风电场电气系统课程设计报告

风能与动力工程专业
风电场电气系统课程设计报告
题目名称：48MW(35/110KV升压站)风
电场电气一次系统初步设计指导教师：贾振国
学生：
班级：
设计日期：2014年07月
能源动力工程学院
课程设计成绩考核表
摘要
根据设计任务书的要求及结合工程实际,本次设计为48MW风电场升压变电站电气部分设计。

本期按发电机单台容量2000kW计算，装设风力发电机组24台。

每台风力发电机接一台2000kVA升压变压器，将机端690V电压升至35kV 并接入35kV集电线路，经3回35kV架空线路送至风电场110kV升压站。

变电站是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。

电气主接线是由变压器、断路器、隔离开关、互感器、母线、避雷器等电气设备按一定顺序连接而成的,电气主接线的不同形式，直接影响运行的可靠性、灵活性，并对电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和控制方式的拟定等都有决定性的影响。

本文是小组成员的配合下和老师的指导下完成的，虽然时间很短，没有设计出特别完整的成果，可是我们学会了如何查找对自己有用的资料，如何设计一个完整的风电场电气系统。

并且我们设计出了三图，包括风机与箱式变电站接线图、35KV风电场集电线路接线图、110KV变电所电气主接线图,在这里感小组成员们的辛勤付出和贾老师的耐心指导。

关键词：主接线电气设备配电装置架空线路防雷与接地
Abstract
According to the requirements of the design task and combined with the engineering practice, the design is part of the 48MW wind power booster substation electrical design. This period in accordance with the generator unit capacity of 2000kW calculation, installation of 24 wind turbine units. Each wind generator with a 2000kV A step-up transformer, the terminal 690V voltage to 35kV and access 35kV integrated circuit, the 3 35kV overhead transmission line to the wind farm 110kV booster station.
Substation is an important part of power system, which directly affects the safety and economic operation of the whole power system, is the intermediate link between power plants and users, plays a role in transformation and distribution of electricity. The main electrical wiring is composed of a transformer, circuit breaker, isolating switch, transformer, bus, surge arresters and other electrical equipment according to a certain order which is formed by the connection of different form, the main electrical wiring, directly affect the operation reliability,flexibility, and the choice of electrical equipment, power distribution equipment arrangement, relay protection and control to have a decisive impact.
This paper is combined with team members and under the guidance of teachers completed, although time is very short, no design particularly integrity achievements, but we learned how to find useful on its own data, how to design a complete wind farm electrical system. And we designed the three pictures, including fans and box type substation wiring diagram, 35KV wind farm set wiring diagram of an electric circuit, 110KV substation main electrical wiring diagram.Thanks to the team members to work hard and Jia teacher's patient instructions here.
Key word：The main wiring Electrical equipment Distribution device Overhead line Lightning protection and grounding
目录
前言 (6)
1.课程设计题目 (7)
1.1装机容量 (7)
1.2机组概况 (7)
1.3集电方式 (7)
1.4风电场接入电力系统方式 (8)
1.5关于短路电流计算和电气设备选择的说明与建议 (8)
1.6关于防雷与接地及电气二次的说明 (9)
2.课程设计任务与要求 (9)
2.1设计风机与箱式变电站接线方案，选择下列设备 (9)
2.2设计风电场集电线路接线方案，选择35KV架空线路 (10)
2.3设计110KV变电所电气主接线（含二期工程部分） (10)
3.风电机组与箱变接线设计及设备选择 (10)
3.1电缆选择 (10)
3.1.1 690V电力电缆 (10)
3.1.2 35KV电力电缆 (10)
3.2箱式变压器的选择 (11)
3.3风电机组与箱变接线设计 (12)
4.风电场集电环节设计及电缆选择 (13)
4.1设计总则 (13)
4.2集电线路回路数 (13)
4.3集电线路电缆选择 (14)
5.变电所电气主接线设计及设备选择 (15)
5.1 主变压器选择 (15)
5.1.1主变压器容量选择 (15)
5.1.2主变压器台数的选择 (15)
5.2 断路器的选择 (18)
5.3隔离开关的选择 (20)
5.4避雷器的选择 (21)
6.课程设计总结 (22)
致 (23)
附录 ................................................................................................................... 错误!未定义书签。

附录一（风机与箱式变电站接线图）.................................................... 错误!未定义书签。

附录二（35KV风电场集电线路接线图） .............................................. 错误!未定义书签。

附录三（110KV变电所电气主接线图） ................................................ 错误!未定义书签。

附录四（主要电气设备表）.................................................................... 错误!未定义书签。

参考文献............................................................................................................ 错误!未定义书签。

前言
风能是可再生能源技术中最成熟的一种能源技术,对于应对那些与传统能源有关的迫在眉睫的环境和社会影响,风电是个切实可行,立竿见影的解决方案。

风力发电就是利用风力机获取风能并转化为机械能，再利用发电机将风力机输出的机械能转化为电能输出的生产过程。

随着风电场规模的不断扩大，风电场与电网或电力用户的相互联系越来越紧密。

掌握风电场电气部分具有相当重要的意义。

单台风力发电机组的发电能力是有限的，大规模风力发电都是在风电场中实现的，风电场是在一定的地域围，由同一单位经营管理的所有风力发电机组及配套的输变电设备、建筑设施、运行维护人员等共同组成的集合体。

变电站是整个电力系统的基本生产单位，变电站将电能变换后分配电网。

结合风电场的电气特点，学习风电场电气部分的接线及设计方法，学习风电场电气设备的选择方法，对于风电场的安全运行与可靠供电具有相当重要的意义。

本次论文进行了变电站110kV升压变电站主变压器的选择、电气主接线方案的确定、电气设备的选择（包括断路器、隔离开关等）、防雷与接地的设计，绘制了110kV升压变电站的一次系统的主接线图、风机与箱式变电站接线图、35KV 风电场集电线路接线图，设计过程中力求做到变电设备运行可靠、操作灵活、经济合理、扩建方便。

1.课程设计题目
48MW（35/110KV升压站）风电场电气一次系统初步设计
1.1装机容量
本期工程装机规模48MW，计划安装24台电气2000kW风力发电机组，并建设一座110kV 升压变电所。

1.2机组概况
1.3集电方式
（1）采用一机一变单元接线方式；
（2）机组与箱变间采用电缆连接并T接到架空线路；
（3）采用2回架空集电线路与升压变电站主变压器低压侧（35KV）相连；
1.4风电场接入电力系统方式
风电场一期工程推荐安装24台单机容量为2000kW的风力发电机组，总装机容量为48MW。

风电场规划总装机容量为96MW。

根据风电场本期装机容量及规划装机规模，结合风电场所在地区电网现状及规划情况，并考虑风电场机组分布情况，本期工程需在风电场中心位置配套建设一座110kV升压变电所。

风电场所发出的电能经过风电场110kV变电所升压后经一回110kV线路接入系统。

1.5关于短路电流计算和电气设备选择的说明与建议
由于暂无接入系统资料，本次设计参考该地区已建风电场的计算参数作为电气设备的选择依据，下阶段应根据接入系统报告提出的具体参数及要求进行设计计算选择，暂时进行如下约定：
（1）短路电流水平：
330KV电压等级，短路电流水平为50KA进行电气设备选择；
220KV电压等级，短路电流水平为50KA进行电气设备选择；
110KV电压等级，短路电流水平为40KA进行电气设备选择；
66KV电压等级，短路电流水平为31.5KA进行电气设备选择；
35KV电压等级，短路电流水平为31.5KA进行电气设备选择；
（2）电气设备选择：
升压变电站的主要电气设备选择应以国产为主。

主变压器宜采用油浸式、低损耗、双绕组、有载调压变压器。

动态无功补偿装置可根据系统要求采用不同的形式和容量，典型设计一般每台330KV主变压器30Mvar、每台220KV主变压器30Mvar、每台110KV、66KV主变压器15Mvar预留动态无功补偿装置，具体容量根据实际工程计算结果选择。

（3）主变压器接入系统侧功率因数按1.0计算。

（4）对于220kV以上断路器，建议选用户外交流高压瓷柱式SF6 断路器，该类型断路器具有开断性能高，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，维护方便等特点。

（5）35kV配电装置，建议选用户成套装置，该类型装置属于金属封闭开关
设备，采用加强绝缘型结构，一次元件主要包括断路器、操动机构、电流互感器、避雷器等，采用抽出式安装，为单母线接线两分段接线方式，运行灵活、供电可靠。

1.6关于防雷与接地及电气二次的说明
（1）本设计除考虑避雷器的配置与选择外，不考虑避雷线、避雷针与接地系统的设计；
（2）本设计暂不考虑二次系统设计。

图1 风电场电气系统图
2.课程设计任务与要求
2.1设计风机与箱式变电站接线方案，选择下列设备
（1）35KV侧，断路器（或负荷开关）、熔断器、电缆、架空线路；
（2）690V侧，断路器、电缆
要求：（1）完成风机与箱式变电站电气接线图，图面包含主要电气设备表；
（2）完成设备选择说明或计算。

2.2设计风电场集电线路接线方案，选择35KV架空线路
说明：风力发电机出口电压为690V，经箱式变升压至35KV，通过35KV集电线路（架空线路），接入风电场110KV变电所35KV开关柜上，再经主变二次升压至110KV接入电力系统。

要求：（1）画出风电场35KV集电线路示意图；
（2）完成35KV集电线路（架空线路）选择。

2.3设计110KV变电所电气主接线（含二期工程部分）
选择：
（1）110KV主变压器；
（2）所用变压器；
（3）110KV断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器；
（4）35KV断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器；
要求：（1）完成电气主接线设计，图面包含主要电气设备表；
（2）完成设备选择说明或计算。

3.风电机组与箱变接线设计及设备选择
3.1电缆选择
3.1.1 690V电力电缆
上几周我们去明阳风电技术实习，实习过程中我们接触了风电机组的电力电缆，华能昌图老城项目2MW风机电缆选型，他们选择的是风力发电专用电缆，电缆截面积为240mm²，所以我们选择ZC-FDEF(-25)-1*240mm²的电力电缆。

3.1.2 35KV电力电缆
根据下列公式：
φ
3UI
P= (1)
cos
计算得出I=32.99A，通过查电缆选型手册，查的我们需要的电缆型号为：YJV-26/35KV-1*50mm²
3.2箱式变压器的选择
风电机组升压变压器的选型：主变压器的型式一般为三相双绕组、无励磁调压、节能型变压器，通常选用箱式变电站型式。

推荐的额定容量为900KV A、1600KV A、2200KV A、3150KV A；推荐额定电压为37±2×2.5%/0.69KV；推荐短路阻抗电压为UK%=6.5；推荐连接组别为Dyn11。

由于我们的单机容量为2MW,根据公式一计算得出额定电流I=1673.48A，对于单台风机的容量预留百分之十的容量，并且采用Dyn11接线组别，通过在网上找变压器的型号我们选择S11-2200/37 37KV±2*2.5%/690V作为我们的箱式变压器。

图2 S11型变压器实物图
3.3风电机组与箱变接线设计
风电机组电气主接线一般采用一机一变的单元接线方式。

风电场风电机组通过风电机组监控系统接入风电场升压变电站监控系统，风电机组升压变压器由风场运行人员维护。

设计依据参照《变电所初步设计容深度规定》、《国家电网公司输变电工程初步设计容深度规定》、《风电场接入电网技术规定》等。

对于3MW及以下容量的风电机组出口电压一般为0.69KV，经风电机组升压变压器升压至35KV，通过35KV集电线路汇流后，接入风电场升压站的35KV 母线侧，经升压站主变压器升压后送至系统。

（1）风电机组升压变压器高压侧（35KV侧）：对2MW一下的风电机组，采用负荷开关与熔断器组合方式；对3MW容量及以上机组，采用真空断路器形式。

我们是2MW的风电机组，我们采用负荷开关与熔断器组合方式。

（2）风电机组升压变压器高压侧（0.69KV侧）：风电机组低压侧（0.69KV 侧）设备配置，应考虑风机供货商的技术要求，如风机总开关的配置等，并在与
风电机组供货商签订的协议中确定。

设计图在附录一中给出。

4.风电场集电环节设计及电缆选择
本次我们的设计容量为48MW,对于2MW的风电机组，总共有24台风力发电机组，我们设计分为2组，每组12台，由于每段电缆的电流大小不同，串的风机越多，电流就越大，电缆所需的横截面积就越大，为了保证经济性与可靠性，于是我们把每组的风电机组分为3个小组，每个小组4台，这4台机组共用一条电缆。

4.1设计总则
风电场集电线路是将每台风电机组升压变压器高压侧电力通过线路汇集输送到风电场升压变电站。

其电压等级一般为35KV，主要采用架空线路和直埋电缆。

架空线是主要输送型式，在风景区、草原牧场、沿海滩涂等地宜采用直埋电缆输送形式。

当线路为架空线时，一般采用35KV的1*50mm²的担心电缆引至线路终端杆（塔）顶部，再T接到架空线上。

风电场分布区域广泛，既有山区、丘陵，又有平原、沿海滩涂。

按照集电线路工程标准地形条件分，可分为平地、河网泥沼、丘陵、山地和高山大岭五类，但从架空线路铁塔设计的影响来看，则可归纳为平地（含河网泥沼）和山区（含丘陵、山地和高山大岭）两大类。

电缆线路地形划分为陆河沿海滩涂两大类。

4.2集电线路回路数
风电场容量一般为50MW（或其整数倍）左右，由几十台风机组成，由于受单回路输送容量及线路长度限制，架空集电线路一般采用2～3回线路输送。

为减少线路总长度、缩小线路走廊，山区及丘陵地带一般采用2个回路输送，平原及沿海滩涂地带可考虑3个回路输送。

采用2个回路输送，每回路输送容量25MW,导线截面一般用240mm²；采用3个回路输送，没回输送容量16.5MW，电线截面一般选用150mm²。

分支输送容量9MW，导线截面一般选用95mm²。

我们假设风电场处于山区，于是我们采用2个回路输送电量。

4.3集电线路电缆选择
由于电缆上面连接的风电机组越多电缆的横截面积就越大，所以我们这里约
定将风电机组4台看成一组，共用一根电力电缆，所以根据公式：
φcos 3UI P =
计算得出每段电缆的电流值：
A I
966.1311= A I
932.2632
= A I 897.3953=
然后通过查电力电缆选型手册，这个电缆属于架空电缆，所以得选择交联聚
乙烯绝缘聚乙烯护套电力电缆：
（1）YJLV/YJL Y-26/35KV-1*50mm²
（2）YJLV/YJL Y-26/35KV-1*95mm²
（3）YJLV/YJL Y-26/35KV-1*150mm²
集电线缆的设计图在附录二中给出
图3 690KV电力电缆
5.变电所电气主接线设计及设备选择
5.1 主变压器选择
本期为一期工程，建设规模为48MW。

本期工程发电机单台推荐容量2000KW，共24台。

每台风力发电机接1台2000KV A箱式变压器，将机端690V 电压升至35KV，接入35KV集电线路，经35KV架空线路送至风电场升压站。

升压变电站经过1台升压主变压器将电压提高到110K V送至地方110KV电网。

变压器容量过大或台数过多，会造成投资的浪费，占地和运行损耗增加；容量过小，则发出的电能就无法全部送出到电力系统或满足风电场部负荷需求。

因此，应该合理地选择变压器的容量和台数。

5.1.1主变压器容量选择
主变压器容量的选择应根据在正常运行时有最大功率通过时不过载的原则来确定，避免出现功率的“瓶颈现象”。

同时过大的容量不仅会增加投资，而且还会加大有功和无功的损耗，增加运行费用，出现“大马拉小车”的现象。

考虑到风力发电场负荷率较低的实际情况，及风力发电机组的功率因数在1左右，可以选择等于风电场发电容量的主变压器。

实际选择变压器容量是在根据上述原则选择的的基础上取相近并稍大的标准值。

本期工程发电机容量为48MW, 所以选用一台容量为50MVA的三相油浸式双绕组有载调压变压器作为主变压器。

5.1.2主变压器台数的选择
变电站主变压器的台数可按如下原则确定：
(1)对大城市郊区的一次变电所,在中、低压侧已经构成环网的情况下,以装两台主变为宜；对地区性孤立的一次变电所或大型工业专用变电所,设计时应考虑装三台主变压器的可能性；对规划只装两台主变的变电所,其主变基础宜按大于变压器容量的1~2级设计,以便负荷发展时更换主变。

(2) 对于只供电给二类、三类负荷的变电站，原则上只装设一台变压器。

(3) 对于供电负荷较大的城市变电站或有一类负荷的重要变电站，应选用两台相同容量的主变压器，每台变压器的容量应满足一台变压器停运后，另一台变压器能供给全部一类负荷的需要；在无法确定一类负荷所占比重时，每台变压器的容量按计算负荷的60%-80%选择。

本升压变电站主变压器具体分析情况如下：
（1）本升压变电站因目前只规划一期工程，加之主变压器运行可靠性高，发生故障的几率小，检修周期长，损耗低，所以在选择时一般不考虑
主变压器的备用,故按一台主变压器进行配置；
（2）因风场是将35kV电压升至110kV，只有两种电压，所以选双绕组变压器即可满足要求；
（3）我国110kV及以上的电压等级变压器均采用Y形连接，35kV电压采用 连接，所以联结组别选用Ydn11；在变电站中,主变压器接线组别
采用Ydn11,能限制三次谐波。

如接线组别高、低压侧均采用全星形，
则三次谐波无通路，因此将会引起正弦波电压畸变，并对通信设备发生
干扰，同时对继电保护整定的准确度和灵敏度均会有影响。

（4）由于风场发电多入地方电网，而地方多力多供应不足，电网电压波动较大，所以主变压器可采用有载调压装置。

高压侧有载调压是改善电压
质量、减少电压波动最有效的手段。

（5）凡是能够采用三相变压器时都应首先三相变压器，在330kV及以下的电力系统中，一般都应选用三相变压器。

（6）对于三相双绕组变压器的高压侧，110kV及以上电压等级均为中性点直接接地系统。

（7）由于风场升压变电站多处于风场中心位置，常年风资源盛行，散热条件良好，冷却方式采用自然风冷即可满足要求。

于是我们选择SFP11-50000/110 110±8*1.25%/37KV
综合上述分析，本变压站主变压器选择参数如下：
图4 三相双绕组有载调压电力变压器结构图
5.2 断路器的选择
断路器应选用无油化产品。

真空断路器应选用本体和机构一体化设计和制造的产品。

投切电容器组的开关应选用开断时无重燃及适合于频繁操作的开关设备。

40.5kV及以上投切容性或感性负载的断路器宜采用SF6断路器。

（1）断路器的型式根据灭弧介质，断路器可以分为：油断路器（多油、少油）、压缩空气断路器、SF6断路器、真空断路器。

SF6（纯净的SF6气体是无色、无味、无毒的，不支持燃烧、也不支持呼吸的气体）断路器，虽造价高，但此开关性能好、可靠性高、使用方便。

SF6断路器，宜选取配用优质弹簧机构、模块化设计的液压机构或弹簧储能的液压机构。

252kV母联断路器、变压器出口断路器尽量选用机械联动机构。

选用断路器时，其控制回路应尽可能简单，不宜选用“控制线圈串RC回路的结构[10]。

（2）断路器的电气参数高压断路器的作用是分合电路，不仅需要分合正
常的负荷电流，而且要能分合故障时的短路电流。

因此选择高压断路器时不仅要考虑其额定电压和额定电流的大小，还要考虑其对故障电流的开合能力，即考虑其额定开断电流和短路关合电流。

1）额定电流和电压断路器的额定电压要大于其安装位置的电网额定电压，断路器的额定电流不得低于所在回路在各种可能运行方式下的最大持续工作电流。

2）额定开断电流 额定开断电流是表明断路器灭弧能力的参数，指的是
在额定电压下可能开断的最大电流，其值不应小于实际开断瞬间的短路电流周期分量pt I
pt Nbr I I ≥ (2)
当断路器的额定开断电流比系统短路电流大很多时，简化计算可用
I I Nbr ''≥ (3)
进行选择。

3）短路关合电流由于断路器合闸的时候，与其连接的电气设备可能仍有故
障，而且要求断路器能够在故障后可由重合闸装置触发进行合闸，因此，要求断路器具有关合短路电流的能力。

sh Nc i I ≥1 (4)
即短路关合电流要大于等于短路后的最大冲击电流。

4)热稳定和动稳定的校验 根据电压和电流要求选择断路器后，还要校验
其是否可以承爱流过它的短路电流造成的热稳定和动稳定问题。

根据以上的选择要求，我们决定选择SW6-110/1250作为110KV 侧高压断路
器。

选择ZN10-35KV/630A 作为35KV 侧开关断路器。

图5 断路器实物图
5.3隔离开关的选择
高压隔离开关是电力系统中使用量最大、应用围最广泛的高压开关设备，其使用数量通常是高压断路器的2-3倍。

隔离开关和接地开关应选用符合国家电网公司《关于高压隔离开关订货的有关规定》完善化技术要求的产品。

隔离开关除了要根据安装地点和实际需求选择型式以外，其电气参数的选择方法和断路器类似，不过隔离开关的电气参数选择要比断路器简单。

隔离开关不需要选择开断电流和关合电流，而其他参数的确定方法则与断路器完全相同。

隔离开关应具有切合电感性、电容性小电流的能力，具有可靠切断断路器的旁路电流及母线环流能力。

隔离开关操作机构的型式应根据工程实际情况选择，当采用综合自动化系统时，相应的隔离开关应采用电动操作机构。

隔离开关的接地开关应根据其安装处的短路电流进行额定峰值耐受电流、额定短时耐受电流的校验。

根据以上说明，我们选择GW4-110/630A作为单接地隔离开关，GN16-35G/1000作为双接地隔离开关。

图6 隔离开关实物图
5.4避雷器的选择
风电场升压变电站是风电场的枢纽，担负着向外输出电能的重任，雷电放电作为一种强大自然力的爆发,会给地面诸多设施带来灾害,一旦遭受雷击，将引起变压器等重要电气设备的绝缘毁坏，不但修复困难，而且会导致风电场发出的电能不能外送，可能会造成供电区域大面积、长时间停电，从而给国民经济带来严重损失。

因此，风电场升压变电站的雷电防护必须十分可靠。

对直接雷击变电站，一般采有安装避雷针或避雷线保护。

运行实践表明，符合相关防雷标准要求安装的避雷针或避雷线，其保护可靠性较高，只有在绕击或反击时，才有可能发生事故。

对于沿线路侵入变电站的雷电侵入波的防护，主要靠在变电所合理地配置避雷器，并在距变电站1-2km的进线段加装辅助的防护措施，以限制通过避雷器的雷电流幅值和降低雷电压的陡度。

对于110kV及以上的变电站，可以将避雷针架设在配电装置的构架上，这是由于此类电压等级配电装置的绝缘水平较高，雷击避雷针时在配电构架上出现的高电位不会造成反击事故。

装设避雷针的配电构架应装设辅助接地装置，此接地装置与变电站接地网的连接点离主变压器接地装置与变电站接地网的连接点之间的距离不应小于15m，目的是使雷击避雷针时在避雷针接地装置上产生高电位，在沿接地网向变压器接地点传播的过程中逐渐衰减，以便到达变压器接地点时不会造成变压器的反击事故。

由于变压器的绝缘较弱，又是变电站中最重的设备，故在变压器门型构架上不应装设避雷针。

对于35kV及以下的变电站，因其绝缘水平较低，故不允许将避雷针装设在配电构架上，以免出现反击事故，需要架设独立避雷针，并应满足不发生反击的要求。

关于线路终端杆塔上的避雷线能否与变电所构架相连的问题也可按上述装设避雷针的原则（即是否会发生反击）来处理。

根据设计，我们选择氧化锌避雷器，型号为Y1.5W-690V。

变电所电气主接线设计图在附录3中给出。