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《GB 51096风力发电场设计规范》部分条文解读(一)

北极星风力发电网  来源:北极星风力发电网  作者:刁书广 张磊等  2018/4/9 10:47:47  我要投稿  

北极星风力发电网讯:《GB51096风力发电场设计规范》自颁发并实施已将近三年,主要内容包括:风能资源及发电量计算、电力系统、风力发电机组、电气、辅助及附属设施、建筑结构、环境保护与水土保持、消防、海上风电场等等章节,内容多但精炼,条文杂但精简,鉴于部分从业人员对本规范部分条文不甚了了,根据多年工作设计经验,笔者不才,愿就所知,以表己见,如有不当,烦请指正。

7.1.1条:机组变电单元的电气接线应符合下列规定:

1、风力发电机组与机组变电单元宜采用一台风力发电机组对应一组机组变电单元的单元接线方式。经技术经济比较后,也可采用两台风力发电机对应一组机组变电单元的扩大单元接线方式。

注解:笔者曾走遍不止50于个风场,目前最常见的风机主接线依然是一台风力发电机组对应一台机组升压变的接线方式,并且具体的主接线方式应根据发电机出口电压等级和技术经济比较而定。3.X MW级及以下风电机组箱变低压侧仍然多用690V标称电压,部分风电整机厂商甚至5.X MW级海上风电机组低压侧也沿用690V电压的方式,在风电机组视在容量一定的前提下,发电机出口电压低,发电机出口电流则会很大,根据载流量选择的缆线截面也会增大,同时电压损失、有功损失等也需要考虑,故若发电机出口电压为低压,如690VAC,则仍然建议采用一台风力发电机组对应一组机组变电单元的单元接线方式。扩大单元接线是随着风力发电机出口电压由低压(1000V以下)上升为中压(如3.3KV),可以用两台风力发电机组对应一台机组升压变,这样做的优点是节省升压变的投资,但缺点也很明显,即降低了供电可靠性,且风力发电机与升压变的距离增加,无疑增加了电缆的使用量,还需要计算线缆的电压损失,故需要做技术经济比较。

2、机组变电单元的高压电气元件应具有保护机组变电单元内部短路故障的功能。

3、机组变电单元的低压电气元件应能保护风力发电机组出口断路器到机组变电单元之间的短路故障。

4、机组变电单元与集电线路间宜设置明显的断开点。

注解:提到机组变电单元,不得不提到工业与民用常用变压器的两种型式,即组合式变压器(俗称美变)和预装式变电站(俗称欧变)。笔者所走过的风场中,绝大多数机组变电单元为组合式变压器,偶尔会碰到欧式变压器。组合式变压器是在简化高、低压控制、保护装置的基础上,将高、低压配电装置与变压器主体一齐装入变压器油箱,使之成为一个整体。高压侧保护一般为负荷开关+插入式熔丝、后备熔丝组成,高压元件密封在油箱内,密封性更好,所以适合用在环境条件恶虐的风力发电场,沿海风力发电场的组合式变压器防护等级应达到IP65,经常出现沙尘或风雪天气的风力发电场的组合式变压器防护等级至少应达到IP54,可视具体环境而提高。组合式变压器体积仅为同容量预装式变电站的体积的1/3左右,同样价格也比预装式变电站低的多,且有《NB/T31061 风力发电用组合式变压器》标准支撑,故在小容量风力发电机组(按《NB/T31061风力发电用组合式变压器》的规定为3150KW及以下,按本文规范为2000KW及以下)中占有绝对地位。

用于变压器回路的高压交流熔断器的熔断件的弧前时间-电流特性应具有:

1)在0.1s以下范围内有较高的动作电流,以耐受变压器涌流并提供与二次侧保护装置的良好配合。

2)在10s以下范围内有较低的动作电流,以保证绕组故障、二次侧故障以及(适用时)一次侧对地故障的快速消除,并提供与电源侧过电流保护装置的良好配合。

高压交流断路器的熔断件、变压器以及电源侧和负载侧可能的保护装置的保护配合特性如下图

图1 变压器高压侧熔断器保护特性配合曲线

机组容量超过一定容量后,高压熔断器选型变得十分困难,且其保护特性往往不能满足要求。故不得不采用高压交流断路器作为保护设备,且需配置电流互感器、保护测控一体化装置进行断路器整定,实现机组变电单元测控功能及变压器完善的保护功能,故价格高出许多。故只要高压熔断器的保护特性满足要求,风力发电场机组升压变就宜采用熔断器保护以节省投资。

无论变压器高压侧采用高压熔断器或高压断路器,变压器低压侧均采用低压断路器(针对常用发电机出口电压690VAC),按规范要求该低压断路器应能保护风力发电机组出口断路器到机组变电单元之间的短路故障,笔者认为该低压断路器还应作为风电机组出口断路器的后备保护,在风机出口断路器拒动时,变压器低压断路器应做出动作反应,保证及时切断机组内短路故障,防止事故扩大。笔者走过数个风场,发现比较严重的问题是该低压断路器保护整定值偏大或未做任何整定,某风场也曾发生风电机组内部短路起火而该变压器低压侧断路器未动作的情况,故在此建议风电场业主严格核查变压器低压侧断路器整定值整定情况,由风机整机厂商、电力设计院和业主三方共同确定变压器低压侧断路器整定值。

针对机组变电单元与集电线路间宜设置明显的断开点,笔者走过的数个风场中,只有部分风场在杆塔出线处设置了高压跌落式熔断器,通过绝缘操作杆拉开跌落式熔断器形成明显隔离断口,充分保证了检修人员的生命安全。

7.1.4 风力发电场变电站中性点接地方式应符合下列规定:

1、主变压器高压侧中性点的接地方式应由所连接电网的中性点接地方式决定;

2、主变压器低压侧系统,当不需要在单相接地故障条件下运行时,可采用电阻接地方式,迅速切除故障;

3、消弧线圈或接地电阻可安装在主变压器低压绕组的中性线上,当主变压器无中性点引出时,可在主变压器低压侧装设专用接地变压器。

注解:风电场变电站主变压器高压侧一般均为110KV或220KV,按《GB/T 50064交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》3.1.1条,110KV~750KV系统中性点应采用有效接地方式。在各种条件下系统的零序与正序电抗之比(X0/X1)应为正值且不应大于3,而其零序电阻与正序电抗之比(R0/X1)不应大于1。110KV及220KV系统中变压器中性点可直接接地,部分变压器中性点也可采用不接地方式。根据该条文要求,风电场主变压器高压侧中性点的接地方式应由当地调度决定,而并非高压侧中性点一定接地才是有效接地方式。实际上,假定整个电网系统高压侧中性点全部接地,那么当系统出现单相接地短路故障时,故障点零序综合阻抗小于正序综合阻抗,单相接地故障电流将大于三相短路故障电流,而电网系统各高压器件的选型、动热稳定是基于三相短路计算而选定的,这样难免会出现高压元器件的烧毁。故电网调度会严格控制系统的零序与正序电抗之比(X0/X1)应为正值且不应大于3,而其零序电阻与正序电抗之比(R0/X1)不应大于1,保证系统高压侧为有效接地方式。

按常理,主变压器低压侧系统一般为35KV标称电压,采用钢筋混凝土杆塔或金属杆塔的架空线时,当单相接地故障电容电流不大于10A时,可采用中性点不接地方式;当大于10A又需要在接地故障条件下运行时,应采用中性点谐振接地;若由电缆线路构成风力发电场集电系统,当单相接地电容电流较大时(一般大于30A),可采用低电阻接地方式,因电缆出现单相接地故障一般均为永久性故障,应及时切除故障防止事故扩大,应动作于跳闸。故按常理应首先计算风电场35KV侧单相对地短路电容电流,再根据短路电流的大小决定主变压器低压侧中性点接地方式。而实际上,针对风力发电系统是有特殊要求的,即结合我国电网现状,当接入的电网十分薄弱,尤其是在我国偏远地区,单相接地运行会影响电网稳定时,即不需要在单相接地故障条件下继续运行,可采用低电阻接地方式,动作于跳闸,目的是保护电网的稳定运行。如果电网允许,则优先选用中性点不接地或经消弧线圈接地,但是系统应采用小电流选线装置迅速切除故障线路,详见下文解注。如果主变压器中性点未引出,即主变低压侧角型接线,可在主变压器低压侧装设专用接地变压器,即曲折变(Z变),见下图2。接地变压器的容量计算及消弧线圈选型可参考《DL/T5222 导体和电器选择设计技术规定》第18章节,在此不一一赘述。

图2 接地变压器

7.9.5 汇集线路保护配置应符合下列规定:

1、中性点不接地或经消弧线圈接地的汇集线路,宜装设两段式电流保护,同时配置小电流接地选线装置,可选择跳闸;

2、中性点经电阻接地的汇集线路,宜装设两段三相式电流保护及一段或两段零序电流保护。

解读:根据国家电网调【2011】974号《关于印发风电并网运行反事故措施要点的通知》附件《风电并网运行反事故措施要点》第7款:风电场汇集线系统单相故障应快速切除。汇集线系统应采用经电阻或消弧线圈接地方式,不应采用不接地或消弧柜接地方式。经电阻接地的汇集线系统发生单相接地故障时,应能通过相应保护快速切除,同时应兼顾机组运行电压适应性要求。经消弧线圈接地的汇集线系统发生单相接地故障时,应能可靠选线,快速切除。汇集线保护快速段定值应对线路末端故障有灵敏度。汇集线系统中的母线应配置母差保护。

由以上可知,为避免35KV风电汇集线路单相接地故障事故扩大,对于35KV中性点经消弧线圈接地风电汇集线路,应配置带跳闸功能的小电流接地选线装置,单相接地时,选择跳闸。此条为国家电网公司强制要求。974号文中明确提出风电场汇集线系统不应采用不接地方式,而本规范却有提出中性点不接地方式,笔者认为,如果配置的小电流接地选线装置动作可靠无误,出现单相接地故障时即通过选线,迅速切除故障线路,目的殊途同归。并且,本规范实行日期教2011年晚了四年多,科学技术的进步足以弥补历史特殊情况下制度的不足。中性点不接地或经消弧线圈接地时,单相接地电流较小(小于10A),需要通过小电流选线装置切除故障线路。而中性点经小电阻(电阻小于10欧姆)接地,单相接地故障电流约为数百安培,装设单独的零序电流保护具有较高的动作可靠性和灵敏性,故可迅速切除故障线路。

未完待续……

作者单位:

刁书广  顾文龙  东方 电气(通辽)风电工程技术有限公司

张 磊  北京京能新能源有限公司沈阳分公司

马凤龙  新疆金风科技股份有限公司

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原标题:《GB 51096风力发电场设计规范》部分条文解读连载(一)

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