同步電動(dòng)機(jī)在10kV 長(zhǎng)線路直供泵站中的應(yīng)用分析

郭文會(huì)

（中山市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司,廣東 中山 528403）

珠三角地區(qū)等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū),電力系統(tǒng)無(wú)35 kV 電壓等級(jí),大中型排灌泵裝機(jī)容量一般為幾千至上萬(wàn)kW,受制于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)影響,泵站可選供電電壓等級(jí)為110 kV、220 kV 或10 kV,但建設(shè)110 kV 及以上線路及泵站專用變電站比較困難、投資大,當(dāng)?shù)毓╇姴块T一般僅同意采用10 kV 供電。10 kV電壓等級(jí)供電能力一般為輸送容量0.2 MW～2.0 MW,輸電距離6 km～20 km[1]。當(dāng)10 kV 供電線路較長(zhǎng),泵站單機(jī)容量、總裝機(jī)容量較大時(shí),選用異步電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī),供電線路電壓損失均較大,較難滿足電能質(zhì)量要求。

同步電動(dòng)機(jī)超前運(yùn)行時(shí)為容性負(fù)載,向系統(tǒng)輸出無(wú)功功率,能有效減小供電線路電壓損失,提升泵站10 kV 母線電壓。本文以大涌口泵站工程為研究對(duì)象,按多層輻射形供電網(wǎng)絡(luò)接線為計(jì)算模型,合成負(fù)荷電流精確計(jì)算電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行、啟動(dòng)工況各元件電壓損失,分析各母線電壓、電動(dòng)機(jī)端電壓；并采用電力系統(tǒng)分析軟件進(jìn)行軟啟動(dòng)、變頻器啟動(dòng)建模仿真,得到啟動(dòng)過(guò)程中主要物理量的變化曲線。

1 研究對(duì)象概況

大涌口泵站工程位于廣東省中山市,泵站設(shè)計(jì)流量為300 m3/s,安裝6臺(tái)4000ZGB50-2.38型半調(diào)節(jié)豎井貫流泵機(jī)組,采用齒輪減速箱傳動(dòng),水泵最大軸功率為1702.4 kW,考慮電動(dòng)機(jī)容量?jī)?chǔ)備系數(shù)1.05～1.20 后,水泵配套電動(dòng)機(jī)擬選用額定功率2000 kW、額定電壓10 kV 電動(dòng)機(jī),泵站總裝機(jī)容量為12 MW。

工程可行性研究階段,根據(jù)當(dāng)?shù)毓╇姴块T的供電方案,擬由兩座110 kV 變電站分別各引兩路10 kV 電源給泵站供電,其中變電站A 至泵站10 kV 供電線路長(zhǎng)度約11.5 km,變電站B 至泵站10 kV 供電線路長(zhǎng)度約15.5 km。泵站設(shè)兩段10 kV配電母線,每段母線分別由110 kV 變電站A、B 各引一路10 kV電源供電,兩路電源互為備用。6臺(tái)水泵機(jī)組分兩組,每組3臺(tái),分別接于兩段母線,泵站站用變分接于兩段母線。供電系統(tǒng)接線見圖1。

圖1 供電系統(tǒng)接線圖

圖1 中,系統(tǒng)S1、S2 最小短路容量為2000 MVA；變電站主變壓器參數(shù)為SN=40 MVA,Uk=10.5%,電壓為115±8×1.25/10.5 kV；10 kV 供電線路參數(shù)：YJV-10 kV-3×300,r1=0.079 Ω/km,x1=0.083 Ω/km。泵站擬選用同步電動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：Pe=2000 kW,Un=10 kV,In=134.3 A,極數(shù)為6 極,cosΦN=0.9（超前）,Ist=5.5 In。

2 正常運(yùn)行工況電壓計(jì)算分析

根據(jù)圖1,各母線電壓、電動(dòng)機(jī)端電壓計(jì)算接線見圖2,變電站10 kV 母線電壓可按式（1）計(jì)算,10 kV 供電線路上的電壓降按式（2）計(jì)算。

圖2 各母線、電動(dòng)機(jī)端電壓計(jì)算接線圖

泵站10 kV 母線至電動(dòng)機(jī)電纜選用YJV-10 kV-95 mm2,100 m,按式（2）計(jì)算得電動(dòng)機(jī)額定電流通過(guò)此段電纜,電壓降僅為4 V,忽略此段電纜電壓降影響,即認(rèn)為電動(dòng)機(jī)端電壓與泵站10 kV 母線電壓相等。

按變電站其他負(fù)荷（Sf）取Sf=0.4 SN～0.9 SN,電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行負(fù)載率取0.90,對(duì)正常運(yùn)行工況,各母線電壓進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表1。

表1 正常運(yùn)行工況各母線電壓標(biāo)幺值

式中：Um為變電站10 kV 母線電壓標(biāo)幺值；U0為變電站10 kV母線上的空載電壓標(biāo)幺值,對(duì)于無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓變壓器取1.05,對(duì)于有載調(diào)壓變壓器取1.1[2,3]；S 為變電站主變壓器合成負(fù)荷的標(biāo)幺值,S=（SL+Sf）/SN；考慮計(jì)算的精確度,SL、Sf按向量相加；Uk為變電站主變壓器的阻抗電壓。

式中：ΔUL為供電線路的電壓降標(biāo)幺值；L 為供電線路的長(zhǎng)度,km；IL為泵站運(yùn)行負(fù)荷電流,A；r1、x1為供電線路的單位長(zhǎng)度電阻、電抗,Ω/km；?L為泵站運(yùn)行負(fù)荷的功率因數(shù)角；Un為供電線路標(biāo)稱電壓,kV。

根據(jù)供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[4]的要求,正常運(yùn)行情況下,電動(dòng)機(jī)端子處電壓偏差允許值應(yīng)符合±5%電動(dòng)機(jī)額定電壓要求。

分析表1 知,變電站主變其他負(fù)荷占比為0.4～0.9 倍主變?nèi)萘?變電站主變不超載情況下,泵站1～3 臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí),泵站10 kV 母線電壓標(biāo)幺值（即電動(dòng)機(jī)端電壓標(biāo)幺值）為0.955～1.025 ,滿足規(guī)范要求的正常運(yùn)行情況下,電動(dòng)機(jī)端子處電壓偏差值不大于±5%額定電壓的要求,滿足泵站運(yùn)行要求。

3 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電壓計(jì)算分析

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工況下,各母線電壓、電動(dòng)機(jī)端電壓計(jì)算接線見圖2,變電站10 kV 母線電壓按式（1）計(jì)算,供電線路電壓損失為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、泵站運(yùn)行負(fù)荷電流在供電線路上產(chǎn)生的電壓損失之和,按式（3）計(jì)算。

根據(jù)泵站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[5]的要求,機(jī)組啟動(dòng)應(yīng)優(yōu)先采用全電壓直接啟動(dòng)方式,并應(yīng)符合下列規(guī)定：

1）母線電壓降不宜超過(guò)額定電壓的15%；

2）當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)引起的電壓波動(dòng)不致破壞其他用電設(shè)備正常運(yùn)行,且啟動(dòng)電磁力矩大于靜阻力矩時(shí),電壓降可不受15%額定電壓的限制。

對(duì)于配電上未接照明負(fù)荷或其他對(duì)電壓下降敏感的負(fù)荷且電動(dòng)機(jī)不頻繁啟動(dòng)時(shí),配電母線電壓不應(yīng)低于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的80%[6]。

式中：ΔUL為供電線路的電壓降標(biāo)幺值；?d為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的功率因數(shù)角,同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)為異步電動(dòng)機(jī),啟動(dòng)功率因數(shù)按0.4 計(jì)算。

泵站10 kV 母線至電動(dòng)機(jī)電纜選用YJV-10kV-95 mm2,100 m,按式（3）計(jì)算得電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流通過(guò)此段電纜,電壓降僅為23 V,忽略此段電纜電壓降影響,即認(rèn)為電動(dòng)機(jī)端子電壓與泵站10 kV 母線電壓相等。

克服水泵機(jī)組靜阻轉(zhuǎn)矩,電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí),電動(dòng)機(jī)端子電壓標(biāo)幺值按式（4）計(jì)算[6-7]如下。

式中：Ust為啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)端子電壓標(biāo)幺值；Mj為水泵機(jī)組的靜阻轉(zhuǎn)矩相對(duì)值,一般可取0.3～0.4；MstM為電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩相對(duì)值,即啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值。

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式采用全電壓直接啟動(dòng)、軟啟動(dòng)降壓兩個(gè)方案進(jìn)行分析。軟啟動(dòng)采用斜坡電壓、限制啟動(dòng)電流的方式啟動(dòng),起始電壓標(biāo)幺值為0.6,限制啟動(dòng)電流不超過(guò)3.6 倍電動(dòng)機(jī)額定電流,正常運(yùn)行電動(dòng)機(jī)負(fù)載率取0.9。

分析表2 知,同步電動(dòng)機(jī)全電壓直接啟動(dòng),變電站主變其他負(fù)荷占比為0.4～0.9 倍主變?nèi)萘繒r(shí),變電站10 kV 母線電壓標(biāo)幺值為0.983～1.025,電壓偏差不超過(guò)±2.5%,電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)對(duì)變電站10 kV 母線電壓影響較??；泵站10 kV 母線電壓標(biāo)幺值為0.733～0.798,電壓偏差已超過(guò)-20%,供電線路電壓損失過(guò)大,電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)對(duì)泵站10 kV 母線電壓影響較大,不滿足泵站母線電壓標(biāo)幺值不低于0.85 的要求。

表2 全電壓直接啟動(dòng)各母線電壓標(biāo)幺值

分析表3 知,同步電動(dòng)機(jī)采用軟啟動(dòng),電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流倍數(shù)Kst=3.6,變電站主變其他負(fù)荷占比為0.4～0.9 倍主變?nèi)萘繒r(shí),變電站10 kV 母線電壓標(biāo)幺值為0.991～1.035,電壓偏差為-0.1%～＋3.5%,電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)對(duì)變電站10 kV 母線電壓影響較?。槐谜?0 kV 母線電壓標(biāo)幺值為0.815～0.882,能滿足克服泵機(jī)組靜阻轉(zhuǎn)矩所需的最低啟動(dòng)電壓要求,但由于泵站母線上接有站用電及泵站內(nèi)輔助機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)、保護(hù)控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等設(shè)備,這些設(shè)備允許的電壓偏差范圍大多數(shù)為±10%[2],所以軟驅(qū)啟動(dòng)不滿足要求。

表3 軟啟動(dòng)（Kst=3.6）各母線電壓標(biāo)幺值

對(duì)于排水泵站,若泵站10 kV 母線未接對(duì)電壓下降敏感的負(fù)荷且電動(dòng)機(jī)不頻繁啟動(dòng),泵站10 kV 母線電壓標(biāo)幺值,可按不低于0.80 考慮,則可基本滿足要求。

4 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)仿真和分析

在電力系統(tǒng)分析軟件中建模對(duì)同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)進(jìn)行仿真,變電站110kV 系統(tǒng)為平衡節(jié)點(diǎn),水泵機(jī)組采用有深槽效應(yīng)的單籠電動(dòng)機(jī)和泵典型參數(shù)。由表2、表3 知2 臺(tái)機(jī)運(yùn)行時(shí),第3 臺(tái)機(jī)啟動(dòng)工況,各母線電壓偏差均較大,按此工況分別對(duì)電動(dòng)機(jī)采用軟啟動(dòng)、變頻啟動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。

4.1 軟啟動(dòng)仿真

軟啟動(dòng)方案仿真設(shè)置如下：在1 s 開始啟動(dòng),變電站10 kV母線除泵站負(fù)荷外其他負(fù)荷占比為0.8,軟啟動(dòng)方式采用定子串電抗啟動(dòng),轉(zhuǎn)速為0 時(shí),k=0.6,轉(zhuǎn)速為95%時(shí),k=1.0。仿真結(jié)果見圖3～圖5。

圖3 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、負(fù)荷轉(zhuǎn)矩、加速轉(zhuǎn)矩

圖4 各母線電壓

圖5 電動(dòng)機(jī)端電壓

分析圖3～圖5 知,電動(dòng)機(jī)1 s 啟動(dòng)后,異步電磁轉(zhuǎn)矩大于水泵機(jī)械阻力轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)加速運(yùn)行,約3.7 s 時(shí)牽入同步,進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。啟動(dòng)過(guò)程中,變電站110 kV 母線電壓標(biāo)幺值在0.996 以上,變電站10 kV 母線電壓標(biāo)幺值在0.93 以上,電壓偏差均較?。槐谜灸妇€電壓標(biāo)幺值為0.806～0.850,整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中,母線電壓標(biāo)幺值低于0.85,持續(xù)時(shí)間約2.7 s,對(duì)泵站站用電負(fù)荷產(chǎn)生較大影響,動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果顯示軟啟動(dòng)方案不滿足啟動(dòng)工況要求。

4.2 變頻啟動(dòng)仿真

變頻啟動(dòng)方案仿真設(shè)置如下：在1 s 開始啟動(dòng),變電站10 kV 母線除泵站負(fù)荷外其他負(fù)荷占比為0.8；變頻器設(shè)置為V/Hz=常量,限制啟動(dòng)電流為1.1 倍電動(dòng)機(jī)額定電流,啟動(dòng)開始變頻器輸出頻率為5%額定頻率,5 s 后達(dá)到工頻。

分析圖6～圖8 知,電動(dòng)機(jī)1 s 啟動(dòng)后,電磁轉(zhuǎn)矩大于水泵機(jī)械阻力轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)加速運(yùn)行,6 秒時(shí)牽入同步,進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。啟動(dòng)過(guò)程中,變電站110 kV 母線電壓標(biāo)幺值基本在1.0,變電站10 kV 母線電壓標(biāo)幺值在0.958 以上,電壓偏差均較??；泵站10 kV 母線電壓標(biāo)幺值為0.941～0.97,啟動(dòng)過(guò)程持續(xù)時(shí)間5 s,變頻啟動(dòng)方式平滑、各母線電壓偏差較小。采用變頻啟動(dòng)方式,滿足電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí),泵站10 kV 母線電壓標(biāo)幺值不低于0.85 的要求。

圖6 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、負(fù)荷轉(zhuǎn)矩、加速轉(zhuǎn)矩

圖7 各母線電壓

圖8 電動(dòng)機(jī)端電壓

5 結(jié)語(yǔ)

同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)超前,向系統(tǒng)輸出無(wú)功功率,可減小10 kV 供電線路電壓損失,有利于提升泵站10 kV 母線電壓,10 kV 長(zhǎng)距離直供泵站選用同步電動(dòng)機(jī),泵站10 kV母線電壓較高,較容易滿足正常運(yùn)行工況,電動(dòng)機(jī)端子處電壓偏差值不大于±5%額定電壓的要求。

供電線路較長(zhǎng),同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng),供電線路電壓損失過(guò)大,泵站10 kV 母線電壓較低,不能滿足要求時(shí),可合理選用軟啟動(dòng)或變頻啟動(dòng)方式啟動(dòng)機(jī)組,能有效解決電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí),泵站10 kV 母線電壓較低的問(wèn)題。

長(zhǎng)距離供電線路,由于線路電阻、電抗值均比較大,在計(jì)算泵站母線電壓時(shí),不可忽略供電線路電阻對(duì)電壓損失的影響,以免計(jì)算結(jié)果偏差較大。并應(yīng)將不同功率因數(shù)的負(fù)荷電流、電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷電流,在各元件上引起的電壓降,分別進(jìn)行向量求和計(jì)算,以取得較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

長(zhǎng)距離直供泵站,同一母線上全部連接同步電動(dòng)機(jī),在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)計(jì)算時(shí),最大一臺(tái)機(jī)組首先啟動(dòng)運(yùn)行組合[6],可能不是最不利的運(yùn)行組合形式,需要對(duì)最大一臺(tái)機(jī)組最后啟動(dòng)的運(yùn)行組合形式進(jìn)行計(jì)算,進(jìn)行對(duì)比。