风电场电气工程练习答案.doc

《风电场电气工程》练习题
第 1 章风电场和电气部分的基本概念
1. 什么是风电场？
风电场是在一定的地域范围内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。
2. 什么是一次能源和二次能源？
存在于自然界可以直接利用的能源被称为一次能源，无法由自然界直接获取的是二次能源。
3. 什么是电力系统？什么是电气一次部分？什么是电气二次部分？
电力系统：用于生产、传输、变换、分配和消耗电能的系统。
电气一次部分：用于能量生产、变换、分配、传输和消耗的部分
电气二次部分，即用于对本厂站内一次部分进行测量、监视、控制和保护的部分。

第 2 章风电场电气部分的构成和主接线方式
1. 风电场与常规发电厂的区别体现在哪几个方面？
①　 风力发电机组的单机容量小
②　 风电场的电能生产比较分散，发电机组数目多
③　 风电机组输出的电压等级低
④　 风力发电机组的类型多样化
⑤　 风电场的功率输出特性复杂
⑥　 风电机组并网需要电力电子换流设备
2. 风电场电气一次系统主要由哪几个部分组成？各部分的作用是什么？
可以分为四个主要部分：风电机组、集电系统、升压站及厂用电系统。
风电机组用于生产电能；
集电系统将风电机组生产的电能按组收集起来;
升压变电站的主变压器将集电系统汇集的电能再次升高;
厂用电维持风电场正常运行及安排检修维护等生产用电和风电场运行维护 人员在风电场内的生活用电等。
3. 桥形接线有内桥和外桥之分，试分别画出其接线示意图，并说明他们的适用情况。

如右图，内桥接线适用于变压器不经常切换，而线路较长，故障概率较高，所造成的线路需要经常操作的场合；外桥接线适用于变压器切换频繁，或线路较短，故障概率小的场合。
4. 与单母线不分段接线相比，单母线分段接线方式有哪些优点？
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（母线）。
②　 当一段母线发生故障的或需要检修的时候，分段断路器可以断开，保证另一段母线的正常运行。
5. 在下图所示的单母线分段接线中，请说明线路L1 停电检修的操作步骤，并说明理由。

参考答案：
L1 线路停电的操作步骤是：
① 断开 1QF 断路器，并检查1QF 确实在断开位置；
② 断开 13QS 隔离开关，并检查13QS 在分闸位置；
③ 断开 11QS 隔离开关，并检查11QS 在分闸位置；
④ 按检修要求做好安全措施，即可对 L1 线路进行检修。
停电时先断开线路断路器后断开隔离开关，其原因是断路器有灭弧能力而隔离开关没有
灭弧能力，必须用断路器来切断负荷电流，若直接用隔离开关来切断电路，则会产生电弧造
成短路。
停电操作时隔离开关的操作顺序是先断开负荷侧隔离开关13QS，后断开母线侧隔离开
关11QS。这是因为，如果在断路器未断开的情况下，先拉开L1 线路侧隔离开关13QF，即带
负荷拉隔离开关，此时虽然会发生电弧短路，但由于故障点仍在线路侧，继电保护装置将跳
开1QF 断路器以切除故障线路，这样只影响到本线路，对其他回路设备（特别是母线）运行
影响甚小。若先断开母线侧隔离开关11QS 后断开负荷侧隔离开关13QS，则故障点在母线侧，
继电保护装置将跳开与母线相连接的所有电源侧开关，这将导致全部停电，事故影响范围扩
大。

6. 在下图所示的双母线接线中，若正常运行时回路S1、L1 及L3 接于I 段母线，回路S2、
L2 及L4 接于II 段母线，两段母线并列运行，试说明各断路器及隔离开关的状态。若I 段母
线需停电检修，请说明倒闸操作顺序。正常运行时为什么不允许回路的两组母线隔离开关同
时在合闸位置？

断开的有：12QS;52QS;21QS;32QS;41QS;61QS.其余全闭合。
倒闸操作顺序：待续
因为那样的话，一旦一条母线发生故障将无法切出系统。

第 3 章风电场主要一次设备
1. 试简述永磁同步直驱式风力发电机组的特点及工作原理。
特点：风力机与发电机之间没有变速机构（即齿轮箱），而是由风力机直接驱动发电机的转子旋转，为了解决风速变化带来的输出电压频率变动的问题，需要在发电机定子绕组与电网之间配置换流器。转子的转速由风力机的转速决定。当风速发生变化时，风力机的转速也会发生变化，因而转子的旋转速度是时刻变化的。
工作原理：转子绕组中的直流励磁电流，形成相对于转子静止的恒定磁场。当转子在原动机（例如风力机）的驱动下以转速n旋转时，那么定子绕组与转子磁场之间便有了转速为n的相对运动，从而在定子绕组中产生感应电势。
2. 试简述交流励磁双馈式感应风力发电机组的特点及工作原理。
特点：发电机的定子绕组和转子绕组与电网都有电气连接，都可以与电网之间交换功率。定子绕组与电网直接连接，输出电压的频率可以通过转子绕组中的交流励磁电流的频率调节得以控制。
工作原理：换流器先将电网50Hz的交流电整流，得到直流电，再将该直流电逆变为频率满足要求的交流电，用于转子绕组的励磁。
3. 参阅教材图3—8，分析变压器的电—磁—电的能量转换过程。

4. 什么是变压器的“铜损”和“铁损”？
①　 铜导线存在着电阻，电流流过时电阻会消耗一定的功率，这部分损耗往往变成热量而消耗，我们称这种损耗为铜损。
②　 铁心中的磁滞损耗和涡流损耗统称为铁心损耗，简称铁损。
5. 油浸式变压器有哪些主要部件？各部件的基本作用是什么？

油浸式变压器由其核心部件（即铁心和绕组）、分接头和分接开关以及油箱和辅助设备构成。
铁心和绕组作用是实现电磁转换。
分接头和分接开关用于调整电压变比。
油箱作为铁心、绕组和介质液体的容器，其中的油主要用于散热和充当绝缘介质。
6. 常用的开关电器有哪些？他们各有什么功能？
常用的开关电器有断路器、隔离开关、熔断器和接触器。
断路器作用为切断电路。
隔离开关作用是在电气设备和断路器之间形成明显的电压断开点，常用来进行电力系统运行方式改变时的倒闸操作。
熔断器作用是当电路中流有故障电流的时候熔化断开电路从而实现故障时对电路的保护功能。
接触器实现电路正常工作时电路的分合，它只能分合正常电流，无法断开故障电流。
7. 什么是集肤效应？
对于导体中的交流电流，靠近导体表面处的电流密度大于导体内部电流密度的现象。随着电流频率的提高，集肤效应使导体的电阻增大，电感减小。
8. 什么是电晕？
不平滑的导体产生不均匀的电场，在不均匀的电场周围曲率半径小的电极附近当电压升高到一定值时，由于空气游离就会发生放电，形成电晕。
9. 限流电抗器的主要作用是什么？
用于限制系统的短路电流，并能使母线电压维持在一定水平。
10. 电流互感器的作用是什么？为什么电流互感器二次回路不允许开路？
电流互感器串接于一次系统的电路中，将大电流变为小电流。
二次开路会产生的不良后果：
①出现的高电压将危及人身及设备安全；
②铁心高度饱和将在铁心中产生较大的剩磁；
③长时间作用可能造成铁心过热。
11． 电压互感器的作用是什么？为什么电压互感器二次回路不允许短路？
电压互感器并接于一次系统的电路中，将高电压变换为低电压。
电压互感器二次侧线圈匝数比一次侧线圈匝数要少，但线径较大，根据变压器原理，一旦二次侧短路，势必在二次侧引起很大的短路电流，会造成互感器烧毁。

第 4 章风电场一次设备的选择
1. 试简述电气设备选择的技术条件。
A. 按照正常工作状态选择：是否可以承受流过的电流和加于其上的电压。
B. 按照短路状态校验：校验一下其热稳定和动稳定能力。
C. 电气选择的环境因素：根据具体工作场所的实际情况有针对性地选择电气设备的结构和型式（温度，日照，风速，冰雪，湿度，污秽，海拔，地震）。
D. 环境保护：考虑电气设备对周围环境的影响，主要考虑电磁干扰和噪声。
2. 某风电场安装1.5MW 风电机组35 台，每5 台集成一路接入升压变电站，主变低压侧
（10KV）采用单母线分段接线，主变高压侧（110KV）采用内桥接线，经两条架空线路与
系统连接
①试画出电气一次系统主接线图；
②参照表 4-1，请为升压站选择主变压器；
③请确定 10KV 侧及主变高压侧各电流互感器变比。

第 5 章风电场电气二次系统
1. 电流继电器和电压继电器有何作用？他们如何接入电气一次系统中？
电流继电器反映一次回路中的电流越限，常用于二次系统的保护回路，它的继电器线圈接入CT的二次侧交流电流回路，触点则引出至直流控制回路，用以启动时间继电器的动作或直接触发断路器分闸。
电压继电器用于继电保护装置中的过电压保护或欠电压闭锁，其线圈接入PT二次侧的交流电压小母线上，触点用于启动控制回路跳闸或与其它保护继电器组成相关保护逻辑。
2. 某线路相间电流速断保护原理接线图如下，试画出其对应的展开接线图。

展开接线图

3. 某断路器控制回路如下图所示，若断路器QF 原来处于分闸位置，试分析当按下合闸按
钮SB1 时控制回路的工作过程。

QF处于分闸位置，常开触点为开，常闭触点为合，故FU1,LD,R,QF1，QF2，KM,FU2构成回路，绿灯亮，但由于R的的限流作用KM不会动作。当SB1按下时LD和R被短接，FU1,SB1,QF1，QF2，KM,FU2构成回路，绿灯灭，KM动作，QF完成合闸。合闸之后常开触点为合，常闭触点为开，FU1,HD,R,QF3，QF4，YT,FU2构成回路，红灯亮灯亮，但由于R的限流作用YT不动作。

4. 某断路器控制回路如下图所示，若断路器QF 原来处于合闸后位置，试分析当操作控制
开关SA 分闸时时控制回路的工作过程，其中SA 的触点通断表如下（×表示接通）。

QF处于合闸位置，常开触点为合，常闭触点为开，故WC+,HD,R,QF3，QF4，YT,WC-构成回路，红灯亮，但由于R的的限流作用YT不会动作，同时SA9,SA10触电接通，但由于QD5,QF6处于断开状态，不能触发事故音响回路，此时要用SA控制分闸，应该逆时针转45°，SA3，SA4，以及SA7，SA8接通HD和R短接熄灭，YT动作跳闸，分闸之后常开触点为开，常闭触点为合，SA3，SA4和SA5，SA6接通，一起与LD，R，QF1，QF2，KM构成回路，绿灯亮，但由于R的限流作用KM不动作。

第6 章配电装置
1.什么是配电装置的最小安全净距？
最小安全净距指在这一距离下，无论是在正常最高工作电压或出现内、外部过电压时，都不至使空气间隙被击穿。
2. A、B、C、D、E 类安全净距的具体含义是什么？以A1 为基础，他们分别是如何计算
的？
A1——带电部分至接地部分之间的最小电气净距。
A2——不同相的带电导体之间的最小电气净距。
B1——带电部分至栅状遮栏间的距离和可移动设备在移动中至带电裸导体间的距离。
B2——带电部分至网状遮栏间的电气净距。
C——无遮栏裸导体至地面的垂直净距。
D——不同时停电检修的平行无遮栏裸导体之间水平净距。
E——屋内配电装置通向屋外的出线套管中心线至屋外通道的距离。
B1=A1+750（mm）
B2=A1+30+70（mm）
C=A1+2300+200（mm）
D=A1+1800+200（mm）
35kV及以下取E=4000mm；60kV及以上，E= A1+3500 （mm）

第 7 章风电场的防雷和接地
1. 雷电有哪几种常见类型？
直击雷：雷云直接对建筑物或地面上的其他物体放电。
感应雷：包括静电感应雷和电磁感应雷。
球形雷：是一种球形的发红光或极亮白光的火球。
2. 雷电的一般防护有哪几种？
避雷针：由接闪器、支持构架、引下线和接地体四部分构成。
避雷线：由悬挂在被保护物上空的镀锌钢绞线（接闪器）、接地引下线和接地体组成。主要用于输电线路、发电厂和变电站的防雷保护。
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。
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。
接地装置：对地保持一个低的电位差，埋入地中并直接与大地接触的金属导体。
3. 什么是接地？其目的和作用是什么？
接地：在电力系统中，接地通常指的是接大地，即将电力系统或设备的某一金属部分经金属接地线连接到接地电极上。
目的：防止人身触电伤亡，保证电力系统正常运行，保护输电线路和变配电设备以及用电设备绝缘免遭损坏；预防火灾、防止雷击损坏设备和防止静电放电的危害等。
作用：利用接地极把故障电流或雷电流快速自如的泄放进大地土壤中，以达到保护人身安全和电气设备安全的目的。
4. 什么是接触电压？什么是跨步电压？为保证人身安全，对二者各有何要求？
接触电压：即当电气设备绝缘损坏外壳带电时，有可能施加于人体的电压。为保证人身安全（≤50V）。
跨步电压：未触及该设备，但由于人在跨步过程中，两只脚所处的位置不同所产生的电压。同样不允许超过安全电压（≤50V）。
6. 风电场集电线路的防雷性能由哪两个技术指标来衡量？他们的含义是什么？
集电线路防雷性能优劣主要用两个技术指标：耐雷水平和雷击跳闸率来衡量。
耐雷水平是指线路遭受雷击时，线路绝缘所能耐受的不至于引起绝缘闪络的最大雷电流幅值，单位为kA。耐雷水平愈高，线路的防雷性能愈好。
雷击跳闸率是指雷暴日数Td=40的条件下，每100km的集电线路每年因雷击而引起的跳闸次数，它是衡量线路防雷性能的综合指标。

第 8 章风电场中的电力电子设备
1. 什么是整流？什么是逆变？什么是变频？
整流：交流变直流（AC-DC）
逆变：直流变交流（DC-AC）
变频：交流变交流（AC-AC）交交变频电路是把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电的变流电路。
2. 什么是PWM？其基本原理是什么？
脉带宽调（PWM）技术是通过对一系列脉冲的宽度进行调制来有效的获得所需要的波形。
理论基础是面积等效原理，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
3. 试画出采用等腰三角形作为载波实现正弦波调制的PWM 波形。