水泵水輪機組泵工況的異步全壓直接啟動研究

張 蕾，毛 敏，周宇飛

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710001）

隨著大容量同步電動機在水利行業(yè)的廣泛應用，對大型泵站同步電機啟動的研究已成為水利電力工程領(lǐng)域研究的重要課題[1]。本文以三河口泵站12 MW水泵水輪機組同步電動機運行啟動為例，對異步全壓直接啟動進行研究。

1 工程概況

三河口泵站（電站）是陜西省引漢濟渭工程三河口水利樞紐工程的重要組成部分[2]。泵站裝設(shè)四臺機組，其中兩臺常規(guī)水輪發(fā)電機組單機容量為20 MW，兩臺水泵水輪機組單機容量為12 MW。四臺機組通過兩臺容量為40 MVA的電力變壓器以LGJ-240導線一回接入約6.5 km遠的大河壩變電所（近期）110 kV母線，另一回接入約21 km遠的黃金峽變電站（遠期）110 kV母線。電動機母線采用單母線分段接線，水泵水輪機組按照“一機（組）一變（壓器）”方式配置。

三河口水利樞紐具有發(fā)電和供水兩種運行工況。供水工況下，水位和流量變化較大，要求機組變轉(zhuǎn)速運行，且采用變頻調(diào)速技術(shù)來實現(xiàn)，所以該泵站水泵水輪機組供水工況作同步電動機運行時采用變頻啟動方式。在變頻器選型上，雖考慮了雙支路變頻器，一個支路故障不會影響機組的啟動，但變頻器整個出現(xiàn)故障時，則機組無法正常啟動，將給供水工程運行造成重大影響。故三河口泵站水泵水輪機組只有變頻啟動方式一種啟動方式。且初步設(shè)計審查期間，水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院專家從工程安全可靠運行的角度出發(fā)，提出論證12 MW水泵水輪機組采用異步全壓啟動作為備用啟動方式的可行性。

2 同步電動機異步啟動計算

2.1 計算條件

1）系統(tǒng)：遠期最小運行方式下，即遠期洋縣330 kV變電所帶214 MW負荷運行，經(jīng)110 kV佛坪變帶8 MW負荷運行、110 kV大河壩變帶6 MW負荷運行，泵站一臺31.5 MVA主變帶一臺電動機啟動時電動機母線電壓。近期洋縣330 kV變電所帶177 MW負荷運行，經(jīng)110 kV佛坪變帶7 MW負荷運行、110 kV大河壩變帶5 MW負荷運行。

2） 水泵水輪機組：Pe=12 MW，Ue=10.5 kV，cosφ=0.85（發(fā)電），cosφ=0.95（抽水）。

3）變壓器：Pe=40 MVA，Ud=10.5%。

4）輸電線路：LGJ-240，L1=6.5 km(近期)，L2=21 km（遠期）。

2.2 電動機啟動母線電壓降計算

按電力系統(tǒng)最小運行方式分別計算近期和遠期電動機啟動時母線電壓降。根據(jù)參數(shù)計算各元件阻抗并繪制全壓啟動計算等值阻抗圖見圖1。

圖1 全壓啟動計算等值阻抗圖

根據(jù)等值阻抗圖采用標幺值法計算三河口泵站12MW水泵水輪機組抽水工況作為同步電動機異步全壓啟動時各節(jié)點母線電壓降和機端電壓。計算結(jié)果見表1。

表1 異步全壓啟動母線電壓及機端電壓計算表

2.3 電動機啟動要求的機端電壓計算

同步電動機是否允許異步全壓啟動，除啟動時的母線電壓降外，還應符合制造廠對該電動機所規(guī)定的啟動條件，如電動機結(jié)構(gòu)和啟動時電動機端子電壓等。三河口泵站水泵水輪機組抽水工況作為同步電動機啟動時克服水泵靜阻轉(zhuǎn)矩，所需要的電動機最低啟動端電壓為：

式中：Uqd為電動機端電壓標幺值；Mj為水泵靜阻轉(zhuǎn)矩標幺值，取0.3；Mqd為電動機啟動轉(zhuǎn)矩標幺值，廠家提供取0.91。

2.4 電動機啟動時間計算

大型同步電動機異步全壓啟動的時候，由于負載過重或供電電壓太低導致沒有在規(guī)定的時間內(nèi)達到準同步轉(zhuǎn)速，從而可能導致啟動失敗。所以對大型同步電動機啟動時間tD也是啟動計算中的重要指標之一。

由電磁轉(zhuǎn)矩平衡方程式：

可得出異步電磁力矩轉(zhuǎn)差率關(guān)系曲線見圖2。

圖2 異步電磁力矩與轉(zhuǎn)差率關(guān)系曲線

將ΔM化簡為以電動機額定轉(zhuǎn)矩為基準的標幺值，ω用機械角速度表示，則：

啟動時間：

其中：Tj為慣性時間常數(shù)，Tj=5.486s；tD為啟動時間；GD2為慣性矩，GD2=93t·m2；ne為同步轉(zhuǎn)速,ne=500 轉(zhuǎn) /min；Pe為額定功率，Pe=12000 kW；ω為角速度，ω=1-S，S為轉(zhuǎn)差率取0～1。

由此可計算得出，三河口泵站啟動時間為tD=12.76 s。

3 啟動過程熱穩(wěn)定計算

電動機在啟動和運行過程中都會產(chǎn)生發(fā)熱損耗。對于大型機組，發(fā)熱問題更為嚴重。啟動過程中溫升過高直接影響機組的使用壽命和運行的可靠性。阻尼繞組能夠調(diào)節(jié)同步電動機的動態(tài)穩(wěn)定，是機組發(fā)熱的主要部件之一。泵站水泵水輪機組阻尼繞組的啟動溫升，包括籠條和端環(huán)兩部分發(fā)熱溫升。

3.1 籠條的溫升

式中：M、M0為電動機電磁轉(zhuǎn)矩，負載轉(zhuǎn)矩；RB，RK為阻尼條，阻尼環(huán)電阻占比；CB為阻尼繞組比熱，kW·s/（kg·℃）；WB為阻尼繞組的質(zhì)量，kg；S為轉(zhuǎn)差率。

計算得：

3.2 端環(huán)的溫升

式中：CK為端環(huán)材料的比熱，kW·s/（kg·℃）；WK為端環(huán)總質(zhì)量，kg。

計算得：

考慮啟動過程會向轉(zhuǎn)子鐵芯散發(fā)部分熱量以及空氣散熱的影響：

為保證電動機運行安全可靠，按照規(guī)定，阻尼繞組啟動過程溫升應不大于300℃。通過上述計算，三河口泵站電動機阻尼繞組溫升高于300℃，超過機組的啟動和運行的規(guī)定。

4 機組啟動過程影響分析及對策

4.1 對廠用電系統(tǒng)的影響及優(yōu)化措施

根據(jù)啟動計算結(jié)果，三河口泵站12 MW大型水泵水輪機組在遠期最小運行方式下啟動時，電動機母線電壓為65.1%，啟動時電動機端子電壓大于克服水泵靜阻力矩要求的電壓0.602，根據(jù)泵站設(shè)計規(guī)范當啟動引起的電動機端子電壓能夠保證所拖動的機械要求的啟動轉(zhuǎn)矩，且啟動引起的電壓波動不妨礙其他用電設(shè)備的工作，電壓降可不受85%的限制[3]。因此，三河口泵站水泵水輪機組可以克服水泵靜阻力矩異步全壓啟動。機組連接方式采用一機（組）一變（壓器）接線方式，啟動時每段母線只有啟動電動機一臺機組，對其他電動機不會造成影響。但是由于三河口泵站廠用電源取自電動機母線，廠用電系統(tǒng)中的照明，控制保護系統(tǒng)和輔助機械等全廠公用電設(shè)備允許的電壓降為10%，所以啟動時造成的母線電壓下降可能對廠用電系統(tǒng)的供電造成影響。

為解決機組異步全壓啟動時對泵站廠用電系統(tǒng)的影響，保證三河口水利樞紐工程的可靠運行，該工程采用引接兩路外來電源作為備用電源以保證機組啟動時廠用電系統(tǒng)的供電安全。該電源一路引接自35 kV施工變電所10 kV母線；另外一路由壩區(qū)10 kV母線引接。這樣，泵站正常運行時廠用電源由機組10 kV母線供電。異步全壓啟動時，由兩路外來備用電源供電。避免了機組啟動對廠用電系統(tǒng)的影響。

4.2 熱穩(wěn)定分析及對策研究

由熱穩(wěn)定計算可知，影響三河口泵站電動機啟動溫升和啟動時間的內(nèi)在因素有機組轉(zhuǎn)動慣量和啟動轉(zhuǎn)矩，外在因素為水泵的靜阻轉(zhuǎn)矩和電機的端子電壓。為研究三河口泵站水泵水輪機組發(fā)熱對電動機異步全壓啟動的影響，結(jié)合工程情況假設(shè)三種條件進行啟動計算結(jié)果見表2。

表2 不同條件阻尼繞組溫升計算結(jié)果

由表2可知，在三河口泵站采用壓水啟動、假設(shè)電網(wǎng)無窮大和減小轉(zhuǎn)動慣量三種方法均可降低電動機啟動過程阻尼繞組的發(fā)熱溫度，具體采用哪種方法可根據(jù)工程實際情況選擇。

5 結(jié)論

綜上所述，三河口泵站12 MW水泵水輪機組能夠克服水泵靜阻力矩異步全壓啟動，啟動對廠用系統(tǒng)的影響及機組熱穩(wěn)定問題可采取一定的措施解決。鑒于我國目前在建或已成的供水工程中12 MW及以上同步電動機還從未有采用直接啟動的先例，如果在此類工程中采用異步全壓啟動方式，還需要考慮電機制造過程中要滿足啟動要求增加的電機制造成本及技術(shù)難度所帶來的問題以及機組變化對廠房結(jié)構(gòu)及尺寸的要求。