水泵水轮机组泵工况的异步全压直接启动研究

张 蕾，毛 敏，周宇飞

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

随着大容量同步电动机在水利行业的广泛应用，对大型泵站同步电机启动的研究已成为水利电力工程领域研究的重要课题[1]。本文以三河口泵站12 MW水泵水轮机组同步电动机运行启动为例，对异步全压直接启动进行研究。

1 工程概况

三河口泵站（电站）是陕西省引汉济渭工程三河口水利枢纽工程的重要组成部分[2]。泵站装设四台机组，其中两台常规水轮发电机组单机容量为20 MW，两台水泵水轮机组单机容量为12 MW。四台机组通过两台容量为40 MVA的电力变压器以LGJ-240导线一回接入约6.5 km远的大河坝变电所（近期）110 kV母线，另一回接入约21 km远的黄金峡变电站（远期）110 kV母线。电动机母线采用单母线分段接线，水泵水轮机组按照“一机（组）一变（压器）”方式配置。

三河口水利枢纽具有发电和供水两种运行工况。供水工况下，水位和流量变化较大，要求机组变转速运行，且采用变频调速技术来实现，所以该泵站水泵水轮机组供水工况作同步电动机运行时采用变频启动方式。在变频器选型上，虽考虑了双支路变频器，一个支路故障不会影响机组的启动，但变频器整个出现故障时，则机组无法正常启动，将给供水工程运行造成重大影响。故三河口泵站水泵水轮机组只有变频启动方式一种启动方式。且初步设计审查期间，水利部水利水电规划设计总院专家从工程安全可靠运行的角度出发，提出论证12 MW水泵水轮机组采用异步全压启动作为备用启动方式的可行性。

2 同步电动机异步启动计算

2.1 计算条件

1）系统：远期最小运行方式下，即远期洋县330 kV变电所带214 MW负荷运行，经110 kV佛坪变带8 MW负荷运行、110 kV大河坝变带6 MW负荷运行，泵站一台31.5 MVA主变带一台电动机启动时电动机母线电压。近期洋县330 kV变电所带177 MW负荷运行，经110 kV佛坪变带7 MW负荷运行、110 kV大河坝变带5 MW负荷运行。

2） 水泵水轮机组：Pe=12 MW，Ue=10.5 kV，cosφ=0.85（发电），cosφ=0.95（抽水）。

3）变压器：Pe=40 MVA，Ud=10.5%。

4）输电线路：LGJ-240，L1=6.5 km(近期)，L2=21 km（远期）。

2.2 电动机启动母线电压降计算

按电力系统最小运行方式分别计算近期和远期电动机启动时母线电压降。根据参数计算各元件阻抗并绘制全压启动计算等值阻抗图见图1。

图1 全压启动计算等值阻抗图

根据等值阻抗图采用标幺值法计算三河口泵站12MW水泵水轮机组抽水工况作为同步电动机异步全压启动时各节点母线电压降和机端电压。计算结果见表1。

表1 异步全压启动母线电压及机端电压计算表

2.3 电动机启动要求的机端电压计算

同步电动机是否允许异步全压启动，除启动时的母线电压降外，还应符合制造厂对该电动机所规定的启动条件，如电动机结构和启动时电动机端子电压等。三河口泵站水泵水轮机组抽水工况作为同步电动机启动时克服水泵静阻转矩，所需要的电动机最低启动端电压为：

式中：Uqd为电动机端电压标幺值；Mj为水泵静阻转矩标幺值，取0.3；Mqd为电动机启动转矩标幺值，厂家提供取0.91。

2.4 电动机启动时间计算

大型同步电动机异步全压启动的时候，由于负载过重或供电电压太低导致没有在规定的时间内达到准同步转速，从而可能导致启动失败。所以对大型同步电动机启动时间tD也是启动计算中的重要指标之一。

由电磁转矩平衡方程式：

可得出异步电磁力矩转差率关系曲线见图2。

图2 异步电磁力矩与转差率关系曲线

将ΔM化简为以电动机额定转矩为基准的标幺值，ω用机械角速度表示，则：

启动时间：

其中：Tj为惯性时间常数，Tj=5.486s；tD为启动时间；GD2为惯性矩，GD2=93t·m2；ne为同步转速,ne=500 转 /min；Pe为额定功率，Pe=12000 kW；ω为角速度，ω=1-S，S为转差率取0～1。

由此可计算得出，三河口泵站启动时间为tD=12.76 s。

3 启动过程热稳定计算

电动机在启动和运行过程中都会产生发热损耗。对于大型机组，发热问题更为严重。启动过程中温升过高直接影响机组的使用寿命和运行的可靠性。阻尼绕组能够调节同步电动机的动态稳定，是机组发热的主要部件之一。泵站水泵水轮机组阻尼绕组的启动温升，包括笼条和端环两部分发热温升。

3.1 笼条的温升

式中：M、M0为电动机电磁转矩，负载转矩；RB，RK为阻尼条，阻尼环电阻占比；CB为阻尼绕组比热，kW·s/（kg·℃）；WB为阻尼绕组的质量，kg；S为转差率。

计算得：

3.2 端环的温升

式中：CK为端环材料的比热，kW·s/（kg·℃）；WK为端环总质量，kg。

计算得：

考虑启动过程会向转子铁芯散发部分热量以及空气散热的影响：

为保证电动机运行安全可靠，按照规定，阻尼绕组启动过程温升应不大于300℃。通过上述计算，三河口泵站电动机阻尼绕组温升高于300℃，超过机组的启动和运行的规定。

4 机组启动过程影响分析及对策

4.1 对厂用电系统的影响及优化措施

根据启动计算结果，三河口泵站12 MW大型水泵水轮机组在远期最小运行方式下启动时，电动机母线电压为65.1%，启动时电动机端子电压大于克服水泵静阻力矩要求的电压0.602，根据泵站设计规范当启动引起的电动机端子电压能够保证所拖动的机械要求的启动转矩，且启动引起的电压波动不妨碍其他用电设备的工作，电压降可不受85%的限制[3]。因此，三河口泵站水泵水轮机组可以克服水泵静阻力矩异步全压启动。机组连接方式采用一机（组）一变（压器）接线方式，启动时每段母线只有启动电动机一台机组，对其他电动机不会造成影响。但是由于三河口泵站厂用电源取自电动机母线，厂用电系统中的照明，控制保护系统和辅助机械等全厂公用电设备允许的电压降为10%，所以启动时造成的母线电压下降可能对厂用电系统的供电造成影响。

为解决机组异步全压启动时对泵站厂用电系统的影响，保证三河口水利枢纽工程的可靠运行，该工程采用引接两路外来电源作为备用电源以保证机组启动时厂用电系统的供电安全。该电源一路引接自35 kV施工变电所10 kV母线；另外一路由坝区10 kV母线引接。这样，泵站正常运行时厂用电源由机组10 kV母线供电。异步全压启动时，由两路外来备用电源供电。避免了机组启动对厂用电系统的影响。

4.2 热稳定分析及对策研究

由热稳定计算可知，影响三河口泵站电动机启动温升和启动时间的内在因素有机组转动惯量和启动转矩，外在因素为水泵的静阻转矩和电机的端子电压。为研究三河口泵站水泵水轮机组发热对电动机异步全压启动的影响，结合工程情况假设三种条件进行启动计算结果见表2。

表2 不同条件阻尼绕组温升计算结果

由表2可知，在三河口泵站采用压水启动、假设电网无穷大和减小转动惯量三种方法均可降低电动机启动过程阻尼绕组的发热温度，具体采用哪种方法可根据工程实际情况选择。

5 结论

综上所述，三河口泵站12 MW水泵水轮机组能够克服水泵静阻力矩异步全压启动，启动对厂用系统的影响及机组热稳定问题可采取一定的措施解决。鉴于我国目前在建或已成的供水工程中12 MW及以上同步电动机还从未有采用直接启动的先例，如果在此类工程中采用异步全压启动方式，还需要考虑电机制造过程中要满足启动要求增加的电机制造成本及技术难度所带来的问题以及机组变化对厂房结构及尺寸的要求。