49.5MW风场电气方向毕业设计

摘 要我国风能资源丰富，在能源极度紧缺的今天，风力发电不但是解决我国能源和电力供应短缺最现实的战略选择，也是改善和优化电力能源结构的要求。同时，开发和使用风力发电这种清洁可再生能源，也是保护大气环境、改善生态环境的迫切需要，符合二十一世纪人与自然和谐可持续发展战略的目标要求。本设计根据设计要求及结合工程实际需要，以现实中投产的49.5MW风电场为原型，对电气系统进行整体设计。主要包括风电机组的选型和整体布局，箱式变电站的选型，220KV升压站的设计以及电气设备的选型，其中涵盖升压站主接线、短路电流计算、电气二次设备选型、电气二次设备配置、升压变电站整体布局、无功补偿、监控系统配置等方面。设计完成后的风电场将会成为电力系统的一个重要的组成部分，为社会输送清洁的电能。关键词：风力发电机组 电气设备 无功补偿 电力系统 AbstractWind energy resources are rich in our country, in todays extreme shortage of energy, wind power is not only to solve the energy and power supply shortage in Chinas strategic choice, is to improve and optimize the structure of electric energy requirements.Wind power at the same time, the development and use of this kind of clean and renewable energy, and protect the atmospheric environment, improve the ecological environment is an urgent need to conform to the 21st century the human and the nature harmonious and sustainable development strategy goals and objectives.This design according to the design requirements and to meet the needs of practical engineering, production of 49.5 MW wind farm in reality as the prototype, the overall design was carried out on the electrical system. Mainly includes the selection of wind turbines and the overall layout, selection of box-type substation, the design of 220 KV booster stations and electrical equipment selection, which covers the main booster station wiring, short-circuit current calculation, electrical equipment selection, electrical equipment, step-up substation general layout, the reactive power compensation, monitoring and control system configuration, etc. After the completion of the design of wind farm will become an important part of power system, conveying clean electricity for the society.Keywords：Wind turbine Electrical equipment Static var compensation electric system 目 录前 言1第一章 绪论21.1 中国能源现状21.2 设计任务31.3 设计的目的及意义3第二章 风电机组选型与布置42.1 风能资源42.2 机组选型72.3 风电机组布置10第三章 风电机组与箱式变电站接线方案及35KV集电线路设计123.1 箱式变电站主要设备选型123.2 风电机组与箱式变电站接线方案设计143.3 集电线路15第四章 220KV升压站整体设计方案174.1 电气一次部分174.2 电气二次部分27第五章 无功补偿装置345.1 无功补偿方式选择345.2 无功补偿的计算35第六章 风电场接入电力系统设计方案386.1 设计原则386.2 电力系统现况386.3 风电场并网后在系统中作用396.4 接入系统设计39第七章 过电压保护及接地427.1 升压变电所的过电压保护及接地427.2 风电场内电气设备的过电压保护和接地42第八章 总结43参考文献44致 谢45附录46前 言本设计采用绿色能源风能，并在设计中采用先进可行的节电、节水及节约原材料的措施，能源和资源利用合理，设计中严格贯彻了节能、环保的指导思想，技术方案和设备、材料选择、建筑结构等方面，充分考虑了节能的要求，减少了线路投资，节约了土地资源，并能够适应远景年风电场建设规模和地区电网的发展。大规模发展风力发电，不但是解决我国能源和电力供应短缺最现实的战略选择，也是改善和优化电力能源结构的要求。同时，开发和使用风力发电这种清洁可再生能源，也是保护大气环境、改善生态环境的迫切需要，符合二十一世纪人与自然和谐可持续发展战略的目标要求。可见，风力发电场的建设是十分必要的，也是势在必行的。主要包括风电机组接线、箱式变电站接线、集电线路接线、升压变电站接线，短路电流计算、电气一次设备选择、电气二次设备配置，升压变电站布置、无功补偿配置、监控系统配置等方面问题进行设计，对风电场进行整体规划，了解和掌握风电场电气系统的设计过程，巩固风电场相关专业知识，了解国家关于风电场设计与运行管理的相关规程规范，提高综合分析问题与解决问题的能力，同时为以后从事风电行业相关工作打下基础。建设风力发电场既能够改善生态环境、又能获得较好的经济收益，同时也具有显著的社会效益，是十分必要的。第一章 绪论1.1 中国能源现状风能是一种洁净、可再生的一次能源，风力发电是一种不消耗矿物质能源、不污染环境、建设周期短、建设规模灵活、具有良好的社会效益和经济效益的新能源项目。随着人们对环境保护意识的增强，以及国家有关部门对风力发电工程项目在政策方面的扶持，风力发电在我国得到了迅猛发展。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭约占商品能源消费构成的76%，已成为我国大气污染的主要来源。大力开发太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等新能源和可再生能源利用技术将成为减少环境污染的重要措施之一。“十一五”期间我国在能源领域将实行的工作重点和主要任务是首先加快能源工业结构调整步伐，努力提高清洁能源开发生产能力。以风力发电、太阳能热水器、光电、大型沼气工程为重点，以“设备国产化、产品标准化、产业规模化、市场规范化”为目标，加快可再生能源开发。煤炭燃烧向大气中排放的二氧化硫、氮氧化合物、一氧化碳、烟尘等环境污染严重威胁全省经济发展和人民生命健康。发展可再生能源，提高风电、小水电、光伏电源等可再生能源在能源消耗中的比例是内蒙古自治区能源结构、加强环境保护的必然选择。风能被誉为二十一世纪最有开发价值的绿色环保新能源之一。我国是风能蓄量较丰富的地区，但是风能资源利用工作开展的较为缓慢，随着经济水平的不断提高，人类对环境的保护意识逐渐增强，人们更注重生存质量，开发绿色环保新能源成为能源产业发展方向，作为绿色环保新能源之一的风力发电场的开发建设是十分必要的。同时风电的开发，特别是风电设备的国产化能拉动、促进本地的机械、电器、制造业、服务业及相关产业的快速发展。通过“市场换技术”的合作方式，可以获得国外风电现代化技术，迅猛提升本省风电设备的制造水平和生产能力。大规模发展风力发电，不但是解决我国能源和电力供应短缺最现实的战略选择，也是改善和优化电力能源结构的要求。同时，开发和使用风力发电这种清洁可再生能源，也是保护大气环境、改善生态环境的迫切需要，符合二十一世纪人与自然和谐可持续发展战略的目标要求。可见，风力发电场的建设是十分必要的，也是势在必行的。1.2 设计任务本设计以现实中的华能内蒙古科右中旗高力板风电场一期（49.5MW）工程为原型，对49.5MW风电场电气系统进行设计。主要包括风电机组接线、箱式变电站接线、集电线路接线、升压变电站接线，短路电流计算、电气一次设备选择、电气二次设备配置，升压变电站布置、无功补偿配置、监控系统配置等方面问题进行设计，对风电场进行整体规划，了解和掌握风电场电气系统的设计过程，巩固风电场相关专业知识，了解国家关于风电场设计与运行管理的相关规程规范，提高综合分析问题与解决问题的能力，同时为以后从事风电行业相关工作打下基础。建设风力发电场既能够改善生态环境、又能获得较好的经济收益，同时也具有显著的社会效益，是十分必要的。1.3 设计的目的及意义本风电场工程装机容量49.5MW，每年可为电网提供电量1.148亿kWh。与目前的燃煤火电厂相比，按消耗标准煤363.06g/kw.h计，每年可为国家节约标准煤4.167万吨；按消耗纯净水4L/kw.h计，每年可节水45.9万吨。同时还可极大的节约建设火电厂所需要的永久征地和灰渣储存所用的土地。与目前的火力发电厂相比，若烟尘排放量按6.2g/kWh计，SO2排放量按30g/kWh计，NOX排放量按15g/kWh计，CO2排放量按997g/kWh计，灰渣排放量按119.45g/kWh计。则本期风电工程减少的污染物排放量：烟尘7117.7吨/年，SO23444吨/年，NOX1722吨/年，CO211.5万吨/年，灰渣排放量1.371万吨/年。本风电场工程的建设，不仅具有明显的环境效益和节能效益，而且随着工程的建设，该区域将出现新的人文景观，改善了区域的面貌，美化了环境，对水土保持将有积极地促进作用。风电场的建设可以节约煤炭等一次能源及水资源，减少各类污染物的排放量，降低发电机组的运行成本，本工程的建设属清洁能源，有明显的环境效益。因此，该项目建成后，不仅提供电力，减少污染，节约资源，有着积极的社会、环境意义，而且具有偿债能力，资本金财务内部收益率较好，项目在经济效益、社会效益和环境效益诸方面均可行。第二章 风电机组选型与布置2.1 风能资源科尔沁右翼中旗（简称科右中旗）位于内蒙古自治区兴安盟西部，大兴安岭南端，旗南部为松嫩平原的西缘。地处东经11934-12218，北纬4415-4641，东邻吉林省通榆县、洮南市和突泉县，南接通辽的科尔沁左翼中旗，西与通辽扎鲁特旗交界，西北与锡盟东乌珠穆沁旗、通辽的霍林郭勒市相连，北与科尔沁右翼前旗相邻。旗人民政府驻地白音胡硕镇，东北距乌兰浩特市160公里，南距通辽市200公里。拟建的华能内蒙古科右中旗高力板风电场一期工程位于科右中旗东南方向50km处。科右中旗属北温带亚干旱大陆性季风气候区。春秋风大，天气多变，夏季短促温热。日照充足，冬季严寒漫长。气温：年平均北部l，白音胡硕以南5-6，7月气温最高，平均23.1，1月最低平均-13.7，极端最高气温42.5(2007年6月10日，白音胡硕镇)。极端最低气温-30.9(1980年1月16日，白音胡硕镇)。生长期：年日均7.5的持续日数为200天左右，无霜期由北向南87-145天。日照时数3000-3200小时，年日照百分率为71，年日均7.1的气温持续日数220天。降水量：多年平均降水量388.3毫米，极端最高降水量586.5毫米(1969年)，极端最低降水量233.4毫米。夏季雨水集中，占全年降水量的75，秋季占15，春季占9.4，冬季占0.6。根据科右中旗气象站多年逐月平均风速资料统计， 1980年平均风速最大（4.9m/s），1900年风速最小（3.7m/s）。风速最大月份（1月）风速为5.5m/s，最小月份（8月）为2.6m/s，差值2.9m/s。春季和冬季风速较大，夏季风速较小，风速变化明显，具有较强的季节性变化。风电场区域内共设了3座测风塔，通过对1#测风塔30m高度测风数据进行订正，通过风切变推算70m高度年平均风速为7.67m/s，年有效风速（3m/s25m/s）时数为8196h，平均风能密度为472W/m2。风电场区域的代表年50m、60m、65m、70m、80m、85m高度的风速分别为7.11m/s、7.51m/s、7.54m/s、7.67m/s、7.82m/s、7.92m/s，相应的风功率密度分别为342 W/ m2、443 W/ m2、449 W/ m2、472 W/ m2 、454 W/ m2、472W/ m2；由1#塔所计算代表年风功率密度达到3级，风资源较丰富，具有很大的开发潜力；风电场场址内地形平坦，风功率密度变化不大，65m高度50年一遇最大风速为31.00m/s，70m高度的50年一遇最大风速为31.02m/s。科右中旗风电场所处地区属于风能资源丰富区，年平均风速4.15米/秒，多西北风，八级以上大风年均达到20天左右，4、5级以上风日年均达到280天300天左右。旗内有220kV主干线和一次变电所，风电场建设投产后可就近并网送电、建设风力发电场的条件十分优越。根据科右中旗气象站1977-2006年30年逐月平均风速资料统计（表2.2历年平均风速，表2.3多年逐月平均风速），多年平均风速为4.15m/s，1980年平均风速最大（4.9m/s），1990年风速最小（3.7m/s）。表2-1 科右中旗气象站历年平均风速变化表年份平均风速(m/s)年份平均风速(m/s)19774.419923.919784.219934.019794.519944.119804.919954.219814.619964.119824.119974.219834.419983.819844.219994.119854.220004.019864.120014.319874.220024.019884.720033.819894.120044.019903.720054.119913.920063.7根据科右中旗气象站多年风向资料，多年平均风速频率分布表2-2和多年平均风向玫瑰图2-1如下。表2-2 科右中旗气象站多年平均风向频率分布表（单位：%）风向NNEESESSWWNWC频率177258463515图2-1 科右中旗气象站多年平均风向玫瑰图从图2-1中可以看出，科右中旗气象站多年风向频率出现最多的方向为NW，相应频率为35。测风塔风向频率和风能密度方向分布基本一致：测风塔代表年70m高度主导风向均为NW、NNW，其次为SSW和S，风能密度最大方向70m为NW，其中主导风向上，NW和NNW所占频率70m为14.2%、11.95%；风能方向上，NW和NNW所占频率70m为26.83%、17.14%。风电场内测风塔代表年70m高度的风向和风能密度方向分布见图2-2。 70m代表年风向玫瑰图 70m代表年风能玫瑰图图2-2 风电场70m风向、风能玫瑰图2.2 机组选型2.2.1 风电机组选型要考虑的几个因素1、风轮输出功率控制方式风轮输出功率控制方式分为失速调节和变桨距调节两种。两种控制方式各有利弊，各自适应不同的运行环境和运行要求。从目前市场情况看，采用变桨距调节方式的风电机组居多。2、风电机组的运行方式风电机组的运行方式分为变速运行与恒速运行。恒速运行的风电机组的好处是控制简单，可靠性好。缺点是由于转速基本恒定，而风速经常变化，因此风力发电机组经常工作在风能利用系数(Cp)较低的点上，风能得不到充分利用。变速运行的风电机组一般采用双馈异步发电机或多极永磁同步发电机。变速运行方式通过控制发电机的转速，能使风力机的叶尖速比接近最佳，从而最大限度的利用风能，提高风力发电机组的运行效率。3、发电机的类型发电机的类型包括异步发电机、双馈感应型发电机和多极永磁同步电机。风力发电机大多采用普通的异步发电机，正常运行中在发出有功功率的同时，需要从电力系统吸收一定的无功功率才能正常运行(机端的电容补偿只能减少从电力系统吸收无功功率的数量)。双馈感应型风力发电机的功率因数(cos)可以在+0.95-0.95之间变化，也就是说可以根据电网的需要发出或者吸收无功功率，改善当地电网的电压质量，提高电力系统的稳定水平。采用多极永磁同步发电机的风力发电机组，其发电机是外转子型，转子位于定子的外部，电机的尺寸和外径相对较小，重量轻，易于运输。4、风力发电机组的传动方式风力发电机的传动方式包括齿轮传动方式与无齿轮箱直驱方式。目前，风力发电机大多采用齿轮传动，成本较低，但是降低了风电转换效率、产生噪音，是造成机械故障的主要原因，而且为了减少机械磨损需要润滑清洗等定期维护。采用无齿轮箱的直驱方式提高了电机的设计成本的同时有效地提高了系统的效率以及运行可靠性。2.2.2 单机容量和机型选择根据科右中旗（一期49.5MW）风电场位置地形、地质特点、风资源分布情况，以及风力发电机组技术成熟、先进、可靠等要求，选择多种适合的机型，按单一机型方案进行风力发电机组的优化布置。国内外风电场工程的经验表明，在风电场地形平坦、交通便利，风电机技术可行、价格合理的条件下，单机容量越大，越有利于充分利用风电场土地，越能充分利用风电场的风力资源，整个项目的经济性就越高。然而，在现有的经济和技术条件下，对于一个已知的风电场，单机容量选择在某个确定的范围内，项目的经济性会相对较高。在进行单机容量选择时，首先应确定一个适合于本项目的容量范围，然后在该范围内选择一种技术成熟、市场业绩良好并且经济性较高的机型。根据目前国内外风电机市场的现状以及国内已建风电场的装机情况，并考虑华能科右中旗（一期49.5MW）风电场工程的风能资源、地形和交通条件，同时考虑本项目的本地化率的要求和风机安全风速、湍流强度等要求，初步选择WTG-750、WTG-850、WTG-1000、WTG-1250、WTG-1500和WTG-2000风电机组进行比选。这6种风机的主要参数见表5.1。以上6种机型均为3个叶片，额定功率7502000kW，风轮直径5080m，切入风速2.84m/s，切出风速2025m/s，额定风速12.316m/s，安全风速50.170m/s，轮毂高度6070m。表2-3 比选机型的主要参数表产品型号技术参数WTG750WTG850WTG1000WTG1250WTG1500WTG2000风轮直径(m)5058566477.480扫风面积(m2)1963.526422462321746575027转速(r/min)21.714.5-30.82522.118.39.0-19.0功率调节定浆距变浆距定浆距变桨距变浆距变桨距切入风速3.5342.834额定风速14161512.31115切出风速252125232025安全风速7052.56050.551.059.5发电机型式三相异步发电机六极异步发电机4级感应异步发电机双馈异步发电机双馈异步发电机双馈异步发电机容量(kW)7508501000125015002000电压(V)690690690690690690功率因数0.991.00.99-10.971.01.0频率(Hz)50齿轮箱传动比1：70.0221:61.741：67.81:52.91：104.11:100.5刹车系统主刹车系统叶尖气动变桨刹车刹车夹碟气动刹车变桨刹车盘式刹车第二刹车系统机械刹车盘式刹车刹车闸盘式刹车盘式刹车液压机械控制系统控制系统开环控制闭环控制闭环控制闭环控制闭环控制闭环控制塔架形式钢制锥筒高度(m)606570687067750kW机组，适合安装在地形复杂的风电场，国外这类机组已开始慢慢退出风电机市场。国内生产这个级别风电机的有新疆金风和浙江运达。850kW级机组，由于这类机组技术成熟，并有良好的运行业绩，适合场地条件较差和运输困难的中、小风电场，在市场上仍有一定的空间和潜力。这个级别的风电机组在国内安装数量较多。1000kW级以上机组，这类机组在技术上比较成熟，适合于交通运输方便、场地比较平坦的风电场，在国外风电机市场所占份额较大。在风电技术领域，风电机的类型主要是依据其调节技术的不同而区分的，目前的风电机市场，主要有定桨距和变桨距两种，变桨距的调节技术主要有：滑差、变桨、变速、变频以及双馈等。定桨距风电机构造简单，调节方式简便，结构结实牢固，中小型机组采用较多，适合安装在风况复杂的风电场，但大型风电场使用定桨距风机，在小风或无风的情况下，突然发生大风，将对电网产生冲击，必须引起足够的重视；变桨距较定桨距风电机重量轻，构造复杂，可根据风速的变化调节以获得较多电量，MW级机组大多采用变桨、变速、双馈等先进技术。2.2.3 不同机型发电量计算对风电场风电机组初步布置后，可以利用测风资料对不同种类机型进行发电量计算。考虑风力发电机组发电量的一系列折减因素，对风电场上网电量进行计算。其中：风电场空气密度为1.225kg/m3，修正系数为1.000，除尾流外，其他折减暂按28.50%计算。理论发电量统一采用1.225kg/m3的功率曲线计算。通过计算得到下表所示的各种风机的一系列指标。表2-4 风电机组机型选择的上网电量指标表项目单位WTG-750WTG-850WTG-1000WTG-1250WTG-1500WTG-2000单机容量kW7508501000125015002000台数台675850403325装机容量MW50.249.3505049.550轮毂高度m606570687067风轮直径m5058566477.480理论发电量亿kWh1.4191.7241.4071.5791.7081.513理论等效小时数h282434972814315834503026尾流折减后亿kWh1.3131.6011.3241.4931.6051.441密度折减后亿kWh1.3131.6011.3241.4931.6051.441其他折减后亿kWh0.9391.1450.9471.0671.1481.030等效上网利用小时h186923231894213423192060从上表可以看出，WTG-1500机型的风电机组年上网电量1.148亿kWh，等效利用小时2319h，指标最优；WTG-850机型年上网电量为1.145亿kWh，等效利用小时2323h；WTG-1250机型年上网电量为1.067亿kWh，等效利用小时2134h；WTG-2000机型年上网发电量为1.030亿kWh，等效利用小时2060h；WTG-1000机型年上网电量为0.947亿kWh，等效利用小时1894h；WTG-750机型年上网电量为0.939亿kWh，等效利用小时1869h。单纯从发电量指标来看，WTG-1500风机最优，WTG1-850次之，WTG-750和WTG-1000较低。本设计最终选择华锐科技的SL1500-77型号的风力发电机组。2.3 风电机组布置华能科右中旗（一期49.5MW）风电场场址内地形较平坦，地势起伏不大，但是有一定的防风林，也有季节性积水洼地，在风机排布时要充分考虑这些环境因素。考虑到风电场区域内主能风向是以NW向为中心的扇 形，为了充分利用风电场的规划面积，减小风力发电机组之间的相互影响，最大限度利用风能资源，尽量将风力发电机组排布在风电场范围内的地势较高处，并且离开防风林一定距离。风电场内风电机组的布置及每台风电机组发电量的计算，主要依靠的Windfarm优化软件计算完成。影响该软件计算成果的有：粗糙度、障碍物的大小；地形文件数字化、复杂地形处理的精度；风电机组功率曲线、推力系数的准确性；机组的排布等因素。对科右中旗风电场而言，上述诸多因素中，关键的因素是粗糙度及边界条件。风机的一般布置原则按下述方法确定：首先根据风向和风能玫瑰图确定主导风向，而后遵循在盛行风向上按照机组间距59倍以上风轮直径，垂直于盛行风向上35倍以上风轮直径的方式。对于比较平坦的风电场场区，这种布置比较适合，可以减少风电机组之间的尾流影响，保证比较合适的尾流折减。但考虑到本风电场地表自然植被状况比较复杂，有许多防护林不能布置风机。所以风机布置的时候要考虑如下因素：（1）风力发电机组垂直于主导风能方向排列；（2）充分利用风电场的土地；（3）控制尾流、满足风电机组之间行、列距的要求，在主导风向上要求机组间隔（行距）59倍风轮直径，在垂直于主导风向上要求机组间隔（列距）37倍风轮直径；（4）综合考虑风电场地形、地表粗糙度、障碍物等，将其影响降到最低；考虑风电机组之间的相互影响后尽量缩短机组之间的距离，从而减少集电线路的长度；因此，风轮直径是决定风机间距的主要因素之一。图2-2 风电场WTG-1500机组最终优化布置图第三章 风电机组与箱式变电站接线方案及35KV集电线路设计3.1 箱式变电站主要设备选型首级升压站选用35kV箱式变压器33台，每台箱式变压器内均附带有高压熔断器，负荷开关、避雷器等元件作箱变的开断和过电流及防雷保护。（a）为了使户外变压器安全可靠地运行和安装施工的简便，风电场选用美式箱式变电站。美式箱变与欧式箱变比较，具有价格低，运行灵活、操作方便、免维修、价格性能比优越等优点。虽然体积大，但对于边远地区来说，不是问题。美式箱式变可将变压器器身、开关设备、熔断器等设备均安装在同一密闭的箱体内与外界环境完全隔离，不受外部环境的影响。其操作部分在高压室进行。箱变安装在基座上，箱体下设电缆沟，电缆从箱体的预留孔进出高低压室。箱式变压器选用油浸式三相双绕组自冷式无励磁调压节能升压变压器，参数如下：型号：BS-1600； 额定容量：1600KVA；电压：35/0.69KV； 短路阻抗： 连接组标号：D，yn11。（b）0.69KV断路器主要参数如下：选择型号：ZN5-10/630额定电压：10KV 额定电流：630A来断电流：20KA 合闸时间：0.1S热稳定电流有效值: 20KA（2S）动稳定电流有效值: 20KA 热稳定校验：设备允许通过的热稳定电流和时间，以此校核热稳定性是否满足要求： 动稳定校验：设备允许通过的动稳定电流峰值以及有效值，以此校核动稳定性是否满足要求：或 经校核断路器的热稳定和动稳定满足要求。（c）35KV油浸式负荷开关+熔断器组合为了节省投资，箱式变电站35KV高压侧装设熔断器和负荷开关，负荷开关采用进口设备，具有快速弹簧操作机构，用于终端型变压器。负荷开关浸在变压器油里，采用绝缘操作杆来操作负荷开关，可免维护。 每台箱式变的高压侧装有插入式全范围保护熔断器，作为箱变过载和短路故障的保护元件。熔断器浸在变压器油里，采用绝缘操作杆钩住熔断器操作孔拉出熔断器管或插入熔断器管。 选择型号：FZRN-40.5/T630-31.5（d）35KV避雷器电气设备的绝缘配合基于避雷器的保护水平，设备所承受的大气过电压由避雷器来限制，即选用设备的绝缘水平取决于避雷器保护性能。氧化锌避雷器的非线性伏安特性优越，且没有串联间隙，保护性能好，故采用氧化锌避雷器。 避雷器持续运行电压的计算如下：由于金属氧化物避雷器没有串联间隙，正常工频相电压要长期施加在金属氧化物电阻片上。为保证使用寿命，长期施加于避雷器上的运行电压，不得超过避雷器允许的持续运行电压。35KV：持续运行电压U38.5KV，选取40.8KV。型号：LW9-63额定电压（有效值）：63KV最高工作电压：72.5KV额定电流：2500A额定开端电流：31.5KA额定动稳定电流：80KA额定热稳定电流：31.5KA/4S（e）1KV动力电缆 采用聚氯乙烯绝缘低卤、阻燃、耐火型钢带铠装电力电缆。风力发电机组与箱式变电站之间采用1KV低压电缆直埋敷设连接。导体截面的计算：负荷距=功率长度=15000.02=30KV/KM根据“铜线：每千瓦截面积8 mm2”铝线 308=240 mm2 实际选用300 mm2校核：回路最大持续工作电流：查询电力电缆选择手册可知：一根ZRC-YJV22-3300型号的电缆载流量是560A，3根载流量为1680A，符合要求。经计算，发机组与箱式变电站之间经计算采用3根1KV的ZRC-YJV22-3300电缆能满足要求。电缆穿过风电机组基础时，采用穿埋管敷设。 （f）风机塔基自用变压器风机塔基自用变压器选用SG-3000VA690/400V三相干式隔离变压器，适用于工矿企业、发电站、机场等场所，供照明、电气设施及小型动力电源使用。主要参数如下：型号: SG-3000VA额定容量: 3000VA 额定电压: 690/400V联接组标号: Dyn0 3.2 风电机组与箱式变电站接线方案设计风电场安装33 台1500KW 的风力发电机组，配用33台箱式变电站，构成风力发电机变压器组单元接线方式（一机一变），单元接线具有电能损耗少、接线简单、操作方便，任何1台风电机组故障不影响其它风电机组运行等优点。箱式变电站选用美式箱式变电站，箱内变压器容量为1600KVA，每台箱式变电站均布置在距风电机组约20m 左右的位置，以限制风电机组至箱式变电站的联结电缆不致很长，减少损耗。经计算采用3 根1KV 的ZRC-YJV22-3300电缆能满足要求。风电机组与箱式变压器电气接线方案设计见图3-1。图3-1 风电机组与箱式变压器电气接线图3.3 集电线路本工程风电场33台风电机组分为3个集电单元，每单元集11回风电机-箱式变压器组输出。为减少箱式变电站至风电场220KV 变电所的回路数，根据风电机组和箱式变电站的位置，以及架空线走向，对风力发电机组进行了分组，每11台风电机箱式变电站为1集电线路组，共分3组。每组内的各台箱式变电站高压侧均采用并联接线方式，每组的容量均为16.5MW。为简化集线线路形式、运行与检修方便，风电场集线线路仅采用架空线形式。（1）机组之间的电缆选用铜芯的交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆，因为机组与机组连接过程中通过电缆的电流不断增加，选择的横截面积不断增大。选用铜芯的交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆，因为机组与机组连接过程中通过电缆的电流不断增加，选择的横截面积不断增大。回路最大持续工作电流：查询电力电缆选择手册可知：YJV22-35-350 mm2的载流量是160A；YJV22-35-395 mm2的载流量是260A；YJV22-35-3120 mm2的载流量是300A；YJV22-35-3240 mm2的载流量是485A。所以选择三芯截面积为95 mm2的电缆。选择型号：YJV22-35-350 mm2 YJV22-35-395 mm2YJV22-35-3120 mm2 YJV22-35-3240 mm2（2）箱变高压侧与架空线路连接由箱变高压侧至架空线间电力电缆规格为：YJV22-35-3240 mm2，总长度约2010m。由架空线路终端杆至变电所35KV开关柜间电力电缆规格为：YJV22-35-3240mm2，总长度约900m。 （3）架空线路电缆选用钢芯铝绞线 电缆截面积为240mm235kV架空线路导线型号为：LGJ-240，总长度约为41km。 校核: 回路最大持续工作电流：查电力电缆相关手册，标准截面240 mm2的钢芯铝绞线所承受的电流为640A左右，符合要求，总长度约为75km。 图3-2 每条集电线内各台箱式变电站接线方式图第四章 220KV升压站整体设计方案4.1 电气一次部分4.1.1 电气主接线本工程为49.5MW风电场设计为一期工程，为以后风电场扩建二三期做准备，所以主接线方式采用单母线分段方式接线。主变压器进线间隔中，一期工程将建成1回，预留1回，为以后扩建所用。35KV侧采用单母线分段接线方式，户外式安装。风电机组箱式变共分3组（每组11台风机）接入风电场220KV升压站的35KV侧母线。35KV母线经低压侧开关连接主变压器。站用变连接35KV母线为风电场生活生产供电。无功补偿装置连接在35KV母线上，为电网提供无功功率。采用220KV电压经T型接线方式送入电网。布局清晰合理，成本低，日常倒闸操作方便可靠。35KV系统单相接地电容电流大于10A。全场35KV集电线路单相接地电容电流为15.98A，该电流产生间歇熄灭引起间歇电弧过电压，根据规范要求，应对35KV系统进行消弧消谐补偿。本次设计采用XHGQ-35-50型消弧消谐装置，抑制或消除谐波电流。以提高电网运行的安全性和供电可靠性。主变中性点接线方式 主变压器220KV侧为有效接地系统，220KV中性点经隔离开关接地，配置有并联的中性点避雷器及放电间隙。主变压器35KV绕组的接线组别选择为d11接线,中性点不引出。 4.1.2 主要电气设备的选择风电场的电气系统是由许多的电器元件、导体连接而成，在短路过程中它们表现出来的电气特性各不相同，因此短路电流计算是电气设备选型、导体选择、继电保护整定和校验的基础，其计算结果将直接影响到电气系统的安全可靠性和工程造价,短路故障主要是各种相间短路。发生短路时,电力系统从正常的稳定状态过渡到短路的稳定状态，一般需35秒。在这一暂态过程中，短路电流的变化很复杂。它有多种分量，其计算需采用电子计算机。在短路后约半个周波将出现短路电流的最大瞬时值，称为冲击电流。它会产生很大的电动力，其大小可用来校验电气设备在发生短路时机械应力的动稳定性。4.1.2.1 风电场电气设备短路类别（1）风机为异步电机，当系统短路时，风机出口电压大幅下降，风机的无功电源是通过自身的补偿电容器提供的，如果系统电压降低，则无功来源大幅度下降，风机出口电压将进一步降低直至崩溃，没有了励磁磁场则风机无法发电。风机设有快速保护，低电压或过流都会很快地动作，即风机不具备低电压穿越能力。但是，系统侧将向风机出口0.69kV侧短路点提供短路电流。根据风机厂家的要求，当出口侧发生短路故障时为降低系统提供给故障点的短路电流，选择的变压器阻抗电压都比较大。因此风场的实际运行情况是若风机出口侧发生短路，相连的风电机将退出运行，而系统侧经过箱式变压器向故障点提供短路电流。（2）集电线路及主变高压侧短路 风电场中，风电机组采用一机一变的单元接线，当35KV集电线路或升压站内某点发生短路故障时，把每个风力发电机和箱式变压器看成电源与阻抗的组合，并经集电线路连接至35KV母线上。风机作为同步机考虑，向各短路点提供短路电流。此时，计算出的短路电流可能偏大，但做工程设计时，按此短路电流所选择的设备对风场系统的安全、稳定运行有更大积极作用。4.1.2.2 具体分析（1）风电场概况：风电场规划容量为49.5MW，安装单机容量为1500KW的双馈异步风力发电机组33台。风力发电机出口电压为0.69KV，每台风机配置1台箱式变电站，采用一机一变接线形式，箱变内装设1600KVA升压变压器，箱变出口电压为35KV，33台风机分成3组，经3回集电线路(35KV电缆线路)接入风电场220KV变电站35KV母线侧。风场变电站内设里一台KVA的升压电力变压器，升压至220KV接电力系统。（2）计算参数：风电机组参数： 额定容量Sg:1500KW 功率因数cos:0.98 次暂态阻抗Xd:14.11%箱式变压器： 额定容量Sb: 1600KW 短路阻抗Ud: 4.5%主变压器： 额定容量Sb: 100MW 短路阻抗Ud: 14%基准容量： Se：100MW基准电压： 电缆型号及参数： YJV22-35-370 YJV22-35-390 YJV22-35-3120 YJV22-35-3240 由于风电场内风机和集电线路数较多，电网的等效、化简工作较大，且每台风电机组及线路的短路情况不尽相同。我们选取三个典型的短路点；d1点220KV母线d2点35KV母线d3点箱变变压器低压侧（3）短路电流计算系统电抗：当系统容量为无穷大时，系统的电抗为0 架空线路电抗：箱变低压侧短路电流:冲击电流峰值：35KV母线侧短路电流：冲击电流峰值：220KV母线短路电流：冲击电流峰值: 根据接入系统数据分析,经过短路电流计算，风场升压变电站接入电力系统后，电网短路水平不大，不影响相关变电站的设备选型。依据导体和电器选择设计技术规定DL/T52222005，根据2010年最大运行方式下三相短路电流计算结果进行电气设备选择。依据系统专业提供的远期最大运行方式下系统阻抗，经计算短路电流为：风电场220kV变电所220kV侧设备的短路电流水平按40kA进行电气设备选择，35kV侧设备的短路电流水平按31.5kA进行电气设备选择如下。4.1.2.3 220KV侧主要电气设备（1）主变压器风电机组发电时，潮流是从风电场到电网；风电机组不发电时，潮流是从系统倒送场用电，电压的波动较大，另外，为了检修和运行方便，拟采用一台油浸三相双卷风冷有载调压升压变压器。根据风电场本期装机49.5MW的规模，考虑集电线路、箱变、主变、场用电负荷等电能消耗，进一步考虑到风电场最大利用小时数不高，以及风电场主变压器与发电机组的配置经验，本工程主变压器选用三相、双绕组、低损耗（10型）、低噪音、有载调压和自冷型电力变压器。技术参数如下：型号：SFPZ10/35；容量：kVA；电压组合：23081.25%/36kV；联接组标号：Yn, yn0,d11；阻抗电压：Uk=14%；数量：1台；变压器中性点经接地刀和放电间隙接地；在主变的高、低压侧套管内配置套管型电流互感器。风电场的规划装机规模为198MW，共四期，每期49.5MW。并考虑另一二期共用一台主变压器，为满足后期建场需要，节约成本，特选KVA主变压器将风场的全部容量送往系统。（2）220KV断路器220kV 断路器选用户外交流高压瓷柱式SF6 断路器，该断路器开断性能高，能可靠地开断出线端短路、失步、近区故障；灭弧室结构简单、可靠，维修方便；寿命长，操作力小；占地面积小，噪音水平低，检修周期长，维护工作量少，现场安装时间短，操作安全可靠，维护方便。选用的SF6 断路器技术参数为：型号：LW-252/2500额定电压：220kV最高工作电压：252kV额定频率：50Hz额定电流：2500A额定开断电流：40kA关合电流：100kA额定短时耐受电流及时间：50kA(2S)额定峰值耐受电流：100kA操作机构 弹簧操作机构热稳定校验：设备允许通过的热稳定电流和时间，以此校核热稳定性是否满足要求： 动稳定校验：设备允许通过的动稳定电流峰值以及有效值，以此校核动稳定性是否满足要求：或 经校核断路器的热稳定和动稳定满足要求。（3）220KV隔离开关:本工程220kV隔离开关采用两种隔离开关，一种是“剪刀式”隔离开关，从220KV母线接下连接电流互感器，另一种选用三柱、水平双断口隔离开关，另一端接电网。“剪刀式”隔离开关主刀闸为电动操作机构，接地刀闸为手动机构，技术参数如下：型号：GW4-252额定电压：220kV；额定电流：1250A；最高工作电压：252kV；额定冲击耐压：（峰值）对地950kV；断口间1050kV；额定工频耐压：（有效值）对地395kV；断口间 460kV；额定短时耐受电流及时间：50kA、3S；额定峰值耐受电流：100kA。三柱、水平双断口隔离开关主刀闸为电动操作机构，接地刀闸为手动机构。（单接地1组，双接地1组）技术参数如下： 型号： GW7-252D/2500额定电压: 220kV 额定最高工作电压: 252kV 额定电流: 2500A 额定峰值耐受电流: 125kA 额定短时耐受电流: 50kA (3s) 接地开关: 单接地/双接地（4）220KV电流互感器用油浸式电流互感器在运行中有漏油现象，尤其在日温差较大的地区，本设计采用户外式电流互感器。型号：LB7-220W1 额定电压：220kV 额定最高工作电压：252kV 额定电流比：3006001200/1A级次组合： 0.2S/0.5/ 5P30/5P30/5P30/5P30/ 5P30/5P30额定输出：20VA （5）220KV电压互感器 型式：户外、单相、单柱式、微正压全密封、SF6户外型电容式电压互感器。型号：TYD-220/3-0.005H型电容式电压互感器变比：/0.1kV-220kV出线电压互感器选用电容式电压互感器。 型号： WVB-220/3-0.001H额定电压比：/0.1kV-准确级：0.5/0.2/3P/3P电容量：0.005F（6）220KV避雷器设计采用氧化锌避雷器型式 : YH10W-204/520额定电压: 204kV持续运行电压（有效值）： 146kV操作冲击电流残压不大于（峰值）：442kV 标称冲击电流残压不大于（峰值）：520kV爬电比距（mm/kV）：254.1.2.4 35KV侧主要电气设备35kV室外配电装置选型主要包括断路器、隔离开关、电流互感器、避雷器等设备的选型。 （1）真空断路器 型号：ZN-35/1250额定电压： 35kV 最高工作电压：40.5kV 额定频率： 50Hz 额定电流： 1250A 额定开断电流： 16kA 额定关合电流： 40kA 额定短时耐受电流及时间： 16kA/2S 额定峰值耐受电流：40kA 热稳定校验：设备允许通过的热稳定电流和时间，以此校核热稳定性是否满足要求： 动稳定校验：设备允许通过的动稳定电流峰值以及有效值，以此校核动稳定性是否满足要求：或 经校核断路器的热稳定和动稳定满足要求。（2）电流互感器型号：LCW-35 额定电压：35kV 额定最高工作电压：40.5kv 额定电流比：10002000/1 级次组合：5p30/5p30/5p30/0.5/0.2s （3）隔离开关 型号：GW4-35W额定电压：35KV 额定电流：1250A热稳定电流峰值：31.5KA（4S） 动稳定电流峰值：80KA（4）避雷器型号：LW9-63额定电压：63KV 最该工作电压：72.5KV额定电流：2500A 额定断开电流：31.5KA额定动稳定电流（峰值）:80KA 4S热稳定电流：31.5KA（5）PT柜a.电容式电压互感器型号：RXQ-35额定电压比：/准确级：0.2/0.5/3Pb.隔离开关型号：GW4-35W额定电压：35KV 额定电流：1250A热稳定电流峰值：31.5KA（4S） 动稳定电流峰值：80KA（6）35kV及10KV场用变压器场用变有两个变压器，一台是正常生产工程中为风电场日常用电的场用变压器（400V/35KV），另一台是前期施工或成产过程中发生紧急情况