
变压器的相数形式有单相和三相，主变压器是采用三相还是单相，主要考虑变压器的制造条件、可靠性要求及运输条件等因素。
一台三相变压器比三台单相变压器组成的变压器组，其经济性要好得多。
当不受运输条件限制时，在330kV及以下的发电厂用变电站，均选用三相变压器。
同时，因为单相变压器组相对来讲投资大、占地多、运行损耗也较大，而不作考虑。
因此该风力升压站采用三相变压器。
4.4.2绕组形式
绕组的形式主要有双绕组和三绕组。
一般应优先考虑三绕组变压器，因为一台三绕组变压器的价格及所用的控制电器和辅助设备，比两台双绕组变压器都较少。
对深入引进负荷中心，具有直接从高压变为低压供电条件的变电站，为简化电压等级或减少重复降压容量，可采用双绕组变压器。
本待建风力升压站具有110kV,35kV两个电压等级，所以拟采用双绕组变压器。
4.4.3变压器中性点接地方式
主变侧中性点采用经隔离开关直接接地方式。
4.5主变选择结果
项目
参数
型式
三相双绕组油浸式有载调压风冷变压器
相数
3相
额定容量
50MVA
额定电压
115±8×1.25%/35kV
接线组别
YNd11
阻抗电压
Ud%＝10.5
冷却方式
ONAF
使用条件
户外式
5.站用电设计
站用电接线方式，因变电所在电力系统中所处的地位、变电站主接线和主设备的复杂程度、以及电网的特性而定。
而所用变压器和所用配电装置的布置，则常结合变电所主要电工构、建筑物的布置来确定。
5.1站用电系统
本站共需两个独立的站用电源，其中#1站用电源引自35kV母线上的站用接地变二次绕组。
根据站用电负荷统计结果（见表站用电负荷统计表），站用电容量为250kVA。
临时施工电源由站外10kV线路引接，施工电源变压器兼为#2站用变压器。
5.2站用变压器的选择
5.2.1站用电负荷统计表
序号
名称
额定容量（kW）
运行方式
统计负荷
（kW）
1
远动电源
5
经常连续
5
2
通信电源
5
经常连续
5
3
蓄电池充电电源
6
经常连续
6
4
二次设备室电源
10
经常连续
10
5
SVG控制柜电源
15
经常连续
15
6
主变端子箱
3.5
经常连续
3.5
7
事故切换屏
4
经常连续
4
8
消防稳压泵
11
经常连续
5.5
9
110kV线路断路器端子箱
3.5
经常连续
3.5
10
生产综合楼一层电源箱
20
经常连续
20
11
深井泵电源
3
不经常
0
12
消防水泵
60
不经常
0
13
SF6报警装置
2
不经常
0
14
移动式潜污泵
1.1
不经常
0
15
生活污水处理装置
7.5
不经常
0
16
消防泵房电动葫芦
4
不经常
0
小计P1（动力负荷）
77.5
1
110kV断路器加热
1.8
经常连续
0.6
2
35kV断路器加热
1.3
经常连续
1.2
3
暖通负荷
101
经常连续
101
小计P2（电热负荷）
102.8
1
生产综合楼照明
28
经常连续
28
2
户外照明
5
经常连续
5
3
35kV配电装置照明
2
经常连续
2
4
SVG控制室照明
4
经常连续
4
5
车库及备件库照明
4
经常连续
4
6
油品库照明
4
经常连续
4
7
消防报警电源
2.2
经常连续
2.2
8
图像监控电源
4.4
经常连续
4.4
小计P3（照明监视负荷）
53.6
合计S=0.85P1+P2+P3
222.3
选择变压器容量为250kVA
本工程站用电系统采用单母线分段接线，两路站用电源同时供电，分列运行，两段母线间不装设自动投切装置。
本站重要负荷分别接在两段母线上，以保证供电可靠性。
6．短路电流计算
6.1短路电流的意义
短路是电力系统中较常发生的故障。
短路电流直接影响电器的安全，危害主接线的运行。
为使电气设备能承受短路电流的冲击，往往需选用大容量的电气设备。
这不仅增加了投资，甚至会因开断电流不能满足而选不到符合要求的电气设备。
因此要求我们在设计变电站时一定要进行短路计算。
6.2短路电流计算的目的
在发电厂和变电站的设计中，短路计算是其中的一个重要容。
其计算的目的主要有以下几个方面：
⑴电气主接线的比较。
⑵选择导体和电器。
⑶在设计屋外高型配电装置时，需要按短路条件校验软导线的相间和相对地的安全距离。
⑷在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。
⑸接地装置的设计，也需要用短路电流。
6.3短路电流计算条件
6.3.1基本假定
⑴正常工作时，三相系统对称运行；
⑵所有电源的电动势相位、相角相同；
⑶电力系统中的所有电源都在额定负荷下运行；
⑷短路发生在短路电流为最大值的瞬间；
⑸不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；
⑹除去短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都略去不计；
⑺元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整围；
⑻输电线路的电容忽略不计。
6.3.2一般规定
⑴验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应本工程设计规划容量计算，并考虑远景的发展计划；
⑵选择导体和电器用的短路电流，在电气连接的网络中，应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响和电容补偿装置放电电流的影响；
⑶导体和电器的动稳定、热稳定以及电器的开断电流，一般按三相短路验算。
6.3.3短路电流的计算基础
系统阻抗:
（基准容量：
=100MVA）
升压变110kV出线侧远景系统阻抗（标幺值）为：
X1=0.0839X0=0.0896
6.3.4变压器规
1号主变压器：
型式：
三相双绕组有载调压变压器
容量：
50MVA
额定电压：
115±8×1.25％/35kV
阻抗电压：
=10.5%，
接线组别：
YNd11
电抗标幺值为：
*0.925=0.21×0.925=0.1943
6.3.5发电机出口箱变：
容量：
1.6MVA
=6.5%
则
×0.9=4.0625×0.9=3.6563
6.4短路电流计算：
正序、零序阻抗图如图一：
图一
6.4.1三相对称短路：
每台发电机提供的短路电流按正常工作电流7倍选择，则其值为
=7×1.5÷0.95÷0.69÷1.732=8.3467kA
0.69kV的基准电压为0.7245kV，基准电流为79.6918kA。
这时等效发电机的等效短路阻抗为：
=79.6918÷8.3467=9.5477
主变下接33台风力发电机，故最恶劣情况为所有发电机同时工作，把这些发电机等效为一个大的发电机，其在等效发电机和箱变的短路阻抗为:
=0.2919
（1）当d1点发生短路
正序网络如下图二
图二
计算电抗
电流标幺值
基准电流（kA）
电流有名值（kA）
110系统
0.0839
11.9190
0.5021
5.9845
等效发电机
0.4001
2.4994
0.5021
1.2549
总计
7.2394
（2）当d2点发生短路
正序网络如图1,可化简为图三。
图三
计算电抗
电流标幺值
基准电流（kA）
电流有名值（kA）
110系统
0.2782
3.5945
1.5605
5.6092
等效发电机
0.4001
2.4994
1.5605
3.9003
总计
9.5095
6.4.2不对称短路电流
（1）d1处发生短路
电流基准值
=100/（1.732×115）=0.5021kA
由图2可得其正序阻抗：
=0.0694
负序阻抗：
=0.0694
由图1可得d1处短路时其零序阻抗：
=0.0613
a．发生单相接地短路
正序电流的标幺值：
=4.9975
正序电流有名值：
=2.5092kA
单相短路电流：
=7.5276kA
b．两相短路
正序电流标幺值：
=7.2046
正序电流有名值：
=3.6174kA
两相短路电流：
=6.2653kA
c．两相接地短路
正序电流标幺值：
=9.7752
正序电流有名值：
=4.9081kA
两相接地短路电流：
=7.3660kA
6.4.3电容对短路电流影响
35kV线路电容电流计算：
35kV双回架空线路累计总长度L=0.9km
35kV直埋电缆段长度L=22.03km。
无功补偿装置、站变及接地变电缆长度为0.03+0.05+0.2=0.28km
电缆总长度为22.31km
根据电力工程电气手册一次部分P261~262页，计算单相接地电容电流:
线路电容电流：
IC1=1.13×1.6×3.3×UL/1000=1.13×1.6×3.3×35×0.9/1000=0.187A
电缆电容电流：
IC2=1.13×0.1×UL=1.13×0.1×35×22.31=88.23A
IC=IC1+IC2＝88.43＞10A
∴本期需要上消弧线圈和接地变压器
消弧线圈容量：
Ss=1.35×Un×Ic=1.35×35/√3×88.43=2412.5kVAUn为相电压
选用2500kVAXDJR-M-2500/35（电流围：
5～25A
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