大容量電機啟動方式對電網的影響

司小慶，王徐延，葉婷，王寶華

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

0 引言

隨著現代工業的發展，大功率同步電機由于其功率因數高、轉速不隨負載變化、運行穩定性高等［1］優點普遍應用于各行各業，已經成為工礦企業的主要動力。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，降低電網電壓，不僅影響其他用電設備的正常工作，而且也會對動力變壓器產生較大的沖擊［3］。而且，大電機電氣啟動過程中還存在操作問題、設備配合問題、設計問題及安裝質量問題等［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由最初的定子串電阻、電抗器降壓啟動，發展到現在的自耦變壓器降壓啟動，晶閘管調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提供的啟動電流較小，對電網電壓的影響小。電機用高壓變頻裝置做軟啟動時，啟動轉矩大，啟動電流可以根據需要設定。但是交流電機變頻調速技術復雜，產品價格昂貴，而軟啟動對啟動性能要求不是那么嚴格，所以變頻器用作軟啟動器是大材小用［9］。

目前，軟啟動技術已日趨成熟。文獻［10-12］主要介紹了幾種軟啟動方式及其優缺點。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勢。文獻［14］提出一種開關變壓器技術，可將其作為大型及超大型高壓電機起動的優選方法。文獻［15］采用單片機與可控硅制作了一種變頻式軟啟動器，為實現高功率因數、低諧波的軟啟動器奠定了基礎。上述文獻沒有結合具體電力系統來詳細討論大容量電機啟動方式對電網電壓降落的影響，并利用討論結果去確定電機啟動方式及選擇電氣設備。

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母線電壓的影響，通過仿真數據和理論計算結果的對比分析，在考慮提高接入點電網電壓質量的同時，將對其他接入電機母線的用戶供電的影響降至最低，為電網安全運行提供指導依據及技術支撐。

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，高壓側一般為35kV及以上電壓等級，低壓側一般為10kV或6kV;電機開關柜由戶內電纜接至用戶變低壓側母線，其典型的供用電系統如圖1所示。圖中PCC為公共連接點(point of common coupling)。

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

式中:SC為系統PCC點的短路容量;SB為基準功率。

電機接入系統的總阻抗為

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柜母線處的等值阻抗為

開關柜母線的電壓降落為

式中IStart1為啟動電流，其數值為額定電流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，啟動電流和啟動轉矩可以靠改變抽頭來調節，設自耦變壓器二次電壓與一次電壓之比為K，則流入電網的啟動電流Istart2只有直接啟動時的K2倍，即

這種方式下，開關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側母線分三路向普萊克斯新廠供電:其中1號開關柜接一期空壓機、聯壓機、氮壓機的容量為16 MVA;2號開關柜接二期空壓機，容量合計39 MVA;3號開關柜接二期聯壓機與氮壓機。根據南京電網公司提供的數據，在電網最大運行方式下，板橋變電站110kV的短路容量為2 000 MVA;在電網最小運行方式下，板橋變電站110kV的短路容量為1 000 MVA。

結合普萊克斯項目的實際情況，基準功率取100 MVA，計算得到電網不同運行方式下，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，電壓質量越高;電網短路容量越大，電機啟動引起的母線電壓降落越小。在電網最小運行方式下，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，開關柜母線電壓降落超過規定的15%［16］，因此普萊克斯二期空壓機宜在電網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):直軸同步電抗Xd為116%，直軸暫態同步電抗Xd'為35%，電樞漏磁電抗XL為15%，交軸同步電抗Xq與交軸暫態同步電抗Xq'為73%，直軸暫態開路時間常數Td0'為3.88 s。

以電網最大運行方式為例，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為無窮大系統等值模型的電壓，系統PCC點為板橋變電站110kV母線，一期3臺同步電動機接于1號開關柜，二期空壓機接于2號開關柜，二期聯壓機和氮壓機接于3號開關柜。其中二期空壓機設置參數如下:額定功率為19 870 kW，額定電壓為10kV，額定電流為1 165 A，功率因數為100%，在負載分別為100%、75%、50%情況下的效率分別設為98.39%、98.3%、97.9%，啟動電流倍數為 440%。由于二期空壓機采用暫態模型，須設置以下參數(均

圖2 仿真模型Fig.2 Simulation model

圖3 電網大運行方式下，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 電網大運行方式下，二期空壓機不同啟動方式下2號開關柜母線電壓波形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上的電壓損耗，所以2號開關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。

比較圖4(a)、(b)可以發現，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，母線電壓也逐漸穩定。

理論計算結果與仿真結果的比較如表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，會導致母線電壓降落超過電壓質量標準。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，也會對母線電壓產生不同的影響。另外，由仿真結果可知: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，電網大運行方式下母線的電壓降落要遠小于電網小運行方式下的電壓降落。

表2 仿真與計算結果匯總Tab.2 Simulation and calculation results

3 結論

(1)同步電機選取同一啟動方式，系統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大運行方式下啟動。

(2)在系統大運行方式下，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，而開關柜母線電壓降落超過15%，無法滿足電壓質量要求。若采用自耦變壓器啟動方式，選取自耦變壓器80%抽頭，就能將開關柜母線電壓降落控制在15%內。

(3)大容量同步電機啟動時引起的電壓降落與電網運行方式、系統阻抗、電機參數等因素密切相關。若直接啟動時電壓降落過大，宜采用較為經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果均大于計算結果。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，與電機并聯的自耦變壓器二次側繞組中也存在電流，導致計算結果較仿真值偏小。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，而仿真分析的結果更加準確、切合實際。

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