第二讲_风电场的电气系统.ppt

n (4)电阻接地方式
中性点经电阻接地的系统，相当于在零序阻抗上并联一个电阻R，该电阻与系统对地电容 构成并联回路，可起到抑制谐振过电压的作用。当发生接地故障时，中性点出现电压，能 迅速切除故障，可降低设备绝缘水平。继电保护可方便地监测接地的故障线路。
2.2.3 风电场的接地的系统
n 风电场接地系统特点: ①风电场延伸至几公里范围 ②现代风力机的高度使它们易遭受雷击 ③它们有的位于山顶的高阻性地基上
雷闪形成
n 雷闪是自然界中的大气火花放电现象。当带电的雷云之间或雷云与大地之间出现 很高的电位差时，就会发生放电，电荷迅速中和。放电会产生强烈的光和热，通 道温度高达15 000~20 000度，使空气急剧膨胀、震动，发出隆隆声响，形成雷闪
n 雷云带电和放电过程可解释如下:潮湿的热气流不断上升，进入稀薄的大气层时冷 凝成云。当强烈的上升气流穿过云层时，水滴因碰撞而电离。微细的水末带负电， 上升形成带负电的雷云；大滴水珠带正电，凝聚成雨下降，或悬浮在云中形成带 正电的局部雷云区。大多数雷云带负电，并在地面感应出大量正电荷。在带有大 量异号电荷或不等数量电荷的雷云间或雷云与大地间，会出现高达数十至数百兆 伏的电位差。随着雷云的发展，一旦空间电场强度超过大气电离的临界电场强度 (空气中约30千伏每厘米，有水滴时约10千伏每厘米)时，强烈的大气放电就发生 了。
n 在我国，雷暴日数差别较大，西北地区少于20日，长江以北、华北、东北 20~40日，长江以南40~80日，华南80日以上，海南岛达100~130日。我国的 地面落雷密度为0.015。雷闪放电中，75~90%为负极性。雷闪脉冲电流的峰 值高，12%的雷电流超过100千安，最高可达二三百千安。雷电流的变化时间 快，脉冲波前时间为1~5微秒，半峰值时间为20~100微秒。
第二讲 风电场的电气系统
概述 2.1 集电系统 2.2风电场的接地的系统 2.3风电场的防雷保护 2.4电气保护
2.4.1 风电场和发电机保护 2.4.2 异步发电机的孤立运行和自励磁 2.4.3 分界面保护
概述
n 中型或大型风力发电机(几百千瓦到几兆瓦)主要是采用并网 运行方式，好处：与公共电网互补、充分发挥风电的效益、 电能质量更好、
海上风电场一例
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2.1 风电场的接地的系统
n 2.2.1接地的基本概念
n 2.2.2配电网接地方式选择 n 2.2.3 风电场的接地的系统
2.2.1接地的基本概念
n (1)地的概念 电力系统中的“地”不是普遍意义上的“地理地”，而是电力概念中
的“电气地”。以下几类在广义下都可被称作地： 1）导电性的土壤，具有等电位，且任意点的电位可以看成零电位 2）导电体，如土壤或钢船的外壳，作为电路的返回通道，或作为零电位 的参考点 3）电路中相对于地具有零电位的位置或部分 4）电路与地或其他起导电作用的导电体的有意的或偶然的连接 n (2)接地的概念 接地是指将有关系统、电路或设备与地连接。通过接地可以使连接到地 的导体具有等于或者近似于大地的电位并引导入地电流流入和流出大地。
——单相接地故障时，故障点相对于地的电压为零，非故障相的相电压升高到 3 倍，
等于线电压，此时线电压仍保持对称不变，对用户供电无影响。 ——当各相对地电容不相等时，即使在正常运行状态，系统的中性点的对地电位将 发生偏移。中性点不接地系统要求的绝缘水平较高，各种操作过电压较高。中性点不 接地系统当电网发生单相接地时，可能造成电磁式电压互感器激磁电流激增而损坏， 甚至可能产生谐振过电压。这种接地方式存在电弧接地过电压的危险。
n 接地网：连接一个接一个风轮机的水平电极 n 接地电阻（阻抗）：风电场一般要求小于10Ω
两个风电场接地阻抗实测结果
•即使在50 Hz下，接地阻抗的电阻和电抗几乎是相等的 （X=R），对系统的设计和检验有重要意义。 •水平接地导体长，不可能用常规的计算方法（用于小的，纯 电阻的接地网络），有必要考虑长接地导体的阻抗作用。 •土壤条件不同，接地阻抗值不同
n 风电场集电系统的中压（MV）电平的选择通常由当地配电公司的经验 确定。这样电缆和开关设备都比较容易获得。 一般选择在10 kV至35 kV之间，可以是10 kV, 20 kV和35 kV 等。
2.1 集电系统
固定转速风力发电机电气系统简图
风电机
主要电气设备
n 发电机，定子输出经三条柔软下垂电缆到塔下断路器 n 铠装断路器（moulded case circuit breaker-MCCB），MCCB 装备
配电网接地方式
n (3)中性点经消弧线圈接地 ——消弧线圈是一个具有铁心的可调电感线圈，安装在变压器的中性点。 ——单相接地时，消弧线圈产生电感电流，补偿接地点的电容电流，使较大的接地电流容易
熄灭。 ——自动跟踪补偿式的消弧线圈装置，由接地变压器、可调式消弧线圈和消弧线圈自动跟踪
调节控制器、阻尼电阻和氧化锌避雷器组成。当系统发生单相接地时，接地点电容电流的 变化会传到消弧线圈自动跟踪调节控制器上，调节控制器可测量出电网的脱谐度，并控制 调节消弧线圈的直流励磁，从而改变消弧线圈的电感量进而改变消弧线圈中的电流。
(3)接地的分类
n 保护性接地和功能性接地 n 保护性接地 为了系统与设备运行安全而采取的接地措施，有以下几类： 1)防电击接地：为了防止电气设备绝缘损坏或产生漏电流时，使平时不带电的外露导电部分带电而导致电
击而将设备的外露导电部分接地。这种接地还可以限制线路涌流或低压线路及设备由于高压窜入引起 的高电压；当产生电气故障时，有利于电流保护装置动作而切断电源。 2)防雷接地：将雷电导入大地，防止雷电流使人身受到电击或设备受到破坏 3)防静电接地：将静电荷引入大地，防止由于静电积聚对人体和设备造成危害。 4)防电蚀接地：地下埋设金属体作为牺牲阳极或阴极，防止电缆、金属管道等受到电蚀。 n 功能性接地 为了设备正常运行或者提供电流回路而采取的接地措施，有以下几类： 1)工作接地：为了保证电力系统运行，防止系统震荡。保证继电保护的可靠性，在交直流电力系统的适当 地方进行接地，交流一般为中性点，直流一般为中点。 2)逻辑接地：为了确保稳定的参考电位，将电子设备中的适当金属件作为“逻辑地”。常将逻辑接地及其 他模拟信号接地统称为直流地 3)屏蔽接地：将电气干扰源引入大地，抑制外来电磁干扰，减少电子设备产生的干扰影响其它电子设备 4)信号接地：为保证信号具有稳定的基准电位而设置的接地
递过来的过电压
风电机与变压器的连接
•风电机大小 •电流引起的损 耗大小 •额外的电压变 化 •风电机位置靠 得远近
多台风机的连接
n 风电场内部接线形式之一
2MW 1#
2MW 2#
2MW 3#
3 4
110kV
4
3
2T1ຫໍສະໝຸດ Z2Z1Z2
10kV
1大
电 源 系 统
L 600kW
4#
600kW 5#
n风
大型风电场风机布局（海上、海岸） 风电场风机布局图(5MW风机)
(4)接地的作用
n 1)防止人和动物遭受电击 电击所产生的电击电流会对人体造成伤害甚至导致死亡，所以必须采取防护措施。接地 中避免危害人和设备的大的电位差。电气设备在正常情况下不带电的金属部分与接地机制 件作良好的金属连接，可以保护人体的安全。
n 2)保障电气系统的正常运行 采用中性点接地的方式，中性点与地间的电位接近于零。如果中性点不接地，那么当相 线与外壳或者地接触时，其他两相对地电压会升高为相电压的 3 倍，绝缘水平要求更高。 采用中性点接地可以降低设备的制造成本和建设费用，提高继电保护的可靠性。
风电场的防雷保护（续）
n 雷击对风轮机是一个重要的潜在的危害， n 多年前认为，风轮机叶片采用不导电的玻璃钢（塑料）或
环氧树脂等制成，因而不需要提供直接的保护。 n 现在大量的现场经验表明，雷击会加到由这种材料做的叶
片上，如果没有安装合适的保护系统，可能造成灾难性的 损害。当然如果碳纤维（它是导电的）被用来增强叶片， 则需要另外的防范。
配电网接地方式
(1)中性点直接接地方式 ——单相接地时，通过接地中性点形成单相短路，很大的零序电流，根据零序分量的 特点可构成保护，保护动作后跳闸。 ——不对称短路引起的工频电压升高较小，操作过电压较低，对系统绝缘水平的要求 相对较低。
(2)中性点不接地方式 ——当系统对称运行时，电源中性点与负载中性点电压为零。
n 3)防止雷击和静电的危害 n 采取适当的接地方式,，使对人和动物的雷击危害最小化； n 4）为接地故障电流的建立低阻抗通路，从而满足保护动作要求。 n 5）改善雷电保护，使电压保持在可接受的范围内
2.2.2 配电网接地方式选择
n 配电网中性点接地方式的选择 涉及到配电网的绝缘水平、安
全性、经济性、供电的可靠性。
风电场接地系统方案
n Rturbine风力机接地电阻； Rshunt风力机就地接地网 （环）； R series风力机之间接地线 串联电阻； Lseries串联电感；对于雷 击在风力机上的高频分量， 串联电感（阻抗大）的作 用有效地把接地网络简化 为仅仅当地风力接地系统
接地系统设备
n 接地体：水平接地体，环形导体，围绕着地基， 深度1 m（有时称为平衡接地）；垂直接地体 是杆，埋入地下。
2.3 风电场的防雷保护
n 雷击是非常复杂的自然现象，包含一系列的气体放 电电流。术语“闪电”用来描述放电序列，它利用 相同的电离通道，可以持续达1s。闪光的各个部分 叫雷“击”。
n 雷闪通常分成4种主要类型： • 起初向下，负的和正的极性； • 起初向上，负的和正的极性。
n 通常由带电雷云引起，负电荷雷云传递负电荷到地 (起初向下—负极性) 是最普遍的。向下的负闪电 典型的是由高幅值的电流脉冲组成的，持续时间几 个ms，持续流过的电流几百A。然后，随着雷云和 地之间初始传递电流的熄灭，可能有多次再击雷。
有防备故障的瞬时过流保护，有延滞（热）功能的过电流保护 n 双向晶闸管软起动单元，通常具有一个旁路电流接触器，被用来