用ETAP 軟件分析小容量孤島電廠條件下的大電機啟動

劉興旺 劉云飛

中材建設有限公司（100176）

0 概述

孤島電力系統有其特殊性，在無外部電網支持的情況下，自用電廠作為一個 “孤島小網電廠”運行，對于系統來說,它既是一個負荷點,又是一個電源點，且電源和負荷的規模都比較小；就其自身而言, 需要考慮單臺或多臺大型中壓電機的啟動問題，或者是大型設備突然停機對其發電機設備及網絡壓降的影響。自建的孤島電廠要根據水泥廠的負荷增減進行調度。工廠中大型電機的容量是影響小型電廠發電機選擇的一個重要因素。

ETAP 是國際通用的電力及電氣系統分析計算商業軟件，由美國OTI 公司于1984 年開發，1986年正式發布。目前, ETAP 軟件具有潮流分析、短路計算、繼電保護配合和選擇、電動機加速分析、暫態穩定分析等50 多個模塊，廣泛地應用于各行業的發電、輸配電和用電部門。

1 ETAP 軟件的設備模型理論基礎

首先根據水泥廠的負荷，使用《工業與民用供配電設計手冊》第一章節和第十二章節的功率計算公式，計算出水泥磨電機啟停所需要的負荷。

在工廠供配電設計時，大功率電機啟動時引起的壓降對孤島電廠發電機的選型影響很大，根據《工業與民用供配電設計手冊》 及IEEE Std.141,IEEE& IEEE P3002.7TM/D9 《工業和商業電力系統》中推薦的電動機起動方法，及IEC 60038 的設計規范對壓降范圍的要求，電機起動時在配電系統中會引起電壓下降，這種電壓下降影響整個工廠配電系統的電網質量，國家標準中對這種電動機起動時在配電系統中引起的電壓下降規定了電壓允許值,即“電動機起動時,其端子電壓應能保證所拖動的機械要求的起動轉矩,且在配電系統中引起的電壓波動不應妨礙其他用電設備的工作”。這包含兩方面具體要求:

1） 電動機起動時的端電壓滿足電動機的起動轉矩。

2）電動機所在的配電母線電壓需要滿足下列要求:

A）在一般情況下，電動機頻繁起動時，不宜低于額定電壓的90%；電動機非頻繁起動時，不宜低于額定電壓的85%。

B）配電母線上未接照明或其他對電壓波動較敏感的負荷，且電動機非頻繁起動時，不宜低于額定電壓的80%。

2 水泥磨電機啟動所需功率的初步計算及建模分析

2.1 水泥廠及電廠設備的技術數據

2.1.1 孤島電廠發電機的數據

瓦錫蘭單組發電機的基本數據:11 kV，50 Hz，9 MW。這里主要使用發電機突加負荷的數據曲線，圖1 是單臺機組突加負荷的曲線。

圖1 單臺機組突加負荷曲線

2.1.2 水泥廠水泥磨的轉矩基本數據

T:水泥磨操作轉矩。

TR: 水泥磨機在電機軸的額定轉矩；TR=2×54 177=102 954 Nm。

Tmax: 水泥磨機在電機軸的最大轉矩；Tmax=170 329 Nm。

N:水泥磨運轉速度。

nR:水泥磨額定速度；nR=14.3 r/min。

2.1.3 水泥磨雙傳動單臺電機的數據及等效電路

電機額定功率:2×4 000 kW，11 kV，50 Hz；額定電流:253 A；效率:96.5%；功率因數:0.86。在 100%的負荷時，轉速為744 RPM/min，轉動慣量為960 kg/m2。其等效電路如圖2 所示。

圖2 等效電路圖

2.2 電機啟動時需要的功率

該項目采用液體啟動方式來啟動一臺水泥磨的兩個主電動機，液體啟動器可以根據AKA 設備廠家的參數，限制轉子啟動電流不超過電機額定電流的1.5 倍。根據《工業與民用供配電設計手冊》第一章和第十二章的功率計算公式，計算得出啟動一臺水泥廠的兩臺主電機所需要的功率:。

依照瓦錫蘭發電機的參數曲線，計算單臺負荷在60%以下時重油發電機組突加負荷的功率:9 000 kW×35%=6 300 kW。

按照上述計算，選用兩臺瓦錫蘭發電機組就能滿足啟動水泥磨設備的條件。由于考慮電機啟動對小型孤島電網的沖擊時還需要考慮電機端子的壓降和發電機輸出端的壓降，所以利用ETAP 軟件進行分析計算，主要以動態電機加速啟動方式完成。

2.3 在ETAP 軟件中建立孤島電廠啟動水泥磨電機模型

2.3.1 ETAP 電動機起動分析模塊介紹

ETAP 提供了兩種電動機起動計算方法，分別為動態電動機加速和靜態電動機起動。在動態電動機加速計算中, 用動態模型模擬發動機在啟動時的狀態,用程序模擬電動機的整個加速過程。根據設備的參數，檢查發電機及電動機需要多長時間達到額定速率、到達額定電壓，整個孤島電廠系統多久才能達到穩定狀態；并及時確定電壓降對發電機設備系統的影響。在動態電動機起動方法中, 在加速期間,使用模型中的轉子串電阻的方法起動電動機,根據液體啟動柜的參數曲線及啟動模型的設置，模擬對正常運行設備的最壞影響。在使用動態模型起動電動機的情況下檢測電動機起動對系統的影響。

2.3.2 典型的小型孤島電廠中壓電機啟動模型的搭建

根據整個項目水泥廠及配套的小型孤島電廠的方案，建立整個配電系統的模型。如圖3 所示。

圖3 單線圖

根據電廠設備參數建立發電機模型（注意:主要考慮發電機阻抗的選擇以及功率、功率因數等參數的輸入），或者是選擇典型的發電機參數模型。這里為了建模計算的結果更接近實際情況，根據發電機設備廠家提供的詳細參數進行設置。首先按照5×9 MW 的發電機組進行建模，然后再根據上述計算得出的啟動電機需要滿足的最少額定功率 （7 230 kW），投切重油發電機組數量，進行電動機的動態及靜態啟動加速分析。檢查壓降，直至滿足電機啟動及設備要求的標準。

根據6000TPD 水泥生產線的設備計算負荷，整個系統的預加負荷為25 MW。水泥磨電機的功率為2×4 000 kW 雙傳動，電機電流為253 A,電壓為11 kV；滿載的功率因數為0.865，50%負載時的功率因數為0.74；效率在不同負載的情況下分別為96%和95%。另外，根據電機廠家提供的等效電路圖，在啟動模式下選擇轉子串電阻啟動，并根據水電阻設備特性選擇適當的啟動曲線，如圖4 所示。

圖4 電機啟動曲線

在ETAP 軟件中的電機的CKT 模型中新建電機模型，根據設備提供的轉矩及轉動慣量及電機動態模型，輸入新建電機等效電路模型參數。該計算基于先進的數學估計和曲線擬合技術，它只需要電機特性的特征數據。估計的模型參數包括表示電機定子、 轉子的電阻和電抗以及勵磁支路特性。圖5所示為感應電機回路模型，采用這種簡化模型。

圖5 ETAP-CKT 建模電機數據

2.3.3 小型孤島電廠中壓電機啟動的壓降計算結果分析

文章針對兩臺水泥磨電機啟動時投入不同數量發電機的情況進行分析。

根據水泥磨設備的機械特性及兩臺電機同時啟動（可以存在微小的時間差）的要求，在ETAP 中設置第一臺電機在0.6 s 時啟動、第二臺電機在1.0 s 時啟動，加載至滿載狀態，然后檢查不同數量發電機組并聯運行時母線的電壓降。

兩至五臺發電機組初始瞬態電壓相對價值的發電機輸出端子在水泥磨兩臺主電動機起動時分別為:u"stG=63.43%，74.44%，80.22%，87.1%。根據水泥磨機械設備啟動時間在35 s 內的要求,檢查在動態加速起動電動機時發電機的電壓降曲線。根據兩至五臺發電機組并聯的不同情況，輸出端子電壓降分別保持在63.43%、80.2%、99%和99%，其中:在兩臺和三臺發電機組并聯的情況下，超過35 s 后端子輸出電壓不能恢復正常。因此，在這種情況下，啟動失敗。而在四臺和五臺發電機組并聯的情況下，超過35 s 后發電機組端電壓降在起始端恢復到正常的99%，該情況下啟動成功。

另外，按照國際標準及ABB 發電機設備廠家提供的數據，機組暫態電壓降不應大于14%。四臺、五臺機組并聯運行時單機組電壓降分別大于18%和13%，設備都能完成啟動，發電機的壓降很快能恢復到正常值。但是，為了保護發電機設備，最好使用五臺發電機組并聯啟動水泥磨的兩臺主電機。

3 結語

根據小容量孤島電廠和水泥工廠用電的特點，對可能出現的重要技術風險因素進行分析，提出針對性的解決方案，用于選擇重油發電機小型孤島電廠的機組數量，以保證設備及生產的需要。