用ETAP 软件分析小容量孤岛电厂条件下的大电机启动

刘兴旺 刘云飞

中材建设有限公司（100176）

0 概述

孤岛电力系统有其特殊性，在无外部电网支持的情况下，自用电厂作为一个 “孤岛小网电厂”运行，对于系统来说,它既是一个负荷点,又是一个电源点，且电源和负荷的规模都比较小；就其自身而言, 需要考虑单台或多台大型中压电机的启动问题，或者是大型设备突然停机对其发电机设备及网络压降的影响。自建的孤岛电厂要根据水泥厂的负荷增减进行调度。工厂中大型电机的容量是影响小型电厂发电机选择的一个重要因素。

ETAP 是国际通用的电力及电气系统分析计算商业软件，由美国OTI 公司于1984 年开发，1986年正式发布。目前, ETAP 软件具有潮流分析、短路计算、继电保护配合和选择、电动机加速分析、暂态稳定分析等50 多个模块，广泛地应用于各行业的发电、输配电和用电部门。

1 ETAP 软件的设备模型理论基础

首先根据水泥厂的负荷，使用《工业与民用供配电设计手册》第一章节和第十二章节的功率计算公式，计算出水泥磨电机启停所需要的负荷。

在工厂供配电设计时，大功率电机启动时引起的压降对孤岛电厂发电机的选型影响很大，根据《工业与民用供配电设计手册》 及IEEE Std.141,IEEE& IEEE P3002.7TM/D9 《工业和商业电力系统》中推荐的电动机起动方法，及IEC 60038 的设计规范对压降范围的要求，电机起动时在配电系统中会引起电压下降，这种电压下降影响整个工厂配电系统的电网质量，国家标准中对这种电动机起动时在配电系统中引起的电压下降规定了电压允许值,即“电动机起动时,其端子电压应能保证所拖动的机械要求的起动转矩,且在配电系统中引起的电压波动不应妨碍其他用电设备的工作”。这包含两方面具体要求:

1） 电动机起动时的端电压满足电动机的起动转矩。

2）电动机所在的配电母线电压需要满足下列要求:

A）在一般情况下，电动机频繁起动时，不宜低于额定电压的90%；电动机非频繁起动时，不宜低于额定电压的85%。

B）配电母线上未接照明或其他对电压波动较敏感的负荷，且电动机非频繁起动时，不宜低于额定电压的80%。

2 水泥磨电机启动所需功率的初步计算及建模分析

2.1 水泥厂及电厂设备的技术数据

2.1.1 孤岛电厂发电机的数据

瓦锡兰单组发电机的基本数据:11 kV，50 Hz，9 MW。这里主要使用发电机突加负荷的数据曲线，图1 是单台机组突加负荷的曲线。

图1 单台机组突加负荷曲线

2.1.2 水泥厂水泥磨的转矩基本数据

T:水泥磨操作转矩。

TR: 水泥磨机在电机轴的额定转矩；TR=2×54 177=102 954 Nm。

Tmax: 水泥磨机在电机轴的最大转矩；Tmax=170 329 Nm。

N:水泥磨运转速度。

nR:水泥磨额定速度；nR=14.3 r/min。

2.1.3 水泥磨双传动单台电机的数据及等效电路

电机额定功率:2×4 000 kW，11 kV，50 Hz；额定电流:253 A；效率:96.5%；功率因数:0.86。在 100%的负荷时，转速为744 RPM/min，转动惯量为960 kg/m2。其等效电路如图2 所示。

图2 等效电路图

2.2 电机启动时需要的功率

该项目采用液体启动方式来启动一台水泥磨的两个主电动机，液体启动器可以根据AKA 设备厂家的参数，限制转子启动电流不超过电机额定电流的1.5 倍。根据《工业与民用供配电设计手册》第一章和第十二章的功率计算公式，计算得出启动一台水泥厂的两台主电机所需要的功率:。

依照瓦锡兰发电机的参数曲线，计算单台负荷在60%以下时重油发电机组突加负荷的功率:9 000 kW×35%=6 300 kW。

按照上述计算，选用两台瓦锡兰发电机组就能满足启动水泥磨设备的条件。由于考虑电机启动对小型孤岛电网的冲击时还需要考虑电机端子的压降和发电机输出端的压降，所以利用ETAP 软件进行分析计算，主要以动态电机加速启动方式完成。

2.3 在ETAP 软件中建立孤岛电厂启动水泥磨电机模型

2.3.1 ETAP 电动机起动分析模块介绍

ETAP 提供了两种电动机起动计算方法，分别为动态电动机加速和静态电动机起动。在动态电动机加速计算中, 用动态模型模拟发动机在启动时的状态,用程序模拟电动机的整个加速过程。根据设备的参数，检查发电机及电动机需要多长时间达到额定速率、到达额定电压，整个孤岛电厂系统多久才能达到稳定状态；并及时确定电压降对发电机设备系统的影响。在动态电动机起动方法中, 在加速期间,使用模型中的转子串电阻的方法起动电动机,根据液体启动柜的参数曲线及启动模型的设置，模拟对正常运行设备的最坏影响。在使用动态模型起动电动机的情况下检测电动机起动对系统的影响。

2.3.2 典型的小型孤岛电厂中压电机启动模型的搭建

根据整个项目水泥厂及配套的小型孤岛电厂的方案，建立整个配电系统的模型。如图3 所示。

图3 单线图

根据电厂设备参数建立发电机模型（注意:主要考虑发电机阻抗的选择以及功率、功率因数等参数的输入），或者是选择典型的发电机参数模型。这里为了建模计算的结果更接近实际情况，根据发电机设备厂家提供的详细参数进行设置。首先按照5×9 MW 的发电机组进行建模，然后再根据上述计算得出的启动电机需要满足的最少额定功率 （7 230 kW），投切重油发电机组数量，进行电动机的动态及静态启动加速分析。检查压降，直至满足电机启动及设备要求的标准。

根据6000TPD 水泥生产线的设备计算负荷，整个系统的预加负荷为25 MW。水泥磨电机的功率为2×4 000 kW 双传动，电机电流为253 A,电压为11 kV；满载的功率因数为0.865，50%负载时的功率因数为0.74；效率在不同负载的情况下分别为96%和95%。另外，根据电机厂家提供的等效电路图，在启动模式下选择转子串电阻启动，并根据水电阻设备特性选择适当的启动曲线，如图4 所示。

图4 电机启动曲线

在ETAP 软件中的电机的CKT 模型中新建电机模型，根据设备提供的转矩及转动惯量及电机动态模型，输入新建电机等效电路模型参数。该计算基于先进的数学估计和曲线拟合技术，它只需要电机特性的特征数据。估计的模型参数包括表示电机定子、 转子的电阻和电抗以及励磁支路特性。图5所示为感应电机回路模型，采用这种简化模型。

图5 ETAP-CKT 建模电机数据

2.3.3 小型孤岛电厂中压电机启动的压降计算结果分析

文章针对两台水泥磨电机启动时投入不同数量发电机的情况进行分析。

根据水泥磨设备的机械特性及两台电机同时启动（可以存在微小的时间差）的要求，在ETAP 中设置第一台电机在0.6 s 时启动、第二台电机在1.0 s 时启动，加载至满载状态，然后检查不同数量发电机组并联运行时母线的电压降。

两至五台发电机组初始瞬态电压相对价值的发电机输出端子在水泥磨两台主电动机起动时分别为:u"stG=63.43%，74.44%，80.22%，87.1%。根据水泥磨机械设备启动时间在35 s 内的要求,检查在动态加速起动电动机时发电机的电压降曲线。根据两至五台发电机组并联的不同情况，输出端子电压降分别保持在63.43%、80.2%、99%和99%，其中:在两台和三台发电机组并联的情况下，超过35 s 后端子输出电压不能恢复正常。因此，在这种情况下，启动失败。而在四台和五台发电机组并联的情况下，超过35 s 后发电机组端电压降在起始端恢复到正常的99%，该情况下启动成功。

另外，按照国际标准及ABB 发电机设备厂家提供的数据，机组暂态电压降不应大于14%。四台、五台机组并联运行时单机组电压降分别大于18%和13%，设备都能完成启动，发电机的压降很快能恢复到正常值。但是，为了保护发电机设备，最好使用五台发电机组并联启动水泥磨的两台主电机。

3 结语

根据小容量孤岛电厂和水泥工厂用电的特点，对可能出现的重要技术风险因素进行分析，提出针对性的解决方案，用于选择重油发电机小型孤岛电厂的机组数量，以保证设备及生产的需要。