风电场升压站电气系统设计.docx

1、风电场升压站电气系统设计 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

2、，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 1.5MVA352x2.5%/0.69kV风力发电机 1.5MW共三回1.1.2建设预期新疆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

3、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K252海拔m25003太阳辐射强度W/cm20.14污秽等级5覆冰厚度mm106风速/风压m/s / Pa35/7007湿度日相对湿度平均值%95月相对湿度平均值908耐受地震能力（水平加速度）m/s20.2g1.2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

4、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

5、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

6、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2.3.1 110kV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

7、中性点接地方式：中性直接接地方式。2.3.2 35kV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，35

8、kV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。生产厂家广东明阳风电产业集团有限公司总容量49.5MW轮毂高度65米单机容量1500kW额定功率kw1500叶轮直径m8

9、2.7切入风速m/s3切出风速(10 分钟平均值)m/s25额定风速m/s10.5抗最大风速（3s 均值）m/s70设计寿命年20叶轮及叶片叶片长度m40.25叶片材料玻璃纤维增强树脂叶轮转速rpm17.4扫风面积m25320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 v690额定电流 A1169额定转速 rpm1720额定频率Hz50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，

10、内齿控制系统控制柜 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 认证规范防雷措施 电气接地、叶尖和叶片中部接闪等风力发电机组接地电阻4塔架类型 钢制锥筒高度 m65表面防腐喷漆防腐重量机舱 吨64叶轮 吨 353.2箱式变压器的选择3.2.1 35kv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。

11、 =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1500 kW，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（122.5%）/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

12、维护。 设计依据参照变电所初步设计内容深度规定、国家电网公司输变电工程初步设计内容深度规定、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

13、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3.4.1 690V电力电缆根据下列公式： 则I=P/3U1255A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*240mm电力电缆。3.4.2 35KV电力电缆根据下列公式：则I=P/3U24.74A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*50mm3.5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

14、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*50mm 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内陆河沿海滩涂两大类。

15、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23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240mm；采用3个回路输送，每回输送容量16.5MW，电线截面一般选用150mm。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95mm。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

16、，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*95mm4.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

17、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

18、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

19、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11581.25%/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

20、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52通信电源5经常连续53蓄电池充电电源6经常连续64二次设备室电源10经常连续105SVG控制柜电源15经常连续156主变端子箱3.5经常连续3.57事故切换屏4经常连续48消防稳压泵11经常连续5.59110kV线路断路器端子箱3.5经常连续3.510生产综合楼一层电源箱20经常连续2011深井泵电源3不经常012消防水泵60不经常013SF6报警装置2不经

21、常014移动式潜污泵1.1不经常015生活污水处理装置7.5不经常016消防泵房电动葫芦4不经常0小计P1 （动力负荷）77.51110kV断路器加热1.8经常连续0.6235kV断路器加热1.3经常连续1.23暖通负荷101经常连续101小计P2 （电热负荷）102.81生产综合楼照明28经常连续282户外照明5经常连续5335kV配电装置照明2经常连续24SVG控制室照明4经常连续45车库及备件库照明4经常连续46油品库照明4经常连续47消防报警电源2.2经常连续2.28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 +P3222.3选择变压

22、器容量为250 kVA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内容。其计算的目的主要有以下几个方面： 电气主接线的比较。 选择

23、导体和电器。 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。 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。 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 正常工作时，三相系统对称运行； 所有电源的电动势相位、相角相同； 电力系统中的所有电源都在额定负荷下运行； 短路发生在短路电流为最大值的瞬间； 不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流； 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； 元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围； 输电线路的电容忽略不计。6.3.2一般规定

24、 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； 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； 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=0.0839 X0=0.08966.3.4变压器规范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：11581.25/35kV 阻抗电压：=10.5%，

25、 接线组别：YNd11电抗标幺值为：*0.925=0.210.925=0.19436.3.5发电机出口箱变： 容 量：1.6MVA =6.5%则0.9=4.06250.9=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=71.50.950.691.732=8.3467kA0.69kV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：=79.69188.3467=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

26、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0.083911.91900.50215.9845等效发电机0.40012.49940.50211.2549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0.27823.59451.56055.6092等效发电机0.40012.49941.56053.9003总计9.50956.4.2不对称短路电流（1） d1处发生短路电流基准值=100/(1.

27、732115)=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：=0.0613a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：=7.5276kAb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：=6.2653kAc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：=7.3660kA6.4.3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=0.9km35kV直埋电缆段长度

28、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P261262页，计算单相接地电容电流:线路电容电流：IC1=1.131.63.3UL/1000=1.131.63.3350.9/1000=0.187A 电缆电容电流：IC2=1.130.1UL=1.130.13522.31=88.23AIC=IC1 +IC288.4310 A 本期需要上消弧线圈和接地变压器消弧线圈容量：Ss=1.35UnIc=1.35 35/3 88.43=2412.5kVA Un为相电压选用2500kVA XDJR-M-2500