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1.引言根据任务书的设计要求以及结和工程的实际情况,此次设计为风电场电气部分设计工程分为四期,单期工程为,本次设计以一期工程为例本期工程选用风力发电机,共用33台每台风力发电机采用1600kVA的升压变压器,将出口电压690V升至35KV并送入35KV集电线路中通过架空线路将电送入风电场110KV升压变电站中本次设计是在康文彪老师的精心指导下制作完成的康老师知识渊博严谨认真,善于调动学生的积极性,喜欢捕捉新鲜事物以及研究方向在设计思路上给了我很大的帮助和指引此次设计让我懂得了风力发电厂电气部分设计的基本方法和思路培养了我查找资料、计算绘图、分析等能力在老师的指引下独立完成任务在此,我对老师表达由衷的感谢和深深的敬意
2.风力发电厂电气设计的主要内容内容背景在社会和经济的不断发展和建设中,能源的消耗也在不断的加重煤,石油,天然气是人类赖以生存的主要能源这些能源都是不可再生资源为了解决这类能源问题必须积极发展新能源,坚持可持续发展风力资源具有良好的开发前景,利用风力发电等开发风力资源能很好的解决一系列能源问题,对保护环境具有重要意义风力发电是目前为止全世界增长最快的能源开发,风力发电的装机容量每年保持超过20%的增长速度截止2020年底,全球的风电的装机容量能够达到1200GW足以保证约5000万的普通家庭或者是9500万的居民的用电需求德国,丹麦以及西班牙是世界上风力资源开发和发展最好的3个国家德国风力发电已经占该国总发电量的3%丹麦的风力发电超过总发电量的12%现在全世界大约已经有55多个国家加入了风力发电的队伍,大约参与风电行业的就业员工已有20万人我国的风力资源富饶,大概可开发的风力资源有20亿千瓦时,内陆及近海的经比较各项指标均满足要求表6-2-3母线接地开关经比较各项指标均满足要求35KV母线短路由短路电流计算可知024冲击电流I=
1.8/二ch0最大持续工作电流1600I=
1.05U=
1.05-=——二maxN335周期分量热效应(3s)G+ioG+GQ—
024123.322+
1.942+
1.892Q=3=尸12根据设计的具体情况,35KV侧采用高压开关柜室内布置方式型号如下:表6-3-1型手车式交流金属封闭高压开关柜经比较各项指标均满足要求表6-3-2型手车式交流金属封闭高压开关柜设备名称电流互感器的选择形式选择
1、35KV以下屋内配电装置的电流互感器根据安装使用条件采用瓷绝缘结构或树脂浇注绝缘结构
2、35KV及以上一般采用油浸式瓷箱式绝缘结构的独立式电流互感器
3、一次额定电流选择
①当电流互感器用于测量时,其一次额定电流应尽量选择的比正常工作电流大1/3左右,以保证测量仪表的最佳工作状态,并在过负荷时仪表有适当的指7J\o
②变压器中性点电流互感器的一次额定电流大于变压器允许不平衡电选择,一般可按I/3选择110KV母线电流互感器的选择表6-311OKV电流互感器型号根据电流、电压选LB-110型额定电流比2X600/5A准确级级K=421sK=110K——热稳定电流倍数,K——动稳定倍数rdrd热稳定校验KZ=42x
0.61=635AL4S〉e满足要求rNd动稳定校验J2KI=J2X110X=/满足要求esNsh电压互感器的选择
1、选择一般项目a、35-110KV配电装置一般采用油侵绝缘结构电磁式电压互感器b、220KV及以上配电装置,当容量和准确度等级满足要求时,一般采用电容式电压互感器
2、根据设计要求,110KV母线设备的选择表6-411OKV电压互感器型号母线的选择110KV侧母线的选择
1.5Sr500000max6Uy/3110N由经济电流密度法s=1/J=mm2JmaxS——经济截面mm2I——导体所在回路中最大持续工作电流JmaxAJ——经济电流密度A/mm2查手册得表6-12初选铝镒合金管形母线0100/901短路热稳定校验短路持续时间为4S周期分量的热效应由短路电流计算结果可知/••=In—I=024冲击电流I=
1.872=ch012因为短路电流的作用时间t=1S4S故不应计算非周期分量的电流热效应:Q=Q=
6.12做2§KP正常运行时导体的温度6■仇+(冉+仇),齐・4O7+(7O-
4.O7)x(嘿豹
41.060C短路热稳定决定的最小截面为s当短路前温度70℃C=87()(=
39.35mm21491mm2所以,满足要求35KV母线的选择原始条件a、35KV侧变压器型号和参数SLZ7—2000/35型额定容量2000MVA高压侧35+3X%低压侧b、短路时通过共箱母线上的冲击电流i二ch7风电场配电装置1母线及构架屋外配电装置的母线有软母线和硬母线两种软母线可选用较大的档距,但一般不超过三个间隔宽度,硬母线常用的有矩形和管形矩风力资源开发超过有15亿千瓦时海上可以开发利用的风能资源约有亿千瓦时到2010年为止我国每年用电总量大约是41923亿千瓦时左右,但我国经济能够开发利用的风力发电资源仅在10千瓦时上下到2010年底,我国并网的风力发电装机容量已经达到2596兆瓦风力发电的开发和利用,在目前看来前景是光明无限的风力发电机的选择与布置本次设计的风力发电机初步选用单机容量为WTG1500A的双馈异步发电机,共布置33台参数如下由于风力发电机输出电压为690V所以每台风力发电机配置一台箱式变压器选用一机一变的接线形式,箱变内装设1600kVA升压变压器参数如下箱变的出口电压为35kV本期33台风力发电机分成4组,绍回集电线路(35kV电缆线路)接入风电场110kV变电站35kV母线引线的选择由于考虑到风力发电场施工方面因素的影响,所以在一条线路上的8台风力发电机,前面的4台风力发电机使用50m截面积的电缆线路,后面的4台风力发电机选用150mm截面积的电缆线路在风力发电场中的风力发电机到风电场中心的升压变电站之间的集电线路准备选用35KV架空线采用架空线,其对地电容比较小当发生单相接地等故障时,一般是以瞬时故障为主的,可以选用中心点不接地或者是经消弧线圈接地的形母线用于35kV及以下配电装置,管形则用于110kV及以上的配电装置屋外配电装置的构架,可用型钢或钢筋混凝土制成
(2)电力变压器电力变压器外壳不带电,故采用落地布置,安装在变压器基础上变压器基础一般制成双梁形并铺以铁轨,轨距等于变压器的滚轮中心距
(3)高压断路器:按照断路器在配电装置中所占据的位置,可分为单列、双列和三列布置断路器有低式和高式两种布置低式布置的断路器安装在〜1m的混凝土基础上,在中型配电装置中,断路器和互感器多采用高式布置
(4)避雷器:110kV及以上的阀型避雷器多落地安装在的基础上磁吹避雷器及35kV阀型避雷器一般采用高式布置
(5)隔离开关和互感器:隔离开关和互感器均采用高式布置,其要求与断路器相同
(6)电缆沟:屋外配电装置中电缆沟的布置,应使电缆所走的路径最短
(7)道路:为了运输设备和消防的需要,应在主要设备近旁铺设行车道路
8.风电场的防雷保护及接地装置⑴防雷保护避雷针由接闪器支持构架引下线和接地体四部分构成原理使雷云先导放电通道所产生的电场发生畸变,致使雷云中的电荷被吸引到避雷针,并安全泄放入地避雷线由悬挂在被保护物上空的镀锌钢绞线(接闪器)、接地引下线、接地体组成主要用于输电线路发电厂和变电站的防雷保护原理与避雷针基本相同,但对电场畸变的影响比避雷针小避雷器用来限制沿线路侵入的雷电过电压(或因操作引起的内过电压)的一种保护设备原理实质上是一种放电器,把它与被保护设备并联,并在被保护设备的电源侧避雷带和避雷网在建筑物最可能遭到雷击的地方采用镀锌扁钢或镀锌圆钢,并通过接地引下线与埋入地中的接地体相连构成避雷带,再由避雷带构成的避雷网原理避雷带、避雷网与避雷针及避雷线一样可用于直击雷防护接地电阻即接地装置对地电压与入地电流之比它包括接地线、接地体的电阻以及接地体与土壤间的过渡电阻和大地的散流电阻前两者较小,可忽略不计,主要是大地的散流电阻故接地电阻与土壤的电阻率P成正比,与接地体的半径成反比设接地装置(接地体)为一半径为的半球体,并认为接地体周围土质均匀dr接地装置对地电位分布曲线《一接触电位3;u—跨步电位差8dH=J〜ir2ur2⑵接地装置:风机基础的防雷接地系统地埋接地避雷带应为50X4mm的热镀锌扁铁,扁铁要按照以风机基础中心为圆心的同心圆进行敷设风机接地铜引线与避雷带要焊接相连,连接点应不少于3处施工流程一般为施工准备T开挖接地沟槽T敷设接地扁铁T安装接地装置T焊接避雷线T焊接接地网T对焊点进行防腐处理T铺撒降阻剂-►回填压实接地沟槽■►测试接地电阻值防雷接地网所有焊接处的焊缝应饱满,并能够承受足够的机械强度,不得有夹渣咬肉、裂纹、虚焊气孔等缺陷,焊接处的焊渣应清除干净,并刷沥青进行防腐处理9无功补偿装置的选择补偿装置与电力系统的连接补偿装置都是设置于发电厂变电所、配电所、换流站或开关站中,大部分连接在这些厂站的母线上,也有的补偿装置是并联或串联在线路上并联电容器装置分组原则并联电容器装置的分组主要由系统专业根据电压波动、负荷变化、谐波含量等因素确定并联电容器的选择
①电容器装置接入电网后引起的电网电压生高;
②高次谐波引起的电网电压升高;
③电容器的容差引起各电容器间承受电压不相等;方式,来避免风电机组无为跳闸的情况选用的型号为LGJ-150/25型的铝镒合金镀层钢芯铝绞线的架空线路数量为60kmo地线选用GJ-35型的钢芯铝绞线路来用.风电场变压器的选择风力发电机组的升压变压器的选择风力发电机输出电压为690Vo按照一机一变的接线形式,所以根据风电场电气系统典型设计手册,风力发电机出口电压变压器初步选为1600kVA的升压变压器表3-1电气一次部分主要设备配置对应表风电场主变压器的选择风电场主变压器的容量选择,应按照在正常运行的情况下有最大功率通过时而且不过载的方式来确定容量的选择,避免了出现功率的“瓶颈”的现象如果选
④装设串联电抗器后引起的电容器组过电压;
⑤系统电压调整和波动引起的系统工频过电压;轻负荷引起的工作电压升高;熔断器的选择a、保护单台电容器的熔断器,宜优先选择喷逐式熔断器其额定电压不得低于电容器的额定电压,最高工作电压应为额定电压的倍b、再可靠性要求不高的场合,可以考虑用限流熔断器代替断路器保护并联电容器组,或保护多台的电容器组成的并联电容器集体合体C、限流式熔断器不宜使用在低于其额定电压的电网中,其容体的额定电流应等于被保护的并联电容器组或集合体的额定电流的~倍由于本次设计以补偿的角度来选择,以上四种均能满足要求,但是从维护和性能的角度来考虑,选用并联电容器补偿装置比较合适无功补偿容量计算本次设计的无功补偿只考虑主变压器、厂用变及箱变的无功损耗补偿的最大无功量计算Q=/%+廿2%SX10-2c0kNI%-空载电流百分值S-变压器的额定容量,KVAU-短路电压百分值Kp—负荷率,取
0.6主变压器的无功容量Q=
6.59+
0.6216500000102=31750fcvarC箱变的无功容量Q=£.5+
0.
626.5160010-2=
93.6fcvarC33=
3088.8%varc总的无功补偿Q=31750+
3088.8=
34838.8Gvar表97选择并联电容器组择过大的容量会加大投资,并且会增加有功功率和无功功率的损耗由于风电场的实际情况,考虑到负荷率较小和风电机组的功率因数在1左右,根据风电场电气系统典型设计手册,能够选用等于风力发电场发电容量的主变压器在实际选择变压器的容量上,应根据上述原则选取近似并且稍大于风力发电场发电容量的标准本次设计的单期工程发电量为,则可以选择一台容量为50MVA的三相油浸式双绕组有载调压变压器作为该期工程的主变压器表3-2主变压器参数厂用变压器的选择厂用电的设计应该按照运行、检修以及施工的要求,以及从全厂发展规划考虑,妥善地解决因分期建设而引起的问题,并且积极慎重的采用经过鉴定的新技术和新设备来使设计满足经济合理、技术先进保证机组安全以及经济和满发地运行厂用变压器的容量选择应按照高压厂用电计算负荷和低压厂用电计算负荷之间进行选择,而厂用工作变压器的型式选择由《电力工程电气设备手册》查得;高压厂用变压器的容量空载电流%表3-3高压厂用变压器采用S7—630/354951%=
505.1KVA
0.
98.风电场电气主接线的设计电气主接线的设计原则:D可靠性,供电可靠性是电力生产的基本要求2灵活性,发电厂主接线应该满足在调度、检修以及扩建的灵活性3经济性,在满足可靠性和灵活性的前提下,还应尽量做到经济合理常见的电气主接线分类主接线形式可以分为两大类有汇流母线和无汇流母线有汇流母线简称母线,是汇集和分配电能的设备无汇流母线使用开关电器较少,占地面积较小,一般只适用于进出线回路少、不再扩建和发展的发电厂或变电站风电场电气主接线的形式从设计要求所给的电压等级、出线回路数以及电气主接线的可靠性和灵活性经济性等方面因素考虑,35KV应采用单母线分段形式,通过3回35KV线路汇集后送至100KV母线110KV采用单母线接线形式风电机组采用单元接线单元接线单元接线是最简单的接线形式,即发电机和主变压器组成一个单元,发电机生产的电能直接输送给变压器,经过变压器升压后送给系统单母线接线单母线接线是以一条母线用为配电装置中的电能汇集节点,是有母线接线形式中最简单的接线形式单母线接线的优点是接线简单清淅、设备少、操作简单、便于扩建和采用成套配电装置单母线接线的缺点可靠性较低,当其中的任一断路器检修停运,其所在回路必须停电,而当母线或母线隔壁离开关故障或检修的时候,由于母线停运,整个配电装置都需要停电,也就有可能造成整个厂站的停电单母线分段接线在配电装置中有多个电源存在的时候,单母线不在适用,此时可以将单母线根据电源的数目进行分段,这就是单母线分段接线形式单母线分段接线具有以下优点1重要用户可以从两段母线上引出两个回路,由不同的电源供电2当一段母线发生故障或需要要检修的时候,分段断路器可以断开,保证另一段母线的正常运行.短路计算短路计算的目的1电气主接线比选2选择导体和电器3确定中性点接地方式4计算软导线的短路摇摆5确定分裂导线间隔棒的间距6验算接地装置的接触电压和跨步电压7选择继电保护装置和进行整定计算各点短路电流计算取基准容量S=100MVA基准电压用各级的平均电压BB各元件电抗的标幺值如下vS100单台风机X=¥.上二X*1dsPICOSiNusX=—^^・8三B1*100sNd点短路计算110KV母线1根据《电力系统分析》第十章电力系统三相短路电流的实用计算,如果不能确定同步发电机短路前的运行参数,近似取E”70X=(X+X)二a心风机出口变总X+x二十二总升压变总X二
0.292+
0.
150.603二合一
0.292+
0.15+
0.603-则计算电抗:S
49.5/
0.98X=X-o=
0.256=jsi*S100B查短路电流运算曲线表找出Os2s4s短路电流周期分量标幺值*0*2*4S则短路电流/=/・67_d*BI—I/二024冲击电流I=1及止chd点短路计算(35KV母线)2X+X二十二系统阻抗升压变总S则计算电抗X二X•一」二僻*SB查短路电流运算曲线表找出Os2s4s短路电流周期分量标幺值-1-I-*0*2*4s贝肤豆路电流/=d*\3UBI1—/二八二024冲击电流1=
1.又泛「二chd点短路计算(发电机出口侧)3yy=++=++乙X出口变总X33风机h
3.
759.220502Sx=X・=川•SB查短路电流运算曲线表找出Os2s4s短路电流周期分量标幺值S则短路电流1=12_d*J3UB/“二J„-J„—024冲击电流I=
1.82/1=ch
06.电气设备的配置电器选择的一般要求正确的选择电器是使电气主接线和配电装置达到安全经济运行的重要条件在进行电器选择时,应根据工程实际情况,在保证安全、可靠的前提下,积极而稳妥的采用新技术,并注意节省投资,选择合适的电器断路器与隔离开关的选择由于断路器在电器接线中装设的部位不同,对其性能要求不同,在选择断路器时,应结合装设的特点及产品的技术经济指标综合考虑断路器的选择要满足以下的特殊要求:
①合闸时触头不应有明显弹跳、熔焊;
②分闸时不应重击穿,或重击穿概率很低;
③应有承受合闸涌流的能力;
④经常投切的断路器应具有频繁操作的能力;
⑤断路器的额定电流,不应小于装置长期允许的电流的倍;110KV母线短路由短路电流计算结果可知:冲击电流Ich最大持续工作电流:周期分量热效应3s时+10+Q=_024_T
122.12+
0.692+
0.6252=3=12根据110KV户外配电装置在本设计的具体要求,靠近母线的隔离开关宜选用垂伸缩靠近母线的断路器与隔离开关的选择断路器选择六氟化硫断路器相关参数具体如下:表6-2-1六氟化硫断路器经比较各项指标均满足要求表6-2-2隔离开关选择单柱式剪刀式结构隔离开关计算资料额定工作电压UN110KVUNS110KV额定工作电流1N3150AImax热稳定校验/2X/t502x3=7500必2sQd2s动稳定校验es125KA•IshGW-3-110计算资料额定工作电压uN110KVuNS110KV热稳定校验/2X%t3200KA2sQd2s动稳定校验’es100KA•IshGBC—35计算资料额定工作电压°N35KVUNS35KV额定工作电流/N1000AINS额定开段电流1N.blIII短路关合电流142KA*Ish热稳定校验12tt1089KA2S%2s动稳定校验ies42KA1sh主要电气设备数量LW8—35型图压六氟化硫断路器1CD10IICT10型操动机构1LCZ—35型电流互感器3JN—35型接地开关可变兀件1Y10W1—42/126避雷器1型号额定电流比二次组合准确级数10%倍数短路时热稳定电流KA动稳定电流KV二次负荷倍数LCWD2-110B2X502X300/5b.5/D1I02ID2DD21575135型号额定电压KV二次负荷VA分压电容^F7TO110/^3-
0.005110/V301/0级级级级150300导体尺寸D]/D2mm2导体截面mm导体最高温度为下值时的截流量A截面系数Wcm3惯性半径r.cm1惯性矩Jcm40100/901491+70℃+80℃16923502054母线的校验单台风电机组参数额定容量sg1500kW功率因数cos次暂态阻抗X”d%短路阻抗6%箱式变电站参数额定容量Sd1600kVA短路阻抗6%序号风电机组容量MW升压变压器容量KVA箱式变电站高压侧设备配置箱式变电站低压侧设备配置12900/1600/2150负荷开关、熔断器、避雷器应考虑风机厂家的技术要求一般设置断路器或隔离开关或熔断器233150断路器、避雷器应考虑风机厂家的技术要求一般设置断路器或隔离开关或熔断器型号额定电压kV总标称容量kvar单台标称容量kvar接线方式外形尺寸宽x深x高LXBXHmmTBB35-3000/5035300050单丫XX型号额定容量KVA额定电压一高压KV额定电压-低压KV空载损耗kw空载电流%负载损耗kw连接组另IJ短路阻抗%SZ11-50000/110500001108*%_42184YdUN型号额定容量kVA额定电压kV阻抗电压%损耗KW高压低压空载短路S7—630/3563035LW6—110计算资料额定工作电压0N110KVUNS110KV额定工作电流1N3150AINS额定开段电流1N.b\40KAI短路关合电流1N.c\100KA*Ish热稳定校验12t17500KA2S2s动稳定校验ies100KA*Ish。