同步电动机在10kV 长线路直供泵站中的应用分析

郭文会

（中山市水利水电勘测设计咨询有限公司,广东 中山 528403）

珠三角地区等经济发达地区,电力系统无35 kV 电压等级,大中型排灌泵装机容量一般为几千至上万kW,受制于电网结构影响,泵站可选供电电压等级为110 kV、220 kV 或10 kV,但建设110 kV 及以上线路及泵站专用变电站比较困难、投资大,当地供电部门一般仅同意采用10 kV 供电。10 kV电压等级供电能力一般为输送容量0.2 MW～2.0 MW,输电距离6 km～20 km[1]。当10 kV 供电线路较长,泵站单机容量、总装机容量较大时,选用异步电动机、永磁同步电动机,供电线路电压损失均较大,较难满足电能质量要求。

同步电动机超前运行时为容性负载,向系统输出无功功率,能有效减小供电线路电压损失,提升泵站10 kV 母线电压。本文以大涌口泵站工程为研究对象,按多层辐射形供电网络接线为计算模型,合成负荷电流精确计算电动机正常运行、启动工况各元件电压损失,分析各母线电压、电动机端电压；并采用电力系统分析软件进行软启动、变频器启动建模仿真,得到启动过程中主要物理量的变化曲线。

1 研究对象概况

大涌口泵站工程位于广东省中山市,泵站设计流量为300 m3/s,安装6台4000ZGB50-2.38型半调节竖井贯流泵机组,采用齿轮减速箱传动,水泵最大轴功率为1702.4 kW,考虑电动机容量储备系数1.05～1.20 后,水泵配套电动机拟选用额定功率2000 kW、额定电压10 kV 电动机,泵站总装机容量为12 MW。

工程可行性研究阶段,根据当地供电部门的供电方案,拟由两座110 kV 变电站分别各引两路10 kV 电源给泵站供电,其中变电站A 至泵站10 kV 供电线路长度约11.5 km,变电站B 至泵站10 kV 供电线路长度约15.5 km。泵站设两段10 kV配电母线,每段母线分别由110 kV 变电站A、B 各引一路10 kV电源供电,两路电源互为备用。6台水泵机组分两组,每组3台,分别接于两段母线,泵站站用变分接于两段母线。供电系统接线见图1。

图1 供电系统接线图

图1 中,系统S1、S2 最小短路容量为2000 MVA；变电站主变压器参数为SN=40 MVA,Uk=10.5%,电压为115±8×1.25/10.5 kV；10 kV 供电线路参数：YJV-10 kV-3×300,r1=0.079 Ω/km,x1=0.083 Ω/km。泵站拟选用同步电动机主要技术参数如下：Pe=2000 kW,Un=10 kV,In=134.3 A,极数为6 极,cosΦN=0.9（超前）,Ist=5.5 In。

2 正常运行工况电压计算分析

根据图1,各母线电压、电动机端电压计算接线见图2,变电站10 kV 母线电压可按式（1）计算,10 kV 供电线路上的电压降按式（2）计算。

图2 各母线、电动机端电压计算接线图

泵站10 kV 母线至电动机电缆选用YJV-10 kV-95 mm2,100 m,按式（2）计算得电动机额定电流通过此段电缆,电压降仅为4 V,忽略此段电缆电压降影响,即认为电动机端电压与泵站10 kV 母线电压相等。

按变电站其他负荷（Sf）取Sf=0.4 SN～0.9 SN,电动机正常运行负载率取0.90,对正常运行工况,各母线电压进行计算,结果见表1。

表1 正常运行工况各母线电压标幺值

式中：Um为变电站10 kV 母线电压标幺值；U0为变电站10 kV母线上的空载电压标幺值,对于无励磁调压变压器取1.05,对于有载调压变压器取1.1[2,3]；S 为变电站主变压器合成负荷的标幺值,S=（SL+Sf）/SN；考虑计算的精确度,SL、Sf按向量相加；Uk为变电站主变压器的阻抗电压。

式中：ΔUL为供电线路的电压降标幺值；L 为供电线路的长度,km；IL为泵站运行负荷电流,A；r1、x1为供电线路的单位长度电阻、电抗,Ω/km；øL为泵站运行负荷的功率因数角；Un为供电线路标称电压,kV。

根据供配电系统设计规范[4]的要求,正常运行情况下,电动机端子处电压偏差允许值应符合±5%电动机额定电压要求。

分析表1 知,变电站主变其他负荷占比为0.4～0.9 倍主变容量,变电站主变不超载情况下,泵站1～3 台水泵电动机正常运行时,泵站10 kV 母线电压标幺值（即电动机端电压标幺值）为0.955～1.025 ,满足规范要求的正常运行情况下,电动机端子处电压偏差值不大于±5%额定电压的要求,满足泵站运行要求。

3 电动机启动电压计算分析

电动机启动工况下,各母线电压、电动机端电压计算接线见图2,变电站10 kV 母线电压按式（1）计算,供电线路电压损失为电动机启动、泵站运行负荷电流在供电线路上产生的电压损失之和,按式（3）计算。

根据泵站设计标准[5]的要求,机组启动应优先采用全电压直接启动方式,并应符合下列规定：

1）母线电压降不宜超过额定电压的15%；

2）当电动机启动引起的电压波动不致破坏其他用电设备正常运行,且启动电磁力矩大于静阻力矩时,电压降可不受15%额定电压的限制。

对于配电上未接照明负荷或其他对电压下降敏感的负荷且电动机不频繁启动时,配电母线电压不应低于系统标称电压的80%[6]。

式中：ΔUL为供电线路的电压降标幺值；ød为电动机启动时的功率因数角,同步电动机启动时为异步电动机,启动功率因数按0.4 计算。

泵站10 kV 母线至电动机电缆选用YJV-10kV-95 mm2,100 m,按式（3）计算得电动机启动电流通过此段电缆,电压降仅为23 V,忽略此段电缆电压降影响,即认为电动机端子电压与泵站10 kV 母线电压相等。

克服水泵机组静阻转矩,电动机启动时,电动机端子电压标幺值按式（4）计算[6-7]如下。

式中：Ust为启动时电动机端子电压标幺值；Mj为水泵机组的静阻转矩相对值,一般可取0.3～0.4；MstM为电动机的启动转矩相对值,即启动转矩与额定转矩的比值。

电动机启动方式采用全电压直接启动、软启动降压两个方案进行分析。软启动采用斜坡电压、限制启动电流的方式启动,起始电压标幺值为0.6,限制启动电流不超过3.6 倍电动机额定电流,正常运行电动机负载率取0.9。

分析表2 知,同步电动机全电压直接启动,变电站主变其他负荷占比为0.4～0.9 倍主变容量时,变电站10 kV 母线电压标幺值为0.983～1.025,电压偏差不超过±2.5%,电动机启动对变电站10 kV 母线电压影响较小；泵站10 kV 母线电压标幺值为0.733～0.798,电压偏差已超过-20%,供电线路电压损失过大,电动机启动对泵站10 kV 母线电压影响较大,不满足泵站母线电压标幺值不低于0.85 的要求。

表2 全电压直接启动各母线电压标幺值

分析表3 知,同步电动机采用软启动,电动机启动电流倍数Kst=3.6,变电站主变其他负荷占比为0.4～0.9 倍主变容量时,变电站10 kV 母线电压标幺值为0.991～1.035,电压偏差为-0.1%～＋3.5%,电动机启动对变电站10 kV 母线电压影响较小；泵站10 kV 母线电压标幺值为0.815～0.882,能满足克服泵机组静阻转矩所需的最低启动电压要求,但由于泵站母线上接有站用电及泵站内辅助机械动力系统、保护控制系统、照明系统等设备,这些设备允许的电压偏差范围大多数为±10%[2],所以软驱启动不满足要求。

表3 软启动（Kst=3.6）各母线电压标幺值

对于排水泵站,若泵站10 kV 母线未接对电压下降敏感的负荷且电动机不频繁启动,泵站10 kV 母线电压标幺值,可按不低于0.80 考虑,则可基本满足要求。

4 电动机启动仿真和分析

在电力系统分析软件中建模对同步电动机启动进行仿真,变电站110kV 系统为平衡节点,水泵机组采用有深槽效应的单笼电动机和泵典型参数。由表2、表3 知2 台机运行时,第3 台机启动工况,各母线电压偏差均较大,按此工况分别对电动机采用软启动、变频启动进行动态仿真。

4.1 软启动仿真

软启动方案仿真设置如下：在1 s 开始启动,变电站10 kV母线除泵站负荷外其他负荷占比为0.8,软启动方式采用定子串电抗启动,转速为0 时,k=0.6,转速为95%时,k=1.0。仿真结果见图3～图5。

图3 电动机转矩、负荷转矩、加速转矩

图4 各母线电压

图5 电动机端电压

分析图3～图5 知,电动机1 s 启动后,异步电磁转矩大于水泵机械阻力转矩电动机加速运行,约3.7 s 时牵入同步,进入稳定运行状态。启动过程中,变电站110 kV 母线电压标幺值在0.996 以上,变电站10 kV 母线电压标幺值在0.93 以上,电压偏差均较小；泵站母线电压标幺值为0.806～0.850,整个启动过程中,母线电压标幺值低于0.85,持续时间约2.7 s,对泵站站用电负荷产生较大影响,动态仿真结果显示软启动方案不满足启动工况要求。

4.2 变频启动仿真

变频启动方案仿真设置如下：在1 s 开始启动,变电站10 kV 母线除泵站负荷外其他负荷占比为0.8；变频器设置为V/Hz=常量,限制启动电流为1.1 倍电动机额定电流,启动开始变频器输出频率为5%额定频率,5 s 后达到工频。

分析图6～图8 知,电动机1 s 启动后,电磁转矩大于水泵机械阻力转矩电动机加速运行,6 秒时牵入同步,进入稳定运行状态。启动过程中,变电站110 kV 母线电压标幺值基本在1.0,变电站10 kV 母线电压标幺值在0.958 以上,电压偏差均较小；泵站10 kV 母线电压标幺值为0.941～0.97,启动过程持续时间5 s,变频启动方式平滑、各母线电压偏差较小。采用变频启动方式,满足电动机启动时,泵站10 kV 母线电压标幺值不低于0.85 的要求。

图6 电动机转矩、负荷转矩、加速转矩

图7 各母线电压

图8 电动机端电压

5 结语

同步电动机运行时功率因数超前,向系统输出无功功率,可减小10 kV 供电线路电压损失,有利于提升泵站10 kV 母线电压,10 kV 长距离直供泵站选用同步电动机,泵站10 kV母线电压较高,较容易满足正常运行工况,电动机端子处电压偏差值不大于±5%额定电压的要求。

供电线路较长,同步电动机启动,供电线路电压损失过大,泵站10 kV 母线电压较低,不能满足要求时,可合理选用软启动或变频启动方式启动机组,能有效解决电动机启动时,泵站10 kV 母线电压较低的问题。

长距离供电线路,由于线路电阻、电抗值均比较大,在计算泵站母线电压时,不可忽略供电线路电阻对电压损失的影响,以免计算结果偏差较大。并应将不同功率因数的负荷电流、电动机启动负荷电流,在各元件上引起的电压降,分别进行向量求和计算,以取得较为准确的计算结果。

长距离直供泵站,同一母线上全部连接同步电动机,在电动机启动计算时,最大一台机组首先启动运行组合[6],可能不是最不利的运行组合形式,需要对最大一台机组最后启动的运行组合形式进行计算,进行对比。