大容量电机启动方式对电网的影响

2014-09-22司小庆王徐延叶婷王宝华

电力建设 2014年7期

司小庆，王徐延，叶婷，王宝华

(1.南京供电公司，南京市210008;2.南京理工大学自动化学院，南京市210094)

0 引言

随着现代工业的发展，大功率同步电机由于其功率因数高、转速不随负载变化、运行稳定性高等［1］优点普遍应用于各行各业，已经成为工矿企业的主要动力。大型电机在全压启动时，空载启动电流会达到额定电流的4～7倍，带载时可达8～10倍［2］。强大的启动电流会造成较大的线路电压降落，降低电网电压，不仅影响其他用电设备的正常工作，而且也会对动力变压器产生较大的冲击［3］。而且，大电机电气启动过程中还存在操作问题、设备配合问题、设计问题及安装质量问题等［4-5］。因此，对同步电机的启动方式进行分析研究显得非常重要。

工程中，大型中压同步电机往往采用软启动方式，而大型同步电机软启动技术由最初的定子串电阻、电抗器降压启动，发展到现在的自耦变压器降压启动，晶闸管调压控制的变频电子软启动［6-8］。自耦变压器降压启动需电网提供的启动电流较小，对电网电压的影响小。电机用高压变频装置做软启动时，启动转矩大，启动电流可以根据需要设定。但是交流电机变频调速技术复杂，产品价格昂贵，而软启动对启动性能要求不是那么严格，所以变频器用作软启动器是大材小用［9］。

目前，软启动技术已日趋成熟。文献［10-12］主要介绍了几种软启动方式及其优缺点。文献［13］介绍了某6 300 kW电机起动用自耦变压器的工作情况，通过具体实例验证自耦变压器降压启动的优势。文献［14］提出一种开关变压器技术，可将其作为大型及超大型高压电机起动的优选方法。文献［15］采用单片机与可控硅制作了一种变频式软启动器，为实现高功率因数、低谐波的软启动器奠定了基础。上述文献没有结合具体电力系统来详细讨论大容量电机启动方式对电网电压降落的影响，并利用讨论结果去确定电机启动方式及选择电气设备。

本文研究大容量同步电机直接启动及自耦变压器降压启动对系统母线电压的影响，通过仿真数据和理论计算结果的对比分析，在考虑提高接入点电网电压质量的同时，将对其他接入电机母线的用户供电的影响降至最低，为电网安全运行提供指导依据及技术支撑。

1 大容量电机启动

大容量同步电机一般需要通过用户总降变电所供电，高压侧一般为35kV及以上电压等级，低压侧一般为10kV或6kV;电机开关柜由户内电缆接至用户变低压侧母线，其典型的供用电系统如图1所示。图中PCC为公共连接点(point of common coupling)。

设电机所接开关柜母线电压(即电动机额定电压)为UN。进行电路计算时，采用标幺值，基准电压取各母线额定电压。无穷大系统的等效电抗为

式中:SC为系统PCC点的短路容量;SB为基准功率。

电机接入系统的总阻抗为

式中:ZL1为双回输电线路的等值阻抗;XT为用户总降变的等效电抗;ZL2为用户变低压侧出线电缆的等值阻抗。

(1)直接启动方式下。大容量电机直接启动时所接开关柜母线处的等值阻抗为

开关柜母线的电压降落为

式中IStart1为启动电流，其数值为额定电流IN的n倍。

PCC点处电压降落为

(2)自耦变压器降压启动方式下。自耦变压器一般都有几个可选抽头，启动电流和启动转矩可以靠改变抽头来调节，设自耦变压器二次电压与一次电压之比为K，则流入电网的启动电流Istart2只有直接启动时的K2倍，即

这种方式下，开关柜母线的电压降落为

PCC点处电压降落为

以南京普莱克斯大容量电机启动为例。该用户通过双回110kV线路从220kV板桥变电站受电，用户总降变电站10kV侧母线分三路向普莱克斯新厂供电:其中1号开关柜接一期空压机、联压机、氮压机的容量为16 MVA;2号开关柜接二期空压机，容量合计39 MVA;3号开关柜接二期联压机与氮压机。根据南京电网公司提供的数据，在电网最大运行方式下，板桥变电站110kV的短路容量为2 000 MVA;在电网最小运行方式下，板桥变电站110kV的短路容量为1 000 MVA。

结合普莱克斯项目的实际情况，基准功率取100 MVA，计算得到电网不同运行方式下，二期空压机分别采用直接启动和自耦变压器降压启动方式时开关柜10kV母线与PCC处母线的电压降落如表1所示。

表1 直接启动和自耦变压器降压启动方式下母线电压降落计算结果Tab.1 Bus voltage drop calculations under direct starting mode or step-down starting mode of autotransformer

由表1可知:自耦变压器启动方式下引起的母线电压降落要小于直接启动所产生的压降;所选取的自耦变压器抽头越小，引起的母线电压降落也越小，电压质量越高;电网短路容量越大，电机启动引起的母线电压降落越小。在电网最小运行方式下，无论电机采取何种启动方式，PCC处母线的电压降落大于或临近5%的限值，若要保证电机启动时PCC处母线的电压降落满足要求，则要进一步降低启动电压，但这将会造成启动时间过长;而在最大运行方式下直接启动时，开关柜母线电压降落超过规定的15%［16］，因此普莱克斯二期空压机宜在电网大运行方式下采用自耦变压器降压启动。以电机额定值为基准):直轴同步电抗Xd为116%，直轴暂态同步电抗Xd'为35%，电枢漏磁电抗XL为15%，交轴同步电抗Xq与交轴暂态同步电抗Xq'为73%，直轴暂态开路时间常数Td0'为3.88 s。

以电网最大运行方式为例，仿真得到电机直接启动与自耦变压器降压启动(85%抽头)时，110kV板桥变电站与2号开关柜母线电压波形图如图3、4所示。

2 启动方式的仿真分析

根据实际情况，建立如图2所示的仿真模型。其中U0为无穷大系统等值模型的电压，系统PCC点为板桥变电站110kV母线，一期3台同步电动机接于1号开关柜，二期空压机接于2号开关柜，二期联压机和氮压机接于3号开关柜。其中二期空压机设置参数如下:额定功率为19 870 kW，额定电压为10kV，额定电流为1 165 A，功率因数为100%，在负载分别为100%、75%、50%情况下的效率分别设为98.39%、98.3%、97.9%，启动电流倍数为 440%。由于二期空压机采用暂态模型，须设置以下参数(均

图2 仿真模型Fig.2 Simulation model

图3 电网大运行方式下，二期空压机不同启动方式下110kV板桥变电站电压波形Fig.3 Voltage waveform of 110kV Banqiao substation under different starting modes of air compressor and large operation mode of power grid

图4 电网大运行方式下，二期空压机不同启动方式下2号开关柜母线电压波形Fig.4 Voltage waveform of 2 switchgear under different starting modes of air compressor and large operation mode of power grid

由于仿真中板桥变电站为平衡节点，故在二期空压机启动之前，其电压为100%，而输电电缆阻抗的存在会引起电网上的电压损耗，所以2号开关柜母线电压初始值为99.411%。如图4(a)所示，10 s时，二期空压机直接启动，由于同步电机的启动电流比较大，各母线会产生较大的电压降落，直到15.78 s时刻空压机启动完成，最终电机在36.3 s时刻达到额定运行状态。

比较图4(a)、(b)可以发现，二期空压机采用自耦变压器降压启动的过程与直接启动还是有所不同的。主要体现在:空压机自耦变压器降压启动过程中，母线电压降落较直接启动时变小，在自耦变压器切除的时刻，由于电动机端电压突然上升至额定电压，此时各母线电压会有明显的突降，此后电动机慢慢进入同步状态，母线电压也逐渐稳定。

理论计算结果与仿真结果的比较如表2所示。从表2可看出，电机直接启动对母线电压的影响较大，会导致母线电压降落超过电压质量标准。电机若采用自耦变压器降压启动方式，能够在一定程度上减少母线电压降落。同时，自耦变压器采用不同抽头，也会对母线电压产生不同的影响。另外，由仿真结果可知:最大运行方式下同步电机直接启动所需时间为26.3 s;自耦变压器降压启动方式时，选取85%抽头时的启动时间为27.6 2 s，选取80%抽头时的启动时间为28.24 s，选取75%抽头时的启动时间为29 s。由此可知，电动机直接启动时间最短，自耦变压器启动时间会相应增加，且所选抽头越小，启动时间越长。综合考虑母线电压降落与启动时间，二期空压机启动应采用自耦变压器起动方式，且选取80%的抽头。在其他运行条件相同的情况下，电网大运行方式下母线的电压降落要远小于电网小运行方式下的电压降落。

表2 仿真与计算结果汇总Tab.2 Simulation and calculation results

3 结论

(1)同步电机选取同一启动方式，系统小运行方式下母线电压降落明显高于大运行方式。因此，大容量电动机宜在系统大运行方式下启动。

(2)在系统大运行方式下，普莱克斯大容量同步电机直接启动时，PCC处母线电压降落在5%内，而开关柜母线电压降落超过15%，无法满足电压质量要求。若采用自耦变压器启动方式，选取自耦变压器80%抽头，就能将开关柜母线电压降落控制在15%内。

(3)大容量同步电机启动时引起的电压降落与电网运行方式、系统阻抗、电机参数等因素密切相关。若直接启动时电压降落过大，宜采用较为经济的自耦变压器降压启动方式。同时，在满足电压降落的前提下，宜选择自耦变压器较大抽头，以降低电机启动时间。

(4)比较仿真分析与理论计算，母线电压降落的仿真结果均大于计算结果。原因是在进行电动机自耦变压器降压启动的工程计算时，只考虑了电动机支路启动电流，而实际上，与电机并联的自耦变压器二次侧绕组中也存在电流，导致计算结果较仿真值偏小。因此，理论计算只是粗略地估计电机启动对母线电压影响，方法相对较为简便，而仿真分析的结果更加准确、切合实际。

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