風電場35 kV系統(tǒng)電氣二次設計陳俊佑

閆書佳

摘要：35 kV系統(tǒng)是風電場電能傳輸?shù)闹匾虚g環(huán)節(jié)。現(xiàn)結(jié)合實際案例，從系統(tǒng)功能、繼電保護、計算機監(jiān)控、電能計量、設備選型等多方面對35 kV系統(tǒng)電氣二次回路設計方案進行了詳細介紹，該方案達到了系統(tǒng)功能齊全、操作便捷、安全可靠的目標。

關(guān)鍵詞：風電機組;開關(guān)柜;繼電保護;監(jiān)控;計量

0 引言

隨著社會經(jīng)濟高速發(fā)展，電能成為最重要的二次能源，電能供應的穩(wěn)定性問題受到社會廣泛關(guān)注。近年來，風力發(fā)電在電力行業(yè)中所占比例越來越高。

風電場由風電機組和配套升壓變電站組成，本文結(jié)合實際工程案例，針對風電場內(nèi)35 kV中壓系統(tǒng)電氣二次回路進行優(yōu)化設計，以提高35 kV中壓設備在保護、監(jiān)控和測量過程中的安全性和穩(wěn)定性。

1 35 kV中壓系統(tǒng)概況

風電場內(nèi)風機采用一機一變的方式在風機出口處經(jīng)0.69/35 kV箱變升壓至35 kV，每6～7臺風機（總?cè)萘考s25 MW）串接組成一回集電線路后，接入升壓站35 kV開關(guān)柜，升壓站內(nèi)安裝1臺容量為120 MVA的220/35 kV升壓變壓器。35 kV側(cè)采用單母線接線方式，母線上共接入4面風機組進線（約100 MW）開關(guān)柜，即1面無功補償進線開關(guān)柜、1面站用變進線柜、1面主變35 kV側(cè)出線柜、1面母線設備柜，另外設置1套35 kV無功補償裝置。站內(nèi)35 kV系統(tǒng)接線如圖1所示。

目前電力開關(guān)柜的二次回路沒有形成標準化設計，根據(jù)相關(guān)國家規(guī)范和項目需求，本工程在設計過程中以實現(xiàn)下列功能為主：

（1）保護功能：電力設備在運行過程中，會出現(xiàn)過負荷、短路、超溫等不同類型故障，為盡可能減少損失，二次回路設計中需考慮全面、安全、可靠的保護措施。

（2）監(jiān)控功能：風電場運行過程中，需對所有電氣設備狀態(tài)進行實時監(jiān)控，包括電壓、電流、頻率、無功功率、溫度等。

（3）五防功能：為防止運維人員誤操作，保障人身和設備安全，需設置一套完善的五防系統(tǒng)。

（4）計量功能：作為追求經(jīng)濟效益的工程，需對所發(fā)電量進行精確統(tǒng)計。

2 35 kV系統(tǒng)供電回路

風電機組配套35 kV箱變內(nèi)二次設備電源采用AC220 V，由箱變自帶690/380 V降壓變壓器及UPS提供，保證系統(tǒng)在斷電情況下持續(xù)運行2 h以上。

變電站二次設備電源采用DC220 V供電方式，35 kV開關(guān)柜內(nèi)設置兩回DC220 V小母線，一回作為儲能電源給斷路器跳閘機構(gòu)供電，另一回作為控制電源給柜內(nèi)保護測控裝置、智能操控裝置、多功能電表、五防設備、交換機等供電。另設置一回AC220 V小母線，給柜內(nèi)加熱、照明設備供電。

各小母線電源引自站內(nèi)交直流一體化電源系統(tǒng)，每回進線雙套配置，設置在小母線兩端所在開關(guān)柜內(nèi)，兩路電源進線分別引自兩面不同的直流或UPS饋電屏，兩路電源進線空開設置連鎖關(guān)系，同一時刻只能有一只空開處于合閘位置。

3 35 kV系統(tǒng)繼電保護

3.1 ? ?風電機組側(cè)升壓變繼電保護

風機配套0.69/35 kV箱式升壓變35 kV側(cè)裝設SF6負荷開關(guān)-限流熔斷器組合電器作為短路保護。升壓油浸全密封變壓器配瓦斯、壓力釋放、油溫等非電量保護，用于跳閘和發(fā)信號。

3.2 ? ?升壓站內(nèi)繼電保護

升壓站內(nèi)35 kV風機進線回路、無功補償進線回路和站用變回路選用南瑞科技NSP788-R型保護測控裝置，分別安裝于各開關(guān)柜內(nèi)，裝置采集柜內(nèi)保護級（5P30）CT二次側(cè)電流和母線PT二次側(cè)電壓用于內(nèi)部計算分析。裝置合閘、跳閘出口分別接斷路器操作機構(gòu)的合閘、跳閘回路，采用斷路器機構(gòu)自帶的防跳回路，取消保護裝置防跳功能，同時柜內(nèi)配置遠方/就地轉(zhuǎn)換開關(guān)和斷路器操作把手，實現(xiàn)開關(guān)柜的遠方和就地手動分合閘功能。35 kV主變出線回路與主變高側(cè)合用保護裝置，雙套配置，分別選用南瑞科技NSR-378S型和深圳南瑞PRS-778型保護裝置，35 kV側(cè)電流和電壓取自柜內(nèi)保護級CT和母線PT。35 kV母線保護選用南瑞科技NSR-371型保護裝置，單獨組屏安裝，取母線上各開關(guān)柜內(nèi)保護級CT電流和母線電壓用于母線差動保護。各保護回路跳閘開入和動作方式如下：

（1）35 kV風機組進線保護。主要包括電流速斷保護，瞬時動作于跳閘;過電流保護，帶時限動作于跳閘;過負荷保護，帶時限動作于信號;零序過流I段保護，瞬時動作于跳閘;零序過流II段保護，延時動作于跳閘。

（2）35 kV站用變保護。主要包括電流速斷保護，瞬時動作于跳閘;過電流保護，帶時限動作于跳閘;零序過流保護，I段短延時動作于跳閘，II段帶時限動作于跳閘;站變低壓側(cè)中性點零序電流保護，帶時限動作于跳閘;過負荷保護，延時動作于發(fā)信號;本體保護，變壓器高溫報警、超溫跳閘。

（3）35 kV無功補償回路保護。主要包括電流速斷保護，瞬時動作于跳閘;過電流保護，帶時限動作于跳閘;過負荷保護，延時動作于發(fā)信號;本體保護，動作于跳閘和發(fā)信號。

（4）35 kV母線保護。35 kV母線設單套母線保護，動作于跳母線上各35 kV開關(guān)。

（5）主變35 kV側(cè)后備保護。35 kV主變低側(cè)設置雙套保護，包括時限速斷過流保護：設兩個時限，經(jīng)短延時跳開本側(cè)分段斷路器，第二時限跳本側(cè)斷路器;復合電壓閉鎖過流保護：設兩個時限，第一時限跳開本側(cè)斷路器，第二時限跳開主變壓器各側(cè)斷路器;零序電流保護：延時動作于跳各側(cè)斷路器;過負荷保護：動作于發(fā)信號。

4 計算機監(jiān)控系統(tǒng)

4.1 ? ?風電機組監(jiān)控系統(tǒng)

風電機組監(jiān)控系統(tǒng)主要由中央監(jiān)控層、風機現(xiàn)地監(jiān)控層及場內(nèi)通信設備構(gòu)成。中央監(jiān)控層配置服務器、操作員站、打印機及后臺監(jiān)控軟件等，現(xiàn)地監(jiān)控層配置風電機組主控及偏航系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)、箱變監(jiān)控系統(tǒng)等。

箱變內(nèi)配置NSA6110型號箱變智能監(jiān)控裝置，主要用于監(jiān)測35 kV側(cè)三相電壓、電流、高壓負荷開關(guān)狀態(tài)信號和油溫、油位、壓力釋放閥壓力等非電量信號，監(jiān)控信息經(jīng)RS485信號發(fā)送至機組現(xiàn)地主控系統(tǒng)。機組監(jiān)控系統(tǒng)在風場內(nèi)采用光纖以太環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，本工程共25臺風機，根據(jù)集電線路分組情況，以4個光纖子環(huán)接入升壓站內(nèi)的機組中央監(jiān)控系統(tǒng)，通信傳輸介質(zhì)采用48芯單模ADSS光纜，路徑與場內(nèi)35 kV集電線路相同。

4.2 ? ?升壓站內(nèi)計算機監(jiān)控系統(tǒng)

升壓站內(nèi)計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用雙以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，主要由站控層、間隔層和網(wǎng)絡設備構(gòu)成。站控層配置主機兼操作員工作站、遠動工作站、公用接口裝置等，其中主機、遠動機雙套配置，實現(xiàn)對站內(nèi)全部電氣設備可靠、合理、完善的監(jiān)視、測量和控制，并具備遙測、遙信、遙調(diào)、遙控等全部遠動和時鐘同步功能，具有與電網(wǎng)調(diào)度中心和業(yè)主遠程集控中心交換信息的能力。

35 kV系統(tǒng)監(jiān)控處于間隔層網(wǎng)絡，各35 kV間隔內(nèi)測控與保護一體化設備，完成就地數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測和斷路器控制等功能。主變低側(cè)單獨配置測控裝置，選用南瑞科技NSD500M3型號，與主變高壓側(cè)測控裝置組屏安裝。在母線設備柜內(nèi)配置2臺以太網(wǎng)交換機，接入站控層的雙以太網(wǎng)交換機，采集間隔層測控數(shù)據(jù)并上送至站控層。開關(guān)柜內(nèi)配置智能操控裝置，選用ER-K500型號，具備開關(guān)狀態(tài)顯示、溫濕度控制、高壓帶電顯示和閉鎖控制等功能，快捷、方便地對開關(guān)柜進行監(jiān)視和操作。

5 五防系統(tǒng)

35 kV中壓系統(tǒng)主要采用就地五防措施。各35 kV開關(guān)柜內(nèi)斷路器與母線接地手車設置電氣閉鎖，防止在母線接地情況下合斷路器;斷路器手車與各自斷路器及柜內(nèi)地刀之間設置電氣閉鎖，防止線路帶電或接地情況下推入手車;地刀與手車和智能操控裝置設置電氣閉鎖，防止手車在工作位或負荷側(cè)帶電情況下合地刀;開關(guān)柜后門與地刀或智能操控裝置設置電氣閉鎖，防止帶電情況下開后門;母線接地手車與各開關(guān)柜內(nèi)斷路器手車和母線帶電顯示器設置電氣閉鎖，在其他各柜內(nèi)斷路器手車均處于試驗位且母線不帶電的情況下方可推入接地手車。

6 電能計量系統(tǒng)

機組側(cè)在箱變內(nèi)690 V進線處安裝數(shù)顯電壓表和電流表，用于就地測量。

升壓站內(nèi)配置一套電能計量系統(tǒng)，用于采集和處理全場的電能量信息并向電力調(diào)度主站傳送。35 kV側(cè)在風機進線柜、無功補償進線柜、站用變進線柜、主變35 kV出線柜內(nèi)分別配置一只威盛DTSD341型號的0.2S級三相四線制多功能電表，采集信息包括各計量點的正向有功電度、負向有功電度、正向無功電度、負向無功電度、帶時標的單點信息等。計量用PT采用0.2級、30 VA，CT采用0.2S級、10 VA。

7 結(jié)語

35 kV中壓系統(tǒng)是風電場電能轉(zhuǎn)換的樞紐，本文在系統(tǒng)保護、監(jiān)控、計量等方面做了統(tǒng)一規(guī)劃和設計，力求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，在保證功能完整的前提下，降低系統(tǒng)的復雜度，提高系統(tǒng)可靠性，為風電場的穩(wěn)定運行提供保障。

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收稿日期：2020-02-05

作者簡介：陳俊佑（1988—），男，河南鄭州人，工程師，主要從事電力工程設計及研發(fā)工作。