风电场电气系统

,*,*,风电场电气系统,风电场主要一次设备,华能酒泉风电有限责任公司,风电场电气系统,2014,年,7,月,1.1,风力发电概述,风力发电,风力发电机组与电网的联系是通过,风电场中的电气部分,得以实现的。,1.2,电气和电气部分,电气部分,可以泛泛地理解为：由所有带电设备及其附属设备所组成的全部。,电气部分的一般组成：一次和二次部分。,电气一次部分：用于生产、变换、传输、分配和消耗电能的部分。,电气二次部分：对厂站内一次部分进行监视、测量、控制和保护,的部分。,1.2.1,电气的基本概念,1.2,电气和电气部分,1.2.2,电气部分的一般组成,风电场电气一次系统可以分为四个主要部分：,风电机组、集电系统、升压站及厂用电系统,风电机组,:,除了,风力机和发电机,以外，还包括,电力电子换流器,（亦即变频器）和对应的,机组升压变压器,（亦即箱变又称集电变）。,集电系统：,将风电机组生产的,电能按组收集起来,。分组采用,位置就近原则,，每组包含的风电机组数目大体相同。每一组的多台风电机组输出（经过箱变升压后）由电缆线路直接并联，汇集为一条,35KV,架空线路输送到升压站。,1.2,电气和电气部分,1.2.2,电气部分的一般组成,升压变电站：,主变压器将集电系统汇集的,电能再次升高,至到,330KV,接入电力系统。,厂用电：,包括维持风电场正常运行及安排检修维护等生产用电和风电场运行维护人员在风电场内的生活用电等，也就是,风电场内用电的部分,。,配电装置,实现了发电机、变压器、线路之间的,电能的汇集和分配,，这些设备的连接由母线和开关电器实现，,母线和开关电器的不同的组织连接,也就构成就了,不同的接线形式,。,1.2,电气和电气部分,1.2.3,电气部分的一般组成,上述设备运行的时候需要,消耗电能,，是作为耗电设备存在的，因此还需要装设相应的,直流电源设备,。,采用直流的好处是可以,利用蓄电池进行电能存储,。,在发电厂和变电站内二次设备由,控制电缆,连接构成了,功能不同的二次回路,。,2.1,电气主接线,2.1,接线形式,配电装置,实现了发电机、变压器、线路之间的,电能的汇集和分配,，这些设备的连接由母线和开关电器实现，,母线和开关电器的不同的组织连接,也就构成就了,不同的接线形式,。,风电机组,:,采用一机一变单元接线。,集电系统,：单母线分段,升压变电站,：单母线（干河口）、双母线（桥湾）,风电场电气系统,风电场主要一次设备,9,1,发电机,1,交流励磁双馈式感应风力发电机组,所谓,“双馈式”,是指，发电机的,定子绕组和转子绕组与电网都有电气连接,，都可以与电网之间交换功率。,双馈式风电机组的定子绕组与电网直接连接，,输出电压的频率可以通过转子绕组中的交流励磁电流的频率调节得以控制,。,换流器先将电网,50Hz,的交流电,整流,，得到直流电，再将该直流电,逆变,为频率满足要求的交流电，用于转子绕组的励磁。,10,2,变压器,2.1,变压器工作原理,2.1.1,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,11,2.2.2,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,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,1,、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。,12,2.2.3,调压方式与分接开关,很多变压器在运行时，可以实现对变比的调整，也即对电压的调整。,调压的实现，依赖于,绕组匝数的变化,，也就是,利用分接绕组来调整原边和副变的匝数比,。,调压的方式,有,无励磁调压和有载调压,2.2.4,变压器油,油浸式变压器的变压器油主要用于,散热和充当绝缘介质,。,变压器的有效冷却很重要。,对大多数变压器来说，矿物油是吸收铁心、绕组热量，并将其热量传递给自冷或风冷外表面的最有效介质，有时要借助强迫油循环方式。,在大多数电气设备中，有,大量不同部件处于不同电位之下,，因此需要将它们相互绝缘。变压器常常要在,高于额定电压下短时间运行,或者,耐受操作冲击和雷电冲击的瞬变过电压,。,13,2.2.5,油箱、储油柜与附属设备,在使用,储油柜,的结构中，可以将变压器主油箱的,油注到顶盖位置,，从而在需要时可以在顶盖上安装套管。但使用储油柜的最重要的特点在于，它可以,减小变压器油与大气的接触面积,，从而减小油的氧化速度和氧气在油中的溶解程度，而溶解在油中的氧气能缩短油的绝缘寿命。,带储油柜的变压器还可以使用,气体继电器,。气体继电器通常安装在,储油柜通向油箱的连管上,。,套管,是,将油箱内部的电气连接引出,的部件。,14,油位计,气体继电器,低压侧套管,压力释放阀,温度计（油）,温度计（绕组）,风扇,高压侧套管,套管,CT,放油阀门,吸湿器,15,2.2.6,变压器的散热,当变压器绕组中产生,电阻损耗和其它损耗,时，就要,产生热量,。必须要将这些热量传递到变压器油中，并,由变压器油带走,。,油循环方式,主要包括：,（,1,）,自然油循环，,利用油被加热后所产生的,温差压力,。,油在绕组内部被加热而上升，散热器中受到冷却而下降。,（,2,）,强迫（不导向）油循环，,使用油泵将冷却油从散热器中抽出并输送到绕组底部，然后再通过绕组导线,“,上部,”,和,“,下部,”,撑条所形成的垂直轴向油道循环。,（,3,）,强迫导向油循环,，油的冷却借助一些外部设备来实现,16,2.3,变压器型号表征,变压器型式多样。在设计和生产中往往需要使用型号来表示变压器的特征。,变压器型号的表征一般按下列规则：,17,2.3,变压器型号表征,其中关于型号描述的符号，参见下表：,相数,单 项,三 相,D,S,绕组外绝缘介质,油,空气,成型固体,G,C,冷却方式,自冷式,风冷,水冷,F,W,油循环,自然循环,强迫油导向循环,强迫油循环,D,P,绕组数,双绕组,三绕组,S,调压方式,无激磁调压,有载调压,Z,绕组耦合方式,自耦,分裂,O,设计序号是设计和生产厂家自定义的，不直接反映变压器本身的型式特征。,18,2.3,变压器型号表征,例,干河口,#2,主变和桥湾,#4,主变的型号为,SFPZ10-240000/330,对照上表可知，该变压器是,“,三相,”,变压器（,S,），绕组外绝缘介质是,“,油,”,（缺省），冷却方式是,“,风冷,”,（,F,），油循环方式是,“,强迫油循环,”,（,P,），绕组数为,“,双绕组,”,（缺省），调压方式为,“,有载调压,”,（,Z,）。,设计序号为,10,，表示该产品在同类产品系列中的设计序号。,“240000”,表示该变压器的额定容量为,240000kVA,，,“,330”,表示该变压器的高压绕组电压等级为,330kV,。,19,2.4,风电场中的变压器,桥湾,/,干河口风电场采用,二级升压,的结构。,在风电机组出口装设满足其容量输送的变压器将,690V,电压提升至,35kV,；在汇集后送至风电场中心位置的升压站，经过升压站中的升压变压器变换为,330kV,送至电力系统。,20,2.4,风电场中的变压器,风机出口的变压器,一般归属于风电机组，需要,将电能汇集后送给升压站,，也称为,集电变压器,升压站中的升压变压器,，其功能是,将风电场的电能送给电力系统,，因此也被称为,主变压器,为,满足风电场和升压站自身用电需求,，还设置有,场用变压器或所用变压器,21,3,开关设备,在电力系统生产运行中，电气设备的相互联系及生产方式的转换，由,开关电器的分合,来实现。开关电器的分合实现了,电路的有选择接通和断开,。,电力系统中的高压开关电器要复杂的多。常用的开关电器有,断路器、隔离开关、熔断器和接触器,，它们的功能各不相同。,22,3.1,断路器,断路器是电力系统不可缺少的主要,控制、保护设备,，是电力系统中最重要的开关电器，其作用为,切断电路,。,为了可以熄灭电路分合时所产生的电弧，断路器都装设有,灭弧装置,常用的断路器类型有：,油断路器、真空断路器和,SF6,断路器,等,23,3.1.1,真空断路器,（,1,）真空断路器的基本结构,真空断路器的结构与其它断路器大致相同，主要由,操动机构、支撑用的绝缘子和真空灭弧室,组成。,绝缘子,真空灭弧室,操作机构,定导电杆,静法兰盘,磁管,屏蔽罩,触头,磁管,波纹管,导向套,动导电杆,动法兰盘,(a),真空断路器结构原理图,(b),真空灭弧室剖面图,真空灭弧室的外壳由玻璃或陶瓷制成，动触头运动时的密封靠波纹管。,动、静触头的外周装有屏蔽罩,24,3.1.2,SF,6,断路器,（,1,）,SF,6,气体简介,六氟化硫（,SF,6,）,是目前高压电器中使用的,性能最优良的灭弧和绝缘介质,。,SF,6,常以,液态,保存于钢瓶中，,使用时减压放出呈气态冲入电气设备内,。,无色、无味、无毒，不会燃烧，化学性能稳定，常温下和其他材料不会发生化学反应。但在电弧的高温作用下，,SF,6,的分解物,SF,4,、,S,2,F,2,、,SF,2,、,SOF,2,、,SO,2,F,2,、,SOF,4,、,HF,等都具有强烈的腐蚀性和毒性。安装有,SF,6,电器的场所应装设合适的通风设备。,25,3.1.2,SF,6,断路器,（,2,）,SF,6,断路器基本类型,按照结构不同，,SF,6,断路器可分为,瓷柱式与罐式,两种。,罐式断路器的,灭弧室安装在与地电位相连的金属罐体内,。高电压下，每相需要将多个灭弧室串联装在同一罐体内。,瓷柱式断路器的,灭弧室装在绝缘支柱上,，通过串联灭弧室，并将它们安装在适当高度的绝缘支柱上，便可获得任意的电压额定值。,26,3.1.2,SF,6,断路器,（,3,）断路器操作机构,在断路器本体以外的机械操动装置称为,操动机构,，而操动机构与断路器动触头之间连接的部分称为,传动机构和提升机构,。,操动机构的,合闸能源从根本上讲是来自人力或电力,。还可转变为其它能量形式，如电磁能、弹簧位能、重力位能、气体或液体的压缩能等。,根据能量形式的不同，操动机构可分为,手动操动机构、电磁操动机构、弹簧操动机构、电动机操动机构、气动操动机构和液压操动机构,等。,27,3.1.2,SF,6,断路器,（,4,）风电场中的断路器及其操作机构举例,图为,风电场中常用的,35kV,真空断路器及其机构箱内部结构的 实物图,。,操作机构为弹簧机构，可以看到分合位置指示，弹簧压力表及手动分合按钮及接线端子排等基本元件。,28,3.1.2,SF,6,断路器,为,风电场升压变电站中,330kV,的,SF,6,断路器及其操作箱内部结构,。,220kV,以上需要分相操作，因此每相断路器都有操作箱及操作机构。,该断路器采用弹簧操作机构，可以看到相关的分合位置指示、,SF,6,压力指示、分合开关，接线端子等等。,29,3.2,隔离开关,隔离开关在电力生产中常被称为,刀闸,，是最常见的高压开关。,与断路器最根本的区别在于，它,没有专用的灭弧装置,，结构简单，因而,不能用来分合大电流电路,。,当电气设备需要检修的时候，由断路器断开电路，安装在断路器和电气设备之间的隔离开关再拉开，,在电气设备和断路器之间形成明显的电压断开点,，从而保证了检修的安全。,此外，隔离开关常用来进行电力系统运行方式改变时的,倒闸操作,。例如，发电厂或变电所中常见的倒母操作和旁带操作。,30,3.2,隔离开关,根据,安装地点,，隔离开关