同步電動機在10kV 長線路直供泵站中的應用分析

郭文會

（中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司,廣東 中山 528403）

珠三角地區等經濟發達地區,電力系統無35 kV 電壓等級,大中型排灌泵裝機容量一般為幾千至上萬kW,受制于電網結構影響,泵站可選供電電壓等級為110 kV、220 kV 或10 kV,但建設110 kV 及以上線路及泵站專用變電站比較困難、投資大,當地供電部門一般僅同意采用10 kV 供電。10 kV電壓等級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10 kV 供電線路較長,泵站單機容量、總裝機容量較大時,選用異步電動機、永磁同步電動機,供電線路電壓損失均較大,較難滿足電能質量要求。

同步電動機超前運行時為容性負載,向系統輸出無功功率,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象,按多層輻射形供電網絡接線為計算模型,合成負荷電流精確計算電動機正常運行、啟動工況各元件電壓損失,分析各母線電壓、電動機端電壓；并采用電力系統分析軟件進行軟啟動、變頻器啟動建模仿真,得到啟動過程中主要物理量的變化曲線。

1 研究對象概況

大涌口泵站工程位于廣東省中山市,泵站設計流量為300 m3/s,安裝6臺4000ZGB50-2.38型半調節豎井貫流泵機組,采用齒輪減速箱傳動,水泵最大軸功率為1702.4 kW,考慮電動機容量儲備系數1.05～1.20 后,水泵配套電動機擬選用額定功率2000 kW、額定電壓10 kV 電動機,泵站總裝機容量為12 MW。

工程可行性研究階段,根據當地供電部門的供電方案,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 供電線路長度約11.5 km,變電站B 至泵站10 kV 供電線路長度約15.5 km。泵站設兩段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臺水泵機組分兩組,每組3臺,分別接于兩段母線,泵站站用變分接于兩段母線。供電系統接線見圖1。

圖1 供電系統接線圖

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

2 正常運行工況電壓計算分析

根據圖1,各母線電壓、電動機端電壓計算接線見圖2,變電站10 kV 母線電壓可按式（1）計算,10 kV 供電線路上的電壓降按式（2）計算。

圖2 各母線、電動機端電壓計算接線圖

泵站10 kV 母線至電動機電纜選用YJV-10 kV-95 mm2,100 m,按式（2）計算得電動機額定電流通過此段電纜,電壓降僅為4 V,忽略此段電纜電壓降影響,即認為電動機端電壓與泵站10 kV 母線電壓相等。

按變電站其他負荷（Sf）取Sf=0.4 SN～0.9 SN,電動機正常運行負載率取0.90,對正常運行工況,各母線電壓進行計算,結果見表1。

表1 正常運行工況各母線電壓標幺值

式中：Um為變電站10 kV 母線電壓標幺值；U0為變電站10 kV母線上的空載電壓標幺值,對于無勵磁調壓變壓器取1.05,對于有載調壓變壓器取1.1[2,3]；S 為變電站主變壓器合成負荷的標幺值,S=（SL+Sf）/SN；考慮計算的精確度,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幺值；L 為供電線路的長度,km；IL為泵站運行負荷電流,A；r1、x1為供電線路的單位長度電阻、電抗,Ω/km；?L為泵站運行負荷的功率因數角；Un為供電線路標稱電壓,kV。

根據供配電系統設計規范[4]的要求,正常運行情況下,電動機端子處電壓偏差允許值應符合±5%電動機額定電壓要求。

分析表1 知,變電站主變其他負荷占比為0.4～0.9 倍主變容量,變電站主變不超載情況下,泵站1～3 臺水泵電動機正常運行時,泵站10 kV 母線電壓標幺值（即電動機端電壓標幺值）為0.955～1.025 ,滿足規范要求的正常運行情況下,電動機端子處電壓偏差值不大于±5%額定電壓的要求,滿足泵站運行要求。

3 電動機啟動電壓計算分析

電動機啟動工況下,各母線電壓、電動機端電壓計算接線見圖2,變電站10 kV 母線電壓按式（1）計算,供電線路電壓損失為電動機啟動、泵站運行負荷電流在供電線路上產生的電壓損失之和,按式（3）計算。

根據泵站設計標準[5]的要求,機組啟動應優先采用全電壓直接啟動方式,并應符合下列規定：

1）母線電壓降不宜超過額定電壓的15%；

2）當電動機啟動引起的電壓波動不致破壞其他用電設備正常運行,且啟動電磁力矩大于靜阻力矩時,電壓降可不受15%額定電壓的限制。

對于配電上未接照明負荷或其他對電壓下降敏感的負荷且電動機不頻繁啟動時,配電母線電壓不應低于系統標稱電壓的80%[6]。

式中：ΔUL為供電線路的電壓降標幺值；?d為電動機啟動時的功率因數角,同步電動機啟動時為異步電動機,啟動功率因數按0.4 計算。

泵站10 kV 母線至電動機電纜選用YJV-10kV-95 mm2,100 m,按式（3）計算得電動機啟動電流通過此段電纜,電壓降僅為23 V,忽略此段電纜電壓降影響,即認為電動機端子電壓與泵站10 kV 母線電壓相等。

克服水泵機組靜阻轉矩,電動機啟動時,電動機端子電壓標幺值按式（4）計算[6-7]如下。

式中：Ust為啟動時電動機端子電壓標幺值；Mj為水泵機組的靜阻轉矩相對值,一般可取0.3～0.4；MstM為電動機的啟動轉矩相對值,即啟動轉矩與額定轉矩的比值。

電動機啟動方式采用全電壓直接啟動、軟啟動降壓兩個方案進行分析。軟啟動采用斜坡電壓、限制啟動電流的方式啟動,起始電壓標幺值為0.6,限制啟動電流不超過3.6 倍電動機額定電流,正常運行電動機負載率取0.9。

分析表2 知,同步電動機全電壓直接啟動,變電站主變其他負荷占比為0.4～0.9 倍主變容量時,變電站10 kV 母線電壓標幺值為0.983～1.025,電壓偏差不超過±2.5%,電動機啟動對變電站10 kV 母線電壓影響較小；泵站10 kV 母線電壓標幺值為0.733～0.798,電壓偏差已超過-20%,供電線路電壓損失過大,電動機啟動對泵站10 kV 母線電壓影響較大,不滿足泵站母線電壓標幺值不低于0.85 的要求。

表2 全電壓直接啟動各母線電壓標幺值

分析表3 知,同步電動機采用軟啟動,電動機啟動電流倍數Kst=3.6,變電站主變其他負荷占比為0.4～0.9 倍主變容量時,變電站10 kV 母線電壓標幺值為0.991～1.035,電壓偏差為-0.1%～＋3.5%,電動機啟動對變電站10 kV 母線電壓影響較小；泵站10 kV 母線電壓標幺值為0.815～0.882,能滿足克服泵機組靜阻轉矩所需的最低啟動電壓要求,但由于泵站母線上接有站用電及泵站內輔助機械動力系統、保護控制系統、照明系統等設備,這些設備允許的電壓偏差范圍大多數為±10%[2],所以軟驅啟動不滿足要求。

表3 軟啟動（Kst=3.6）各母線電壓標幺值

對于排水泵站,若泵站10 kV 母線未接對電壓下降敏感的負荷且電動機不頻繁啟動,泵站10 kV 母線電壓標幺值,可按不低于0.80 考慮,則可基本滿足要求。

4 電動機啟動仿真和分析

在電力系統分析軟件中建模對同步電動機啟動進行仿真,變電站110kV 系統為平衡節點,水泵機組采用有深槽效應的單籠電動機和泵典型參數。由表2、表3 知2 臺機運行時,第3 臺機啟動工況,各母線電壓偏差均較大,按此工況分別對電動機采用軟啟動、變頻啟動進行動態仿真。

4.1 軟啟動仿真

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

圖3 電動機轉矩、負荷轉矩、加速轉矩

圖4 各母線電壓

圖5 電動機端電壓

分析圖3～圖5 知,電動機1 s 啟動后,異步電磁轉矩大于水泵機械阻力轉矩電動機加速運行,約3.7 s 時牽入同步,進入穩定運行狀態。啟動過程中,變電站110 kV 母線電壓標幺值在0.996 以上,變電站10 kV 母線電壓標幺值在0.93 以上,電壓偏差均較小；泵站母線電壓標幺值為0.806～0.850,整個啟動過程中,母線電壓標幺值低于0.85,持續時間約2.7 s,對泵站站用電負荷產生較大影響,動態仿真結果顯示軟啟動方案不滿足啟動工況要求。

4.2 變頻啟動仿真

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

分析圖6～圖8 知,電動機1 s 啟動后,電磁轉矩大于水泵機械阻力轉矩電動機加速運行,6 秒時牽入同步,進入穩定運行狀態。啟動過程中,變電站110 kV 母線電壓標幺值基本在1.0,變電站10 kV 母線電壓標幺值在0.958 以上,電壓偏差均較小；泵站10 kV 母線電壓標幺值為0.941～0.97,啟動過程持續時間5 s,變頻啟動方式平滑、各母線電壓偏差較小。采用變頻啟動方式,滿足電動機啟動時,泵站10 kV 母線電壓標幺值不低于0.85 的要求。

圖6 電動機轉矩、負荷轉矩、加速轉矩

圖7 各母線電壓

圖8 電動機端電壓

5 結語

同步電動機運行時功率因數超前,向系統輸出無功功率,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 長距離直供泵站選用同步電動機,泵站10 kV母線電壓較高,較容易滿足正常運行工況,電動機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,同步電動機啟動,供電線路電壓損失過大,泵站10 kV 母線電壓較低,不能滿足要求時,可合理選用軟啟動或變頻啟動方式啟動機組,能有效解決電動機啟動時,泵站10 kV 母線電壓較低的問題。

長距離供電線路,由于線路電阻、電抗值均比較大,在計算泵站母線電壓時,不可忽略供電線路電阻對電壓損失的影響,以免計算結果偏差較大。并應將不同功率因數的負荷電流、電動機啟動負荷電流,在各元件上引起的電壓降,分別進行向量求和計算,以取得較為準確的計算結果。

長距離直供泵站,同一母線上全部連接同步電動機,在電動機啟動計算時,最大一臺機組首先啟動運行組合[6],可能不是最不利的運行組合形式,需要對最大一臺機組最后啟動的運行組合形式進行計算,進行對比。