水泵水輪機(jī)組泵工況的異步全壓直接啟動(dòng)研究

張 蕾，毛 敏，周宇飛

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

隨著大容量同步電動(dòng)機(jī)在水利行業(yè)的廣泛應(yīng)用，對(duì)大型泵站同步電機(jī)啟動(dòng)的研究已成為水利電力工程領(lǐng)域研究的重要課題[1]。本文以三河口泵站12 MW水泵水輪機(jī)組同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行啟動(dòng)為例，對(duì)異步全壓直接啟動(dòng)進(jìn)行研究。

1 工程概況

三河口泵站（電站）是陜西省引漢濟(jì)渭工程三河口水利樞紐工程的重要組成部分[2]。泵站裝設(shè)四臺(tái)機(jī)組，其中兩臺(tái)常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量為20 MW，兩臺(tái)水泵水輪機(jī)組單機(jī)容量為12 MW。四臺(tái)機(jī)組通過兩臺(tái)容量為40 MVA的電力變壓器以LGJ-240導(dǎo)線一回接入約6.5 km遠(yuǎn)的大河壩變電所（近期）110 kV母線，另一回接入約21 km遠(yuǎn)的黃金峽變電站（遠(yuǎn)期）110 kV母線。電動(dòng)機(jī)母線采用單母線分段接線，水泵水輪機(jī)組按照“一機(jī)（組）一變（壓器）”方式配置。

三河口水利樞紐具有發(fā)電和供水兩種運(yùn)行工況。供水工況下，水位和流量變化較大，要求機(jī)組變轉(zhuǎn)速運(yùn)行，且采用變頻調(diào)速技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，所以該泵站水泵水輪機(jī)組供水工況作同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)采用變頻啟動(dòng)方式。在變頻器選型上，雖考慮了雙支路變頻器，一個(gè)支路故障不會(huì)影響機(jī)組的啟動(dòng)，但變頻器整個(gè)出現(xiàn)故障時(shí)，則機(jī)組無法正常啟動(dòng)，將給供水工程運(yùn)行造成重大影響。故三河口泵站水泵水輪機(jī)組只有變頻啟動(dòng)方式一種啟動(dòng)方式。且初步設(shè)計(jì)審查期間，水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院專家從工程安全可靠運(yùn)行的角度出發(fā)，提出論證12 MW水泵水輪機(jī)組采用異步全壓啟動(dòng)作為備用啟動(dòng)方式的可行性。

2 同步電動(dòng)機(jī)異步啟動(dòng)計(jì)算

2.1 計(jì)算條件

1）系統(tǒng)：遠(yuǎn)期最小運(yùn)行方式下，即遠(yuǎn)期洋縣330 kV變電所帶214 MW負(fù)荷運(yùn)行，經(jīng)110 kV佛坪變帶8 MW負(fù)荷運(yùn)行、110 kV大河壩變帶6 MW負(fù)荷運(yùn)行，泵站一臺(tái)31.5 MVA主變帶一臺(tái)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)母線電壓。近期洋縣330 kV變電所帶177 MW負(fù)荷運(yùn)行，經(jīng)110 kV佛坪變帶7 MW負(fù)荷運(yùn)行、110 kV大河壩變帶5 MW負(fù)荷運(yùn)行。

2） 水泵水輪機(jī)組：Pe=12 MW，Ue=10.5 kV，cosφ=0.85（發(fā)電），cosφ=0.95（抽水）。

3）變壓器：Pe=40 MVA，Ud=10.5%。

4）輸電線路：LGJ-240，L1=6.5 km(近期)，L2=21 km（遠(yuǎn)期）。

2.2 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)母線電壓降計(jì)算

按電力系統(tǒng)最小運(yùn)行方式分別計(jì)算近期和遠(yuǎn)期電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)母線電壓降。根據(jù)參數(shù)計(jì)算各元件阻抗并繪制全壓啟動(dòng)計(jì)算等值阻抗圖見圖1。

圖1 全壓啟動(dòng)計(jì)算等值阻抗圖

根據(jù)等值阻抗圖采用標(biāo)幺值法計(jì)算三河口泵站12MW水泵水輪機(jī)組抽水工況作為同步電動(dòng)機(jī)異步全壓啟動(dòng)時(shí)各節(jié)點(diǎn)母線電壓降和機(jī)端電壓。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 異步全壓啟動(dòng)母線電壓及機(jī)端電壓計(jì)算表

2.3 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)要求的機(jī)端電壓計(jì)算

同步電動(dòng)機(jī)是否允許異步全壓啟動(dòng)，除啟動(dòng)時(shí)的母線電壓降外，還應(yīng)符合制造廠對(duì)該電動(dòng)機(jī)所規(guī)定的啟動(dòng)條件，如電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)端子電壓等。三河口泵站水泵水輪機(jī)組抽水工況作為同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)克服水泵靜阻轉(zhuǎn)矩，所需要的電動(dòng)機(jī)最低啟動(dòng)端電壓為：

式中：Uqd為電動(dòng)機(jī)端電壓標(biāo)幺值；Mj為水泵靜阻轉(zhuǎn)矩標(biāo)幺值，取0.3；Mqd為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩標(biāo)幺值，廠家提供取0.91。

2.4 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間計(jì)算

大型同步電動(dòng)機(jī)異步全壓啟動(dòng)的時(shí)候，由于負(fù)載過重或供電電壓太低導(dǎo)致沒有在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速，從而可能導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。所以對(duì)大型同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間tD也是啟動(dòng)計(jì)算中的重要指標(biāo)之一。

由電磁轉(zhuǎn)矩平衡方程式：

可得出異步電磁力矩轉(zhuǎn)差率關(guān)系曲線見圖2。

圖2 異步電磁力矩與轉(zhuǎn)差率關(guān)系曲線

將ΔM化簡為以電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值，ω用機(jī)械角速度表示，則：

啟動(dòng)時(shí)間：

其中：Tj為慣性時(shí)間常數(shù)，Tj=5.486s；tD為啟動(dòng)時(shí)間；GD2為慣性矩，GD2=93t·m2；ne為同步轉(zhuǎn)速,ne=500 轉(zhuǎn) /min；Pe為額定功率，Pe=12000 kW；ω為角速度，ω=1-S，S為轉(zhuǎn)差率取0～1。

由此可計(jì)算得出，三河口泵站啟動(dòng)時(shí)間為tD=12.76 s。

3 啟動(dòng)過程熱穩(wěn)定計(jì)算

電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)和運(yùn)行過程中都會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱損耗。對(duì)于大型機(jī)組，發(fā)熱問題更為嚴(yán)重。啟動(dòng)過程中溫升過高直接影響機(jī)組的使用壽命和運(yùn)行的可靠性。阻尼繞組能夠調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，是機(jī)組發(fā)熱的主要部件之一。泵站水泵水輪機(jī)組阻尼繞組的啟動(dòng)溫升，包括籠條和端環(huán)兩部分發(fā)熱溫升。

3.1 籠條的溫升

式中：M、M0為電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，負(fù)載轉(zhuǎn)矩；RB，RK為阻尼條，阻尼環(huán)電阻占比；CB為阻尼繞組比熱，kW·s/（kg·℃）；WB為阻尼繞組的質(zhì)量，kg；S為轉(zhuǎn)差率。

計(jì)算得：

3.2 端環(huán)的溫升

式中：CK為端環(huán)材料的比熱，kW·s/（kg·℃）；WK為端環(huán)總質(zhì)量，kg。

計(jì)算得：

考慮啟動(dòng)過程會(huì)向轉(zhuǎn)子鐵芯散發(fā)部分熱量以及空氣散熱的影響：

為保證電動(dòng)機(jī)運(yùn)行安全可靠，按照規(guī)定，阻尼繞組啟動(dòng)過程溫升應(yīng)不大于300℃。通過上述計(jì)算，三河口泵站電動(dòng)機(jī)阻尼繞組溫升高于300℃，超過機(jī)組的啟動(dòng)和運(yùn)行的規(guī)定。

4 機(jī)組啟動(dòng)過程影響分析及對(duì)策

4.1 對(duì)廠用電系統(tǒng)的影響及優(yōu)化措施

根據(jù)啟動(dòng)計(jì)算結(jié)果，三河口泵站12 MW大型水泵水輪機(jī)組在遠(yuǎn)期最小運(yùn)行方式下啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)母線電壓為65.1%，啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)端子電壓大于克服水泵靜阻力矩要求的電壓0.602，根據(jù)泵站設(shè)計(jì)規(guī)范當(dāng)啟動(dòng)引起的電動(dòng)機(jī)端子電壓能夠保證所拖動(dòng)的機(jī)械要求的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，且啟動(dòng)引起的電壓波動(dòng)不妨礙其他用電設(shè)備的工作，電壓降可不受85%的限制[3]。因此，三河口泵站水泵水輪機(jī)組可以克服水泵靜阻力矩異步全壓啟動(dòng)。機(jī)組連接方式采用一機(jī)（組）一變（壓器）接線方式，啟動(dòng)時(shí)每段母線只有啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)一臺(tái)機(jī)組，對(duì)其他電動(dòng)機(jī)不會(huì)造成影響。但是由于三河口泵站廠用電源取自電動(dòng)機(jī)母線，廠用電系統(tǒng)中的照明，控制保護(hù)系統(tǒng)和輔助機(jī)械等全廠公用電設(shè)備允許的電壓降為10%，所以啟動(dòng)時(shí)造成的母線電壓下降可能對(duì)廠用電系統(tǒng)的供電造成影響。

為解決機(jī)組異步全壓啟動(dòng)時(shí)對(duì)泵站廠用電系統(tǒng)的影響，保證三河口水利樞紐工程的可靠運(yùn)行，該工程采用引接兩路外來電源作為備用電源以保證機(jī)組啟動(dòng)時(shí)廠用電系統(tǒng)的供電安全。該電源一路引接自35 kV施工變電所10 kV母線；另外一路由壩區(qū)10 kV母線引接。這樣，泵站正常運(yùn)行時(shí)廠用電源由機(jī)組10 kV母線供電。異步全壓啟動(dòng)時(shí)，由兩路外來備用電源供電。避免了機(jī)組啟動(dòng)對(duì)廠用電系統(tǒng)的影響。

4.2 熱穩(wěn)定分析及對(duì)策研究

由熱穩(wěn)定計(jì)算可知，影響三河口泵站電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)溫升和啟動(dòng)時(shí)間的內(nèi)在因素有機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，外在因素為水泵的靜阻轉(zhuǎn)矩和電機(jī)的端子電壓。為研究三河口泵站水泵水輪機(jī)組發(fā)熱對(duì)電動(dòng)機(jī)異步全壓啟動(dòng)的影響，結(jié)合工程情況假設(shè)三種條件進(jìn)行啟動(dòng)計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同條件阻尼繞組溫升計(jì)算結(jié)果

由表2可知，在三河口泵站采用壓水啟動(dòng)、假設(shè)電網(wǎng)無窮大和減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量三種方法均可降低電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程阻尼繞組的發(fā)熱溫度，具體采用哪種方法可根據(jù)工程實(shí)際情況選擇。

5 結(jié)論

綜上所述，三河口泵站12 MW水泵水輪機(jī)組能夠克服水泵靜阻力矩異步全壓啟動(dòng)，啟動(dòng)對(duì)廠用系統(tǒng)的影響及機(jī)組熱穩(wěn)定問題可采取一定的措施解決。鑒于我國目前在建或已成的供水工程中12 MW及以上同步電動(dòng)機(jī)還從未有采用直接啟動(dòng)的先例，如果在此類工程中采用異步全壓啟動(dòng)方式，還需要考慮電機(jī)制造過程中要滿足啟動(dòng)要求增加的電機(jī)制造成本及技術(shù)難度所帶來的問題以及機(jī)組變化對(duì)廠房結(jié)構(gòu)及尺寸的要求。