泵站10kV異步電動機啟動壓降計算及啟動方式分析

周逸波

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司上海分公司，上海 200439)

當泵站10kV異步電動機啟動時，如不采用任何啟動裝置，直接加額定電壓到定子繞組啟動電動機，電機的啟動電流可達額定電流的4～7倍，其轉速也在很短時間內由零上升到額定轉速。同時三相感應電動機啟動時的轉矩沖擊較大，一般可達額定轉矩的2倍以上。

電機啟動時過高的電流一方面會造成嚴重的電網沖擊，給電網造成過大的電壓降落，降低電網電能質量并影響其他設備的正常運行。另一方面過大的轉矩沖擊又將造成機械應力沖擊，影響電動機本身的使用壽命。因此有必要計算水泵電機啟動時產生的電壓暫降，選取相適應的電機啟動方式，保證供電系統正常運行。

1 工程概況

白茆塘樞紐位于白茆塘與護城河交匯處，為常熟市暢流活水骨干工程之一，其主要任務是防洪、排澇及水資源調度。本工程排水總流量為45m3/s，泵站采用3臺15m3/s單向斜豎井貫流泵，每臺水泵配套電機為功率450kW，采用10kV異步電動機。

本工程采用兩路10kV電源接入，供3臺450kW水泵電機及2臺500kVA變壓器工作。一路10kV電源引自110kV東郊變，另一路10kV電源引自110kV藕渠變。10kV母線采用單母線分段，兩段母線采用斷路器聯絡，10kV進線開關及分段開關之間設機械及電氣聯鎖，只能同時閉合兩個。正常情況下10kV分段開關斷開，兩路電源分別向兩段10kV母線上的用電設備供電；當一路電源故障時，10kV母線分段開關合上，保證本站設備仍能正常運行。

2 210kV異步電動機啟動壓降計算

2.1 計算條件

根據《泵站設計規范》第10.5.2條，電動機啟動計算應按供電系統最小運行方式和機組最不利的運行組合形式進行：當同一母線上全部連接異步電動機時，應按最后一臺最大機組的啟動進行啟動計算。

因此，計算前應向當地供電部門征詢上級變電所內10kV母線的最小短路容量，以及上級變電所至泵站變電所的10kV輸電線路敷設方式和距離。由于本工程采用兩路10kV電源接入，當一路電源故障時，10kV母線分段開關合上，將由一路電源供電。因此需要分別計算兩路電源單獨供電時的電機啟動壓降，并取大者。經征詢，得到供電部門提供數據如下：

(1)110kV東郊變內10kV母線最小短路容量Sk=255MVA。

110kV東郊變至本泵站工程變電所的10kV輸電線路合計采用架空線ljk=2300m、電纜ldl=1653m。

(2)110kV藕渠變內10kV母線最小短路容量Sk=228MVA。

110kV藕渠變至本泵站工程變電所的10kV輸電線路合計采用架空線ljk=2465m、電纜ldl=2139m。

(3)本工程水泵配套10kV異步電機參數如下：

額定功率PM=450kW

額定電壓Un=10kV

電機轉速n=743r/min

額定功率因數cosφM=0.78

額定電流Ie=35.21A

效率η=94.6%

啟動電流kstM=7

(4)等效電路圖如圖1所示。

圖1 最小運行方式下的等效電路圖

2.2 110kV東郊變供電時泵站10kV母線壓降計算

取基準容量Sj=100MVA；基準電壓Uj=10.5kV；基準電流Ij=5.5kA。

X1—系統電抗標幺值：

X2—10kV輸電線路電抗標幺值：

=0.954

根據《水利水電工程三相交流系統短路電流計算導則》附錄A，架空線電抗Xjk=0.4Ω/km，電纜電抗Xdl=0.08Ω/km。

Xs—d1點以前的總電抗標幺值：

Xs=X1+X2=0.392+0.954=1.346

SscB—d1點短路容量：

SstM—電動機額定啟動容量：

SL—預接負荷，2臺水泵電機及1臺站用變壓器：

QL—預接負荷的無功功率：

根據《工業與民用配電設計手冊》(第4版)表6.5-4中公式，

Sst—電動機啟動時啟動回路的計算容量：

式中,Xl—水泵電機配電線路電抗，電纜長度很短，忽略不計；

ustB—電動機啟動時母線電壓相對值：

根據《泵站設計規范》第10.5.1條，機組啟動時母線電壓降不宜超過額定電壓的15%；由計算可知，電動機啟動時母線壓降為2%，滿足要求。

2.3 110kV藕渠變供電時泵站10kV母線壓降計算

取基準容量Sj=100MVA；基準電壓Uj=10.5kV；基準電流Ij=5.5kA。

X1—系統電抗標幺值：

X2—10kV輸電線路電抗標幺值：

=1.05

根據《水利水電工程三相交流系統短路電流計算導則》附錄A，架空線電抗Xjk=0.4Ω/km，電纜電抗Xdl=0.08Ω/km。

Xs—d1點以前的總電抗標幺值：

Xs=X1+X2=0.439+1.05=1.489

SscB—d1點短路容量：

SstM—電動機額定啟動容量：

SL—預接負荷，2臺水泵電機及1臺站用變壓器：

QL—預接負荷的無功功率：

根據《工業與民用配電設計手冊》(第4版)表6.5-4中公式，

Sst—電動機啟動時啟動回路的計算容量：

Xl—水泵電機配電線路電抗，電纜長度很短，忽略不計；

ustB—電動機啟動時母線電壓相對值：

根據《泵站設計規范》第10.5.1條，機組啟動時母線電壓降不宜超過額定電壓的15%；由計算可知，電動機啟動時母線壓降為2.7%，滿足要求。

綜上所述，當本工程由110kV藕渠變供電時，電動機啟動時泵站10kV母線壓降最大，為2.7%，滿足要求。

3 10kV異步電動機啟動方式選擇

根據計算結果，本工程水泵電機滿足全壓啟動的要求。由于主電機直接掛在10kV母線上，啟動電流時對電網的沖擊大，參考其他類似泵站電力部門對電機啟動時母線壓降的考核要求，本工程采用高壓軟啟動裝置，實現電機平滑無極加速，控制啟動時電流斜坡，將啟動電流控制在額定電流3.5倍以內，降低電機啟動時對電網的影響，延長電機的使用壽命。軟啟設備采用戶內成套高壓固態軟啟動裝置，以晶閘管閥為主電路部件，采用模塊化結構。

4 結語

電動機啟動壓降的計算是泵站電氣設計中一個非常重要的環節， 關系到水泵電機啟動方式選擇， 以及整個電氣系統的運行安全。實際工作中，設計部門常以經驗值取代計算過程或在系統側參數不明確的情況下進行估算，導致計算結果與實際有較大出入。

本文通過對白茆塘樞紐工程水泵電機啟動壓降進行計算，為類似工程設計提供了有效的參考借鑒。如何綜合考慮泵站功能類型、投資成本、地區運行習慣等多種因素的影響， 更準確地選擇泵站電機啟動方式，還有待深入研究和實踐。