風(fēng)電場電氣一次系統(tǒng)設(shè)計

唐益文 何貽春 湯騰蛟 莫旭杰

(南車株洲電力機車研究所有限公司 湖南 株洲 412001)

1.概述

風(fēng)電場電氣部分主要由一次部分(系統(tǒng))和二次部分(系統(tǒng))組成。電氣一次可分為4個主要部分:風(fēng)電機組、集電線路、升壓變電站、所用電系統(tǒng)。電氣二次分為風(fēng)力發(fā)電機組計算機監(jiān)控系統(tǒng)和變電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)。本文著重以某風(fēng)電場風(fēng)電機組電氣一次設(shè)計為例，結(jié)合電氣主接線等內(nèi)容對風(fēng)電場電氣一次從理論到技術(shù)進行了簡要闡述。

2.電氣一次系統(tǒng)設(shè)計

2.1 接入系統(tǒng)

本工程風(fēng)電場總裝機容量為40MW，安裝單機容量為2MW D110的雙饋異步型風(fēng)力發(fā)電機組20臺。本期風(fēng)電場內(nèi)建設(shè)110kV升壓變電站1座，配置一臺40MVA主變和兩臺50MVA主變及一回110kV出線，本期機組通過35kV集電線路接入風(fēng)電場升壓站35kV側(cè)。

2.2 電氣主接線

1. 風(fēng)電場電氣主接線 機組出口電壓為0.69KV，風(fēng)電機組與箱式變的接線方式采用一機一變的單元接線方式，配套選用20臺箱式變，其低壓側(cè)電壓與機組匹配選用0.69KV，高壓側(cè)35kV。箱式變就近布置在距離風(fēng)力發(fā)電機組塔基約25米的位置。

2. 升壓站電氣主接線 風(fēng)電場建設(shè)承載著向系統(tǒng)供電的任務(wù)，根據(jù)風(fēng)電場最終規(guī)劃方案，建設(shè)一座110kV升壓站，建成一臺40MVA主變壓器，經(jīng)GIS接入110kV母線，并通過110kV線路接入220kV變電站。升壓站低壓側(cè)為風(fēng)電場電源進線，電壓等級35kV。

2.3 主要電氣設(shè)備選擇

1.短路電流 短路電流計算是電氣設(shè)備選型、導(dǎo)體選擇、繼電保護整定和校核的基礎(chǔ)，其計算結(jié)果直接影響到電氣系統(tǒng)的安全可靠性和工程造價，將風(fēng)電場作為獨立系統(tǒng)進行短路電流的分析計算，通過對整個電氣系統(tǒng)中的組成元件進行合理的等值、簡化，在不改變其主要電氣特性的前提下，將復(fù)雜的電氣網(wǎng)絡(luò)簡化成為可供計算的電路模型。由于短路電流其實是指電力系統(tǒng)中相與相或相與中性點之間經(jīng)過電弧或小阻抗拉通的電路，這時流過導(dǎo)線的電流將比正常情況下流過導(dǎo)線的電流將增大幾十倍。對于箱式變低壓側(cè)，盡管電網(wǎng)低壓側(cè)變壓器的阻抗比電力系統(tǒng)高壓側(cè)的阻抗大很多，當(dāng)?shù)蛪弘娋W(wǎng)發(fā)生短路故障時變壓器一次端電壓下降幅度不大，如果阻抗不大時甚至可以忽略高壓電網(wǎng)的阻抗影響，但是對風(fēng)電機組來說，短路電流誤差過大會影響短路保護裝置的靈敏度及設(shè)備選型，尤其是電力電纜阻抗較大時，必須考慮系統(tǒng)電抗和電纜的阻抗。

2.箱式變選擇 風(fēng)電機組之間選址相對較遠(yuǎn)，為降低發(fā)電機回路的電能損耗、減少發(fā)電機回路動力電纜的長度和數(shù)量，根據(jù)接入變壓器的風(fēng)電機組的容量及一定超負(fù)荷的余量，同時，也需綜合考慮風(fēng)力發(fā)電機組的抗短路電流的能力，降低機端的短路電流，選擇的箱式變壓器的短路阻抗不宜過小。變壓器型號為S11-2500KVA/35KV,35+_2*2.5%/0.69KV,D yn11，ud=6.5%。

3.斷路器選擇 斷路器的選定與線路最大短路電流有直接關(guān)系，既要滿足技術(shù)要求，同時也要綜合考慮其經(jīng)濟性。技術(shù)要求除滿足器件本身參數(shù)（如電壓、電流、短路分?jǐn)嗄芰?、耐受電流、動穩(wěn)定電流、機械載荷、分合閘時間及絕緣水平等）外還需要充分考慮環(huán)境因素（如環(huán)境溫度、相對濕度、海拔高度、污穢等級）。

對于箱式變低壓側(cè)，斷路器的保護直接關(guān)系整個風(fēng)電機組的安全穩(wěn)定運行。低壓斷路器必須能過接收外部跳閘信號，對低壓側(cè)線路進行保護，根據(jù)P=2000KW,U=0.69KV及現(xiàn)場運行環(huán)境要求, 低壓斷路器其額定電流值In取1.5倍風(fēng)電機組出口額定電流I，I=P/1.732U=1674A，In=1.5I=2511A，選E3S2500R2500型4段式保護（過負(fù)荷保護、短延時過流保護、瞬時過流保護、接地故障保護）斷路器,額定技術(shù)參數(shù)為:Ue=0.69KV，Iu=2500A，額定極限短路分?jǐn)嚯娏鳛镮cu=100KA,額定短路接通能力Icm max=165KA，短時耐受電流(及時間)Icw=75KA(1S)/65KA(3S),固有分閘時間t=0.08s，滿足設(shè)計需求。

2.4 電力電纜

所有的工程的電氣設(shè)計系統(tǒng)中，電線電纜是不可或缺的，合理的選擇電力電纜及其敷設(shè)方式不但能提高電氣系統(tǒng)安全性，減少事故隱患，也可以降低工程造價成本，使整個系統(tǒng)更加優(yōu)化。

實際敷設(shè)環(huán)境下單根電纜能夠承受的載流量，與很多因素有關(guān)，不同敷設(shè)方式下載流量不盡相同。因此電纜載流量根據(jù)電纜的運行環(huán)境和敷設(shè)方式，需要對其進行修正。

對于單根電纜：電纜在溫度下的載流量應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)溫度時電纜載流量乘以溫度修正系數(shù)K1，當(dāng)環(huán)境溫度超過25℃時再打9折。

K1=[(T1-Tn)/(T1-T0)]

T1：導(dǎo)體允許運行最高溫度

T0：導(dǎo)體運行標(biāo)準(zhǔn)溫度，取25℃

化驗結(jié)果要等兩個半小時。兩個半小時對妻子來說，就是一年時間，就是十年時間。省立醫(yī)院位于鬧市區(qū)，離步行街不遠(yuǎn)，離百貨商場也不遠(yuǎn)。大姐說，我倆不要在這里傻等化驗結(jié)果，不如先上街逛一逛？過去妻子去大姐家，就算不買東西都要上街逛一逛。逛街要有一副好心情，此時此刻妻子哪里都不想去。妻子說，要逛街你去逛，我在這里等化驗結(jié)果。

Tn：導(dǎo)體運行環(huán)境實際溫度。

根據(jù)目前所選型的電力電纜技術(shù)規(guī)范要求：導(dǎo)線工作溫度以最高90度計算，環(huán)境溫度按最高50度，此時的修正系數(shù)為K1=[(90-50)/(90-25)] =0.784，環(huán)境溫度超過25℃，則實際的修正系數(shù)為K1=0.784*0.9=0.706。

以實際工程2000KW電力電纜敷設(shè)方式采用每相取一根即三根非同相電纜緊扎敷設(shè)計算，在空氣中成品字型敷設(shè)，此種情況下根據(jù)空氣中并列電纜敷設(shè)的修正系數(shù)K2=0.8，總修正系數(shù)K=K1*K2=0.706*0.8=0.564；埋地并行敷設(shè)，此種情況下根據(jù)土壤中并列電纜敷設(shè)的修正系數(shù)取K3=0.85，總修正系數(shù)K=K1*K3=0.706*0.85=0.6，綜合考慮各方因素，經(jīng)核算，低壓側(cè)推薦選用16根型號YJV22-240mm2的交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套鎧裝電力電纜進行埋地敷設(shè)接至箱式變電站。

2.5 風(fēng)電機組自用電系統(tǒng)

風(fēng)電機組的自用電源取自箱式變低壓側(cè)，箱式變低壓側(cè)設(shè)置1臺干式變壓器，作為箱式變自用電電源（如照明、檢修、加熱、低壓用電負(fù)荷電源）及風(fēng)電機組的自用電電源。干式變壓器一次側(cè)電壓0.69KV，二次側(cè)電壓0.4KV，容量按照箱式變自用電容量及風(fēng)電機組自用電容量進行選取。

2.6 照明系統(tǒng)

照明設(shè)計按照標(biāo)準(zhǔn)GB50034的規(guī)定進行，設(shè)備設(shè)置正常照明和應(yīng)急照明，采用三防熒光燈。正常照明電源為交流220V，應(yīng)急照明兼作正常照明用，當(dāng)交流電源斷電時能自動切換到蓄電池電源。

2.7 過電壓保護和接地系統(tǒng)

變電站具有良好的接地系統(tǒng)，為防止沿線路侵入的雷電波對設(shè)備造成的危害，在變電站內(nèi)設(shè)置避雷器，并聯(lián)合構(gòu)成對屋外配電裝置的防直擊雷保護，設(shè)置以水平接地網(wǎng)和垂直接地的復(fù)合接地網(wǎng)，其接地網(wǎng)與風(fēng)電機組的接地網(wǎng)進行良好的搭接，組成的共同接地網(wǎng)應(yīng)保證其工頻接地電阻不大于4Ω。

風(fēng)電機組設(shè)備按照風(fēng)電機組防雷標(biāo)準(zhǔn)《IEC61400-24風(fēng)力發(fā)電機組雷電保護》進行設(shè)計。外部保護主要防止直接雷擊造成的損壞，內(nèi)部保護主要防止因直接或間接雷擊造成的電位差所引起損壞。將外部防雷和內(nèi)部防雷措施整體統(tǒng)一考慮，機組整體通過水平接地環(huán)電極和垂直接地極構(gòu)成接地系統(tǒng)，并與基礎(chǔ)中的鋼筋連接，利用鋼筋作為自然接地體，機組通過采取接閃、引流、接地、屏蔽、等電位搭接、鉗位、降阻、電氣隔離、合理布線等現(xiàn)代防雷技術(shù)，可對風(fēng)電機組葉片、機艙、塔筒等進行防雷保護，等電位搭接的銅線截面積不小于50mm2，接地系統(tǒng)的接地電阻應(yīng)不大于4Ω。

3.結(jié)束語

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，不僅具有巨大的經(jīng)濟效益和潛力，同時也是對保護環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展道路提供了有力的支撐?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】

[1] 風(fēng)力發(fā)電場設(shè)計技術(shù)規(guī)范DL5383-2007.

[2] 中國船級社. 風(fēng)力發(fā)電機組規(guī)范[Z].北京：2008,6