大容量電機啟動方式對電網(wǎng)的影響

司小慶，王徐延，葉婷，王寶華

(1.南京供電公司，南京市210008;2.南京理工大學(xué)自動化學(xué)院，南京市210094)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，大功率同步電機由于其功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)速不隨負載變化、運行穩(wěn)定性高等［1］優(yōu)點普遍應(yīng)用于各行各業(yè)，已經(jīng)成為工礦企業(yè)的主要動力。大型電機在全壓啟動時，空載啟動電流會達到額定電流的4～7倍，帶載時可達8～10倍［2］。強大的啟動電流會造成較大的線路電壓降落，降低電網(wǎng)電壓，不僅影響其他用電設(shè)備的正常工作，而且也會對動力變壓器產(chǎn)生較大的沖擊［3］。而且，大電機電氣啟動過程中還存在操作問題、設(shè)備配合問題、設(shè)計問題及安裝質(zhì)量問題等［4-5］。因此，對同步電機的啟動方式進行分析研究顯得非常重要。

工程中，大型中壓同步電機往往采用軟啟動方式，而大型同步電機軟啟動技術(shù)由最初的定子串電阻、電抗器降壓啟動，發(fā)展到現(xiàn)在的自耦變壓器降壓啟動，晶閘管調(diào)壓控制的變頻電子軟啟動［6-8］。自耦變壓器降壓啟動需電網(wǎng)提供的啟動電流較小，對電網(wǎng)電壓的影響小。電機用高壓變頻裝置做軟啟動時，啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流可以根據(jù)需要設(shè)定。但是交流電機變頻調(diào)速技術(shù)復(fù)雜，產(chǎn)品價格昂貴，而軟啟動對啟動性能要求不是那么嚴(yán)格，所以變頻器用作軟啟動器是大材小用［9］。

目前，軟啟動技術(shù)已日趨成熟。文獻［10-12］主要介紹了幾種軟啟動方式及其優(yōu)缺點。文獻［13］介紹了某6 300 kW電機起動用自耦變壓器的工作情況，通過具體實例驗證自耦變壓器降壓啟動的優(yōu)勢。文獻［14］提出一種開關(guān)變壓器技術(shù)，可將其作為大型及超大型高壓電機起動的優(yōu)選方法。文獻［15］采用單片機與可控硅制作了一種變頻式軟啟動器，為實現(xiàn)高功率因數(shù)、低諧波的軟啟動器奠定了基礎(chǔ)。上述文獻沒有結(jié)合具體電力系統(tǒng)來詳細討論大容量電機啟動方式對電網(wǎng)電壓降落的影響，并利用討論結(jié)果去確定電機啟動方式及選擇電氣設(shè)備。

本文研究大容量同步電機直接啟動及自耦變壓器降壓啟動對系統(tǒng)母線電壓的影響，通過仿真數(shù)據(jù)和理論計算結(jié)果的對比分析，在考慮提高接入點電網(wǎng)電壓質(zhì)量的同時，將對其他接入電機母線的用戶供電的影響降至最低，為電網(wǎng)安全運行提供指導(dǎo)依據(jù)及技術(shù)支撐。

1 大容量電機啟動

大容量同步電機一般需要通過用戶總降變電所供電，高壓側(cè)一般為35kV及以上電壓等級，低壓側(cè)一般為10kV或6kV;電機開關(guān)柜由戶內(nèi)電纜接至用戶變低壓側(cè)母線，其典型的供用電系統(tǒng)如圖1所示。圖中PCC為公共連接點(point of common coupling)。

設(shè)電機所接開關(guān)柜母線電壓(即電動機額定電壓)為UN。進行電路計算時，采用標(biāo)幺值，基準(zhǔn)電壓取各母線額定電壓。無窮大系統(tǒng)的等效電抗為

式中:SC為系統(tǒng)PCC點的短路容量;SB為基準(zhǔn)功率。

電機接入系統(tǒng)的總阻抗為

式中:ZL1為雙回輸電線路的等值阻抗;XT為用戶總降變的等效電抗;ZL2為用戶變低壓側(cè)出線電纜的等值阻抗。

(1)直接啟動方式下。大容量電機直接啟動時所接開關(guān)柜母線處的等值阻抗為

開關(guān)柜母線的電壓降落為

式中IStart1為啟動電流，其數(shù)值為額定電流IN的n倍。

PCC點處電壓降落為

(2)自耦變壓器降壓啟動方式下。自耦變壓器一般都有幾個可選抽頭，啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩可以靠改變抽頭來調(diào)節(jié)，設(shè)自耦變壓器二次電壓與一次電壓之比為K，則流入電網(wǎng)的啟動電流Istart2只有直接啟動時的K2倍，即

這種方式下，開關(guān)柜母線的電壓降落為

PCC點處電壓降落為

以南京普萊克斯大容量電機啟動為例。該用戶通過雙回110kV線路從220kV板橋變電站受電，用戶總降變電站10kV側(cè)母線分三路向普萊克斯新廠供電:其中1號開關(guān)柜接一期空壓機、聯(lián)壓機、氮壓機的容量為16 MVA;2號開關(guān)柜接二期空壓機，容量合計39 MVA;3號開關(guān)柜接二期聯(lián)壓機與氮壓機。根據(jù)南京電網(wǎng)公司提供的數(shù)據(jù)，在電網(wǎng)最大運行方式下，板橋變電站110kV的短路容量為2 000 MVA;在電網(wǎng)最小運行方式下，板橋變電站110kV的短路容量為1 000 MVA。

結(jié)合普萊克斯項目的實際情況，基準(zhǔn)功率取100 MVA，計算得到電網(wǎng)不同運行方式下，二期空壓機分別采用直接啟動和自耦變壓器降壓啟動方式時開關(guān)柜10kV母線與PCC處母線的電壓降落如表1所示。

表1 直接啟動和自耦變壓器降壓啟動方式下母線電壓降落計算結(jié)果Tab.1 Bus voltage drop calculations under direct starting mode or step-down starting mode of autotransformer

由表1可知:自耦變壓器啟動方式下引起的母線電壓降落要小于直接啟動所產(chǎn)生的壓降;所選取的自耦變壓器抽頭越小，引起的母線電壓降落也越小，電壓質(zhì)量越高;電網(wǎng)短路容量越大，電機啟動引起的母線電壓降落越小。在電網(wǎng)最小運行方式下，無論電機采取何種啟動方式，PCC處母線的電壓降落大于或臨近5%的限值，若要保證電機啟動時PCC處母線的電壓降落滿足要求，則要進一步降低啟動電壓，但這將會造成啟動時間過長;而在最大運行方式下直接啟動時，開關(guān)柜母線電壓降落超過規(guī)定的15%［16］，因此普萊克斯二期空壓機宜在電網(wǎng)大運行方式下采用自耦變壓器降壓啟動。以電機額定值為基準(zhǔn)):直軸同步電抗Xd為116%，直軸暫態(tài)同步電抗Xd'為35%，電樞漏磁電抗XL為15%，交軸同步電抗Xq與交軸暫態(tài)同步電抗Xq'為73%，直軸暫態(tài)開路時間常數(shù)Td0'為3.88 s。

以電網(wǎng)最大運行方式為例，仿真得到電機直接啟動與自耦變壓器降壓啟動(85%抽頭)時，110kV板橋變電站與2號開關(guān)柜母線電壓波形圖如圖3、4所示。

2 啟動方式的仿真分析

根據(jù)實際情況，建立如圖2所示的仿真模型。其中U0為無窮大系統(tǒng)等值模型的電壓，系統(tǒng)PCC點為板橋變電站110kV母線，一期3臺同步電動機接于1號開關(guān)柜，二期空壓機接于2號開關(guān)柜，二期聯(lián)壓機和氮壓機接于3號開關(guān)柜。其中二期空壓機設(shè)置參數(shù)如下:額定功率為19 870 kW，額定電壓為10kV，額定電流為1 165 A，功率因數(shù)為100%，在負載分別為100%、75%、50%情況下的效率分別設(shè)為98.39%、98.3%、97.9%，啟動電流倍數(shù)為 440%。由于二期空壓機采用暫態(tài)模型，須設(shè)置以下參數(shù)(均

圖2 仿真模型Fig.2 Simulation model

圖3 電網(wǎng)大運行方式下，二期空壓機不同啟動方式下110kV板橋變電站電壓波形Fig.3 Voltage waveform of 110kV Banqiao substation under different starting modes of air compressor and large operation mode of power grid

圖4 電網(wǎng)大運行方式下，二期空壓機不同啟動方式下2號開關(guān)柜母線電壓波形Fig.4 Voltage waveform of 2 switchgear under different starting modes of air compressor and large operation mode of power grid

由于仿真中板橋變電站為平衡節(jié)點，故在二期空壓機啟動之前，其電壓為100%，而輸電電纜阻抗的存在會引起電網(wǎng)上的電壓損耗，所以2號開關(guān)柜母線電壓初始值為99.411%。如圖4(a)所示，10 s時，二期空壓機直接啟動，由于同步電機的啟動電流比較大，各母線會產(chǎn)生較大的電壓降落，直到15.78 s時刻空壓機啟動完成，最終電機在36.3 s時刻達到額定運行狀態(tài)。

比較圖4(a)、(b)可以發(fā)現(xiàn)，二期空壓機采用自耦變壓器降壓啟動的過程與直接啟動還是有所不同的。主要體現(xiàn)在:空壓機自耦變壓器降壓啟動過程中，母線電壓降落較直接啟動時變小，在自耦變壓器切除的時刻，由于電動機端電壓突然上升至額定電壓，此時各母線電壓會有明顯的突降，此后電動機慢慢進入同步狀態(tài)，母線電壓也逐漸穩(wěn)定。

理論計算結(jié)果與仿真結(jié)果的比較如表2所示。從表2可看出，電機直接啟動對母線電壓的影響較大，會導(dǎo)致母線電壓降落超過電壓質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。電機若采用自耦變壓器降壓啟動方式，能夠在一定程度上減少母線電壓降落。同時，自耦變壓器采用不同抽頭，也會對母線電壓產(chǎn)生不同的影響。另外，由仿真結(jié)果可知:最大運行方式下同步電機直接啟動所需時間為26.3 s;自耦變壓器降壓啟動方式時，選取85%抽頭時的啟動時間為27.6 2 s，選取80%抽頭時的啟動時間為28.24 s，選取75%抽頭時的啟動時間為29 s。由此可知，電動機直接啟動時間最短，自耦變壓器啟動時間會相應(yīng)增加，且所選抽頭越小，啟動時間越長。綜合考慮母線電壓降落與啟動時間，二期空壓機啟動應(yīng)采用自耦變壓器起動方式，且選取80%的抽頭。在其他運行條件相同的情況下，電網(wǎng)大運行方式下母線的電壓降落要遠小于電網(wǎng)小運行方式下的電壓降落。

表2 仿真與計算結(jié)果匯總Tab.2 Simulation and calculation results

3 結(jié)論

(1)同步電機選取同一啟動方式，系統(tǒng)小運行方式下母線電壓降落明顯高于大運行方式。因此，大容量電動機宜在系統(tǒng)大運行方式下啟動。

(2)在系統(tǒng)大運行方式下，普萊克斯大容量同步電機直接啟動時，PCC處母線電壓降落在5%內(nèi)，而開關(guān)柜母線電壓降落超過15%，無法滿足電壓質(zhì)量要求。若采用自耦變壓器啟動方式，選取自耦變壓器80%抽頭，就能將開關(guān)柜母線電壓降落控制在15%內(nèi)。

(3)大容量同步電機啟動時引起的電壓降落與電網(wǎng)運行方式、系統(tǒng)阻抗、電機參數(shù)等因素密切相關(guān)。若直接啟動時電壓降落過大，宜采用較為經(jīng)濟的自耦變壓器降壓啟動方式。同時，在滿足電壓降落的前提下，宜選擇自耦變壓器較大抽頭，以降低電機啟動時間。

(4)比較仿真分析與理論計算，母線電壓降落的仿真結(jié)果均大于計算結(jié)果。原因是在進行電動機自耦變壓器降壓啟動的工程計算時，只考慮了電動機支路啟動電流，而實際上，與電機并聯(lián)的自耦變壓器二次側(cè)繞組中也存在電流，導(dǎo)致計算結(jié)果較仿真值偏小。因此，理論計算只是粗略地估計電機啟動對母線電壓影響，方法相對較為簡便，而仿真分析的結(jié)果更加準(zhǔn)確、切合實際。

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