第三章风电场电气二次系统ppt课件.ppt

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1、第3章 风电场电气二次系统,章节设置3.1 二次系统的构成3.2 继电保护的基本知识3.3 风电场的继电保护配置3.4 风电厂的二次部分3.5升压变电站二次部分3.6升压变电站综合自动化系统3.7风电场继电保护与综合自动化系统的示例,3.3 风电场的继电保护配置,3.3.1 电力线路的保护3.3.2 电力变压器的保护 3.3.3 母线的保护3.3.4 风电机组的保护3.3.5 无功补偿设备的保护,3.3.1 电力线路的保护,3.3.1.1 单侧电源线路相间短路的电流保护1.单侧电源网络相间短路时的电流特征任意点发生三相或两相短路时，流过短路点与电源之间线路 的短路周期分量可以用下式近似计算：,

2、3.3.1.1 单侧电源线路相间短路的电流保护2.电流速断保护只反应电流增大而瞬时动作切除故障的保护，称为电流速断保护，也称为无时限电流速断保护。为保证动作的选择性，电流速断保护一般只保护线路的一部分，保护装置的动作电流整定值应躲开下一条线路出口处短路时通过该保护装置的最大保护电流。 表达式如下：即,3.3.1.1 单侧电源线路相间短路的电流保护3.限时电流速断保护 对它的要求是在任何情况下都能保护线路全长并具有足够的灵敏性，在满足这个前提下具有较小的动作时限。 保护1限时电流速断保护的动作电流应按躲开下一条线路电流速断保护的电流进行整定，即 限时电流速断保护的动作时限比下一条线路的速断保护时

3、限高出一个时间阶段t，即,3.3.1.1 单侧电源线路相间短路的电流保护4.定时限过电流保护定时限过电流保护（简称过电流保护），其动作电流按躲过最 大负荷电流来整定，而时限按阶梯性原则来整定。其保护延时应比下一条线路的过电流保护的动作时间长一个时限阶段t。 定时限过电流保护不仅能保护本线路的全长，还能保护下一线路的全长。既能作为本线路主保护拒动的近后备保护，也作为下一条线路保护和断路器拒动的远后备保护。,3.3.1.1 单侧电源线路相间短路的电流保护5 阶段式电流保护的配合速断保护只能保护线路的一部分；限时电流速断保护能保护线路全长，但却不能作为下一相相邻的后备保护；定时限过电流保护作为本条线

4、路和下一段相邻线路的后备保护。由电流速断保护，限时电流速断保护及定时限过电流保护相配合构成一整套保护，叫做三段式电流保护。,3.3.1.2 线路的方向性电流保护简介对于多电源的复杂网络，简单的电流保护已不能满足要求。在下图所示的双电源网络中，为保证选择性，k1点短路时要求t2 t3。为解决上述矛盾，可以在电流保护中增加一个功率方向继电器，只有当短路功率从母线流向线路时才动作，而短路功率从线路流向母线时不动作。,3.3.1.3 微机三段式电流保护流程图,3.3.1.4 线路的距离保护距离保护反应保护安装处至故障点的电气距离，并根据距离的远近确定动作时限，又称阻抗保护。 距离保护的保护范围由整定阻

5、抗Zset来确定。当ZmZset即短路点在保护范围以内时保护动作，如下图。因此，距离保护也叫低阻抗保护。,阻抗继电器是距离保护的核心元件，主要用作测量元件，也可以作起动元件和兼作功率方向元件。,3.3.1.4 线路的纵联差动保护导引线通道构成的纵联差动保护，以基尔霍夫电流定律为基础，主要是比较被保护线路始端、末端电流的大小和相位，其基本接线下图所示。当故障在线路内部时，如图3-30中k1点，流入继电器KD线圈差动电流为,3.3.1.4 线路的纵联差动保护当流入继电器的差动电流大于启动电流时，继电器启动跳开线路两侧的断路器。为了保证差动保护动作的选择性，差动继电器动作电流必须躲过外部短路流过保护

6、的最大不平衡电流。差动继电器的动作电流还必须躲过单个电流互感器二次回路断线的情况：Krel为可靠系数，取值为1.51.8；IL.max为线路正常运行时的最大负荷电流,3.3.2 电力变压器的保护,3.3.2.1 变压器的故障、异常运行方式及保护配置电力变压器的故障包括油箱内部故障和油箱外部故障 油箱内部故障主要包括高压侧或低压侧绕组的相间短路、匝间短路，中性点直接接地系统的绕组单相接地短路。变压器油箱内部故障是很危险的，因为故障点的电弧不仅会损坏绕组绝缘和铁心，而且会使绝缘物质和变压器油剧烈汽化，可能引起油箱的爆炸。油箱外部故障主要是变压器绕组引出线和套管上发生的相间短路和接地短路（直接接地系

7、统）,3.3.2.1 变压器的故障、异常运行方式及保护配置变压器的异常工作状态主要有过负荷、外部短路引起的过电流、外部接地短路引起的中性点过电压、油箱漏油引起的油面降低或冷却系统故障引起的温度升高等。 变压器的保护配置应有：（1）瓦斯保护。 （2）电流速断保护。（3）纵联差动保护。（4）相间短路后备保护。（5）接地保护。 （6）过负荷保护。,3.3.2.2 变压器的瓦斯保护变压器内部故障时，局部高温将使变压器油体积膨胀，甚至出现沸腾，油内空气被排出而形成上升汽泡。若故障点产生电弧，则变压器油和绝缘材料将分解出大量气体，这些气体自油箱流向油枕上部。利用这些气体实现的保护，称为瓦斯保护。瓦斯保护的

8、主要元件是气体继电器，它安装在变压器油箱与油枕之间的连接导油管中，如下图所示.,1油箱顶盖 2导油管 3气体继电器 4油枕,3.3.2.3 变压器电流速断保护（1）躲开被保护变压器二次侧母线短路时的最大短路电流，即（2）躲开被保护变压器空载合闸时的最大励磁电流，即电流速断保护的优点是结构简单、动作快速，缺点是只能保护变压器的一部分。,3.3.2.4 变压器的纵联差动保护1.变压器纵联差动保护的基本原理下图所示为双绕组变压器差动保护单相原理接线图。变压器两侧分别装设电流互感器TA1和TA2，并按图中所示的极性关系进行连接。 （a）外部故障 （b）内部故障正常运行或外部故障时，差动继电器中的电流等

9、于两侧电流互感器的二次电流之差，为使这种情况下流过继电器的电流基本为零，应恰当选择两侧电流互感器的变比。,3.3.2.5 变压器微机比率制动特性的纵联差动保护变压器微机纵联差动保护装置采用微处理器，可以将差动量与制动量改为数字量计算，利用微机保护强大的计算与存储功能加以实现。在变压器微机纵联差动保护装置中，广泛采用比率制动特性的差动元件，不同型号的联差动保护装置，其差动元件的动作特性不相同，一般有两段折线式、三段折线式、灵敏变斜率等多种比率制动特性。,3.3.2.6 变压器相间短路的后备保护和过负荷保护（1）过电流保护保护的动作电流Iset按躲过变压器的最大负荷电流IL.max定，即 变压器的

10、最大负荷电流应考虑下列两种情况：1）对并联运行的变压器，应考虑其中一台变压器退出后的负荷电流。2）对降压变压器，应考虑负荷中电动机自起动时的最大电流。变压器过电流保护的动作时间应比出线的过电流保护大一个时限级差t。,3.3.2.6 变压器相间短路的后备保护和过负荷保护（2）低电压起动的过电流保护电流元件的动作电流Iset按躲过变压器的额定电流ITN整定，即低电压元件的动作电压Uset按正常运行情况下母线可能出现的最低工作电压来整定，同时，在外部故障切除后电动机自起动的过程中，保护必须返回。,3.3.2.6 变压器相间短路的后备保护和过负荷保护（3）变压器的过负荷保护变压器的过负荷保护反应变压器

11、对称过负荷情况下的过电流。保护用一个电流继电器接于一相电流回路中，经较长的延时（一般取1015s）后发出信号。电流元件的动作电流Iset按躲过变压器的额定电流ITN整定，即,3.3.3 母线的保护,3.3.3.1 完全电流差动保护在母线的所有连接元件上装设具有相同变比和特性的电流继电器。正常运行或外部故障时，流进、流出母线的电流之和为零，即流入差回路的电流为零，保护不动作；母线故障时，流入差回路的电流为短路电流的二次值，保护动作，接于母线上的所有断路器断开。接线原理图：,3.3.3.1 完全电流差动保护（1）躲开外部短路时的最大不平衡电流Iunb.max（2）躲开最大负荷电流IL.max,3.

12、3.3.2 电流比相式母线保护电流比相式母线保护的基本原理，是根据母线外部短路或内部短路时连接在该母线上各元件电流相位的变化来实现的。正常运行或保护范围外部故障时，流进、流出母线电流的相位相反，相位差为180，保护不动作。当母线短路故障时，各有源支路的电流相位几乎相同，保护瞬时动作。,3.3.3.3 双母线同时运行时的母线保护双母线同时运行时，元件固定连接的电流差动保护主要由三组差动保护组成，其原理接线图如下图所示。 （a）母线上故障 （b）外部故障,3.3.4 风电机组的保护,3.3.4.1 电压保护1.瞬态过电压保护三相电压中任一相电压瞬时过高时，发电机都应退出运行。根据运行经验，过电压元

13、件的动作电压Uset通常取Krel为可靠系数，取Krel=1.11.2；UGN为风力发电机的额定电压。,3.3.4.1 电压保护2.持续过电压保护根据运行经验，过电压元件的动作电压Uset通常取 式中，Krel为可靠系数，取Krel=1.071.15。动作时间一般取为t=1min。相电压在规定的时间（一般大于复位时间5min）低于复位设置值时，保护必须返回。,3.低电压保护低电压元件的动作电压Uset按三相电压中任一相电压低于正常运行情况下母线可能出现的最低工作电压来整定。根据运行经验，通常取 式中，Krel为可靠系数，取Krel=0.80.85。动作时间一般取为t=0.150.3s。相电压高

14、于复位设置值时，保护必须返回。,3.3.4.2 三相不平衡保护在风力发电机并网及运行时，必须对三相不平衡度进行检测。如果三相电流不平衡度过大，保护必须可靠动作停止发电机运行，而且禁止自动复位。根据对称分量法，三相系统中的电气量可以分解为正序、分量和零序三个对称分量。三相负载的不平衡度通常表示为I1为电流正序分量均方根值；I2为电流负序分量均方根值。,3.3.4.3 过电流保护发电机过电流保护采用单相式定时限电流保护，动作电流Iset按躲过发电机的最大负荷电流IL.max（一般取发电机的额定电流）来整定，即Krel可靠系数，取1.051.15。返回系数Kre一般为0.850.9。过电流的动作时间

15、一般取t=0.150.3s，使断路器跳闸，并且不允许自动复位。,其他保护：过功率保护、 超速保护、频率保护 、齿轮油温保护、发电机温度保护、逆功率保护、切出风速保护、并网次数限制保护等,3.3.5 无功补偿设备的保护,当电容器组与断路器之间连线发生短路故障时，应装设反应外部故障的过电流保护。三相三继电器接线的过电流保护原理接线图如下图所示。,电流继电器的动作电流按下式计算：,3.4 风电厂的二次部分,3.4.1 风电机组的保护、控制、测量和信号处理3.4.2 箱式变电站中变压器的保护、控制、测量和 信号处理3.4.3 风电厂控制室的控制、测量和信号处理3.4.4 风电厂远动,3.4.1 风电机

16、组的保护、控制、测量和信号处理,风力发电厂的监控系统分为三种形式：1.风力发电机现场控制单元，该控制单元由微处理器构成,对机组实现单机控制、保护、测量和信号处理。2.对各台风力发电机组进行集中监控的中控室监控系统。3.远方（业主营地或调度机构）对风力发电机组进行监视的远方监视系统。这些监控单元或监控系统的主要功能为：1.根据风速信号自动进行启动、同期并网或从电网切出。2.根据风向信号自动对风。3.根据功率因数及输出电功率大小自动进行电容切换补偿。4.脱网时保证机组安全停机。5.运行中对电网、风况和机组状态进行监测、分析与记录，异常情况判断及处理。,3.4.2 箱式变电站中变压器的保护、控制、测

17、量和信号处理,依据继电保护和安全自动装置技术规程（GB 14285-2006）和电力装置的继电保护和自动装置设计规范（GBT_50062-2008），箱式变电站中变压器可以配置高压熔断器保护、避雷器保护和负荷开关，采用高压熔断器作为短路故障的保护，避雷器用于防御过电压，负荷开关用于正常分、合电路，不装设专用的继电保护装置。,3.4.3 风电厂控制室的控制、测量和信号处理,风电厂控制室布置在升压变电所内，与升压变电所中控室在同一房间内。在中控室内采用微机对风电厂厂区中的风力发电机组进行集中监控和管理。,3.4.4 风电厂远动,风电厂远动是指应用通信技术，完成风力发电厂遥测、遥信、遥控、遥调等功能

18、的总称。遥测、遥信、遥控、遥调即为风电场综合自动化中的“四遥”，加上遥视单元，可以构成“五遥”。,3.5 升压变电站二次部分,3.5.1 升压变电站的控制、测量、信号 3.5.2 升压变电站的继电保护配置 3.5.3 升压变电站的操作电源系统 3.5.4 升压变电站的图像监控,3.5.1 升压变电站的控制、测量、信号,对于110kV及以上电压等级的升压变电站，其控制、测量和信号系统选择主要遵循以下原则：1) 变电站的主要电气设备可现地控制也可采用集中监控系统。2) 隔离开关、与相应的断路器和接地开关之间，装设闭锁装置。3) 变电所监控系统结构分为站级层和间隔层，网络按双网考虑，通信介质采用光纤

19、，站级层采用总线型结构。,3.5.2 升压变电站的继电保护配置,（1）主变压器保护配置（2）110kV或220kV线路保护（3）站用变压器保护（4）10或35kV线路保护（5）10或35kV电容器保护（6）其他配置,3.5.3升压变电站的操作电源系统,升压变电站操作电源系统包括直流和交流两种形式。交流电源供电的集中监控设备可由交流不停电电源供电；升压变电站直流系统电压一般采用DC 220V，并配以蓄电池及其充放电装置。,3.5.4 升压变电站的图像监控,升压变电站图像监控系统主要监视的场所包括：主变压器、电容器室、GIS 室、高低压开关室、进厂大门、主要风力发电机位等重要部分。监控系统可采用具

20、有多媒体技术支持数字式装置，该系统主要由三部分组成：第一部分在主要监视的场所的各个重要部位，安装监控前端设备一体化球机；第二部分为传输网络，主要完成将前端设备的音视频信号和监控信号传输到监控中心，并预留远程传输接口，传输介质采用同轴电缆或光纤；第三部分为监控中心，主要包括多媒体数字监控系统主机、长时间录像机、打印机等。,3.6 升压变电站综合自动化系统,3.6.1 概念和特点3.6.2 系统功能3.6.3 系统结构,3.6.1 概念和特点,变电站综合自动化系统要完成对变电站主要设备及输配电线路的自动化监视、测量、控制及保护，并具有与上级调度中心通信等调度自动化功能。 从系统设计的角度来看，升压

21、变电站综合自动化系统有以下特点：（1）分布式设计。（2）集中式设计。（3）简单可靠。（4）可扩展性。（5）兼容性好。,3.6.2 系统功能,现代的升压变电站综合自动化系统的功能主要体现在以下几个方面：1）监测变电站运行状态，并对变电站设备进行实时控制。2）调整有功潮流、无功补偿设备，保证电能质量，降低网损，提高运行经济性。3）自动抄表和负荷控制，实现用户自动化，保证重要用户供电，提高负荷率，提高供电综合效益及减少抄表工作量。4）继电保护管理及处理事故，迅速恢复供电。5）小电流接地系统单相接地选相及测距。6）一次变电设备在线状态检测，为状态检修提供依据。,3.6.2 系统功能,一般情况下系统可按

22、以下基本功能配置。1.升压变电站单线图2.数据采集、处理3.运行监视4.调整继电器整定值5.操作闭锁6.模拟量采集及报表产生,3.6.3 系统结构,3.6.3.1 系统逻辑分层 根据IEC 6185A通信协议草案定义，升压变电站综合自动化系统在逻辑上可分为三层：过程层、间隔层、站控层 。,3.6.3.1 系统逻辑分层 过程层是一次设备与二次设备的结合面，也是监控系统的终端（远方数据终端RTU）。过程层的主要功能包括：1）运行参数实时检测2）开关设备运行状态在线采集、检测3）操作控制的执行与驱动,3.6.3.1 系统逻辑分层间隔层主要设备有前置机及网络服务器，主要功能包括：1）汇总本间隔过程层实

23、时数据信息；2）实施对一次设备保护控制功能；3）实施本间隔操作闭锁功能；4）进行同期操作及其他控制功能；5）对数据采集、统计运算及控制命令的发出具有优先级别的控制；6）承上启下的通信功能。,3.6.3.1 系统逻辑分层站控层是变电站的监控中心，内有工控机、显示器、打印机、键盘UPS电源、报警设备等，其主要功能包括：1）实现SCADA功能（数据采集与监视控制）。2）具有对间隔层、过程层各设备的在线维护、在线组态，在线修改参数的功能。3）具有配电站故障自动分析和操作培训功能。4）用电管理。5）线损管理。6）根据电压和功率因数切投电容器，在就地调节情况下能够远方监视和远方控制。7）小电流接地的选线、

24、选相及测距，可进行小电流接地的选线及选相，通过合适的软件配置，亦可进行测距。,3.6.3.2 系统结构形式1）集中式结构由两部分组成：一台或多台计算机完成变电站所有继电保护和自动装置的功能；一台或多台工控机完成RTU功能、当地监控功能、人机联系功能。,2）分布式系统集中组屏结构把集中式结构系统的工控机用多个小计算机系统代替，以减轻工控机的工作、提高系统的可靠性。,3）面向对象的分层分布分散式结构这种分层分布分散式结构的系统按纵向分为三层：间隔层，网络层，变电站层。每个间隔层由多种不同的单元设备组成。,4）全分散式结构全分散式式结构在面向对象的分层分布分散式结构的基础上进行了更进一步改进，具体见

25、下图。,3.7 风电场继电保护与综合自动化系统的示例,3.7.1 风电场的相关数据 3.7.2 风力发电机的二次部分3.7.3 升压变电站的二次部分,3.7.1 风电场的相关数据,某风电场规划安装116 台风力发电机组，单机额定功率为1500 kW, 额定电压为0.69kV。每台风力发电机组均采用发电机-变压器组单元接线方式升压后接至35kV 集电线路；变压器额定容量为1600kVA，为箱式升压变电站结构，电压比为38.522.5%/0.69kV，接线组别为Dyn11；集电线路采用每10或9台变压器为一组，通过“放射形”连接方式接入风电场升压变电站。,升压变电站建设2台有载调压主变压器，容量为

26、2100 MVA，电压为11582.5%/36.75kV，接线组别为YNy0；电气主接线规划为110单母线接线，35侧采用单母线分段接线。110kV出线1回，接入系统的一个220kV变电站110kV侧。升压变电站站用电电压为380/220V。升压变电站设1台容量为500kVA站用工作变压器，电源由35 母线引接，额定电压为36.75/0.4kV。同时设1台站用备用工作变压器，由站外10kV线路引接，电压为1022.5%/0.4kV，接线组别为Dyn11，容量为400kVA。考虑到站外10kV线路为农电线路，输电距离较长，在站内设并联电容器组自动分级补偿装置，用于改善电压质量。,3.7.2 风力

27、发电机的二次部分,风力发电机组设有过电流、过载、堵转、三相不平衡、缺相、过压、低压、逆功率等保护，保护装置动作后跳开风力发电机出口空气断路器并发出动作信号。风力发电机组的电气控制系统以可编程控制器为核心，可以完成运行控制、状态检测、安全保护的职能。控制系统配备有多种通信接口，能够实现就地及远程通信。通过光缆，可以实现在风电场升压变电站对各台风力发电机组的管理和控制。,3.7.3 升压变电站的二次部分,为便于集中控制，升压变电站采用集中式设计将所有的控制保护单元集中布置，整个升压变电站二次系统结构非常简单清晰。其中继电保护由下列装置组成：（1）线路保护装置（2）主变压器保护装置（3）母线保护装置,