基于ETAP的高压大容量同步电动机启动仿真研究

郭昆丽，李怀莉，景军峰，李国栋

（西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安 710048）

大容量同步电动机启动时，冲击电流可达到电机额定电流的4～7倍，这样将在输配电线路、电力变压器、电抗器等电器元件上产生明显的电压损失，从而造成供电系统各级母线电压的降低。如果电压降低较多且持续时间较长，会影响其他电气设备的正常运行，严重情况下，将影响整个配电系统的稳定运行[1]。陕西省东雷抽黄工程二级泵站选配10.5 kV/8 000 kW的高压大容量同步电动机，采用全压启动方式运行二十多年。本文按照同步电动机启动要求，计算分析了全压启动时泵站供电系统各级母线压降。东雷二级泵站系统是由韩城电厂发电，经过升压变压器10.5/121变电，再通过高压输电，最后经东雷变电站110/38.5/10.5 kV配电至东雷二级抽水站[2]，系统接线如图1所示。

图1 供电系统接线图Fig. 1 Wiring diagram of power supply system

大型同步电动机启动方式，可分为3种[3]：

1）直联拖动电动机的启动方式。这种方式对电网冲击小，但成本较高。

2）同步和半同步启动方式。这种方式对系统没有冲击，但必须设置专用的发电机组和供电线路，成本较高。

3）异步启动方式。包括全压启动和降压启动。这种方式对系统的冲击较大，但不需要专门的启动设备，操作简单，启动时间短，成本低，应优先采用。

ETAP是以单线图为基础的综合型电力及电气系统分析计算软件[4]，包括电动机加速分析、短路计算、潮流分析和谐波分析等功能模块。其中电动机加速分析模块可以模拟全压启动、自耦变压器启动和定子绕组串联电抗器启动等过程，用户可以根据需求选择不同的输出响应曲线。本文利用ETAP中电动机加速分析模块对东雷泵站10.5 kV/8 000 kW同步电动机全压启动过程进行仿真，用来分析电机启动过程对配电系统的影响程度，以及是否影响其他负荷的正常运行[5-6]。仿真结果对实际工程具有一定的借鉴意义。

1 电动机全压启动计算分析

1.1 全压启动计算

根据泵站电动机启动计算原则[7]，按电力系统最小运行方式，韩城电厂一台75 MW发电机投入运行，330 kV母线不运行，东雷二级泵站一台主变带一台电动机计算启动电压。系统韩城电厂110 kV母线阻抗值取j0.25。同步电动机启动时的等值阻抗图如图2所示。系统参数如下：110 kV输电线路LGJQ-185，l=33.5 km，x=0.4 Ω/km；110 kV变电所泵站三绕组降压变SN=20 MV·A，UKBC=18.5%，UKBH=10.32%，UKCH=6.28%；东雷二级泵站同步电动机P=8 000 kW，cos φ=0.8（超前），X″d=0.128 7，取Sb=100 MV·A，Ub=Ucp计算各参数。

图2 启动等值阻抗图Fig. 2 Equivalent circuit diagram of starting process

最小运行方式时各级母线压降：

韩城110 kV母线电压U1：

东雷变电站110 kV母线电压U2：

10 kV机端电压UD:

同步机直接启动时，电动机要求的机端电压为

式中，UstM为电动机启动电压的标么值（以电动机额定电压为基准）；Mj为水泵的静阻力矩标么值（以电动机额定转矩为基准）；MstM为电动机启动力矩的标么值。

电动机在管道阀门关闭启动时，一般水泵的静阻力矩取0.3；电动机启动力矩标么值根据厂家提供资料，8 000 kW同步电动机取1。

经计算，8 000 kW同步电动机启动时要求的机端启动电压的标么值不能低于0.574，所以直接启动时电动机端电压满足启动要求。

1.2 电动机启动仿真与分析

基于ETAP 软件的电力系统建模分为两步：首先根据东雷二级泵站供电系统接线图建立单线图，然后录入各设备所需参数进行仿真。电动机及其负载模型分别采用软件自带的有深槽效应的单笼电动机和泵典型参数。电动机与负载模型见图3、4（图3、4中横坐标分别代表电动机转差率百分数和转速百分数；纵坐标均代表额定转矩百分数）。

图3 同步电动机模型Fig. 3 Model of the synchronous motor

图4 同步电动机负载模型Fig. 4 Load model of the synchronous motor

仿真条件：设同步电动机在1 s开始启动，达到额定转速1 s后开始逐渐增加负载至2 s后满载运行，仿真时间10 s；仿真结果如图5—9所示。

图5 电动机加速转矩Fig. 5 The accelerating torque of the motor

图6 电动机端电压Fig. 6 The terminal voltage of the motor

图7 韩城电厂110 kV母线电压Fig. 7 110 kV bus voltage of Hancheng Power Plant

图8 东雷110 kV母线电压Fig. 8 110 kV bus voltage of Donglei Pump Station

由图5可知，同步电动机1 s起动后，异步电磁力矩大于机械阻力矩电动机加速运行，约6.5 s时牵入同步，电动机进入稳定运行状态。7.5 s开始逐渐增加负载，电动机加速转矩为负，8.5 s达到满载运行，电动机重新达到稳定运行状态。

图9 电动机启动电流Fig. 9 The starting current of the motor

由图6可知，在系统最小运行方式下，电动机端电压最小值为0.596，启动电压能满足克服水泵机组所需的最低启动电压（0.574）要求；由图7可知，启动初期韩城110 kV电压下降到0.882，满足大于85%额定电压的要求，对系统有一定的冲击，但不会影响韩城地区负荷的正常运行；由图8可知，东雷变110 kV母线电压下降到约0.83，小于85%额定电压，需2 s以后上升到0.85，同样对系统有一定的冲击，但可以通过调节带负载调压的三绕组变压器分接头来提高母线电压，从而实现110 kV母线电压大于85%额定电压。由图9可知，启动电流约为4倍的额定满载电流，小于电机制造厂家所给出的7.5倍，因此电动机启动时的动稳定（机械应力）性是安全的。由图5可知，电动机启动时间约为5.5 s，小于制造厂所保证的10 s启动时间，而且启动电流又小于7.5倍，因此启动时电动机的热稳定也是安全的。

仿真结果与计算对比如表1所示。需要说明的是由于此处的电动机类型和参数等条件与实际使用的电动机有一定的差别，因此仿真结果并不完全等同于实际运行情况，仿真结果与计算结果会有一定的差距[1，4]。

表1 仿真结果与计算结果对比Tab. 1 The comparison of simulation results and calculation results

1.3 母线电压降对正在运行的机组稳定性的影响

电动机启动会造成母线电压下降，如果电压降较大，可能会使正常运行机组失步，下面对机组稳定性进行分析验证。

根据同步电动机的同步功率：

取E=2.01，xd=1.017，xq=0.606，U=1时

解得δM=74.7°

水泵转矩（以电机为基准）：

当母线电压下降到58.7%额定电压时，电动机的最大同步转矩：

由此可见，电机运行稳定。

综上几点所述，系统各级母线压降、电动机的动稳定性、热稳定性均满足全压启动要求。

2 辅助启动措施

经过计算和仿真表明：8 000 kW同步电动机采用全压直接启动对系统有很大的冲击，其中启动初期电动机端电压下降到0.587UN，东雷变110 kV母线电压下降到0.84UN，为了保证系统和机组能正常安全运行，针对供电系统实际情况采取一些适当的辅助启动措施，以达到改善全压启动条件，减小对配电系统影响的目的。

1）为了减小全压启动对系统的冲击和瞬时电压降低太大，应选择恰当的电压分接头（泵站主变是带负荷调压），以保证机组能够顺利启动，又对系统的影响较小。

2）一台电动机启动时，为了保证运行中电动机组的稳定性以及改善电动机启动条件，应尽量加大运行电机励磁使电机处于进相（超前）运行状态，提高电动机母线电压。

3）为了改善启动条件，启动时2台主变应并联运行。

4）系统在最小运行方式时，母线电压降较大，为了减小启动对系统的影响，韩城电厂在泵站启动时应较多投入机组运行，不宜少于2台，能提高电动机母线电压。

5）减小水泵在启动过程中的阻力矩，启动时将泄水阀关闭，实行空水启动，从而起到减小阻力矩的作用。

除了通过以上5种辅助措施来改善全压启动条件外，还可以通过改善供配电情况来达到全压启动条件，如采用双回线供电，加大主变压器容量或降低主变压器阻抗方案。具体选择哪种方案，应根据工程的投资、主变运行负荷率和可靠性等具体情况选择[8-10]。

3 结论

东雷二级泵站10.5 kV/8 000 kW高压大容量同步电动采用全压启动时启动电流较大，造成东雷变110 kV母线和电动机端压降较大，所以有必要采取一些辅助启动措施来减小压降，保证机组能顺利启动，同时减小大容量机组启动对配电系统及其他附属设备造成的影响，对实际工程具有一定的借鉴指导意义。

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