朱 敏 智

[上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司, 上海 200092]

0 引 言

城市取水地的迁移需建设新的输水泵站,输水泵站电力设计主要包括泵站变电所与水泵电动机的设计[1-2]。本文从素材与相关设计标准出发,从水泵电动机的选择、起动与运行电压降落以及电动机变频运行方面论述了泵站水泵电动机供电设计,作为泵站变电所设计的出发点,可为设计人员提供参考。

1 工程概况

某输水泵站单台水泵最大电动机功率4 800 kW,泵站4 800 kW水泵电动机共有8台,泵站装机总容量为85 900 kW,泵站变电所供电电源电压等级为110 kV。

2 水泵电动机的选择

按照泵站水泵调节供水流量、扬程需求,设计人员选择电动机拖动水泵,调节与水泵同轴的电动机转子转速,并比选直流电动机、交流电动机方案。电动机型式比较如表1所示。

表1 电动机型式比较

直流电动机转子电流方向是同一个方向,转子的换向器(电刷)需维护,否则直流电动机容易损坏。

交流电动机定子电流方向反复,按照转子是否需要供电可分为交流同步电动机和交流异步电动机。

相同功率的电气设备电压等级越高,电气造价越高,按照电动机维护量最小与造价最低选择电动机型式。对于泵站4 800 kW水泵电动机,选择6 kV交流异步电动机。

3 水泵电动机起动与运行电压降落

泵站甲水泵电动机通过泵站变电所的6 kV母线供电,单台电动机容量为泵站变电所主变压器容量的2/15,电动机直接起动与电动机短时失电后恢复供电产生6倍电动机额定电流的短时起动电流,流经变电所主变压器线圈,引起泵站变电所6 kV母线电压降落,不仅降低泵站变电所6 kV母线的其他电力负荷供电电压,而且降低相同电源线路上其他电力用户的供电电压[3-5]。供电部门往往关心这种现象引起其他电力用户电压下降的数值,故提出了限制要求。泵站甲水泵电机4 800 kW起动时电压降落值与额定电压值的比值如表2所示。

表2 泵站甲水泵电机4 800 kW起动时电压降落值与额定电压值的比值

为减少泵站的电动机起动电压降落,起动方式选用调节电动机电压、频率的变频起动方案,使泵站6 kV母线电压降落值的百分数控制在-12.22%,公共连接点110 kV母线电压降-1.8%,其在规范限定值之内。因此泵站水泵电机的起动运行选用电流源型变频器。变频调速器主电路结构如图1所示。

图1 变频调速器主电路结构

4 变频调速电动机的谐波

泵站变频调速器带动电动机转子转速调节时,会产生电压、电流谐波。设计人员要估算谐波对电网公共连接点其他电力用户的影响。变频调速器制造厂提供的4 800 kW水泵电动机负载50%转速与满载100%转速下变频调速器运行谐波报告:各次谐波下变频调速器输入/输出电压有效值和电流有效值、相位以及电压/电流-时间曲线。设计人员首先验证电动机变频调速运行谐波报告的有效性,再估算电压、电流谐波对公共连接点的影响。

基波与各次谐波下电流源型变频调速器输入、输出电流/电压是周期函数,周期函数可以展开为傅里叶级数。

(1)

(2)

式中:U——电压有效值;

f——谐波频率;

t——时间;

φU——电压相位;

I——电流有效值;

φI——电流相位。

按照电路叠加定理,把1～51次谐波下的电流、电压分别相加,得到变频调速器电流/电压-时间表格,绘出变频调速器的电压-时间和电流-时间曲线,并与制造厂提供的曲线比较,计算电动机变频调速运行50%转速与100%转速有功功率比值,验证电动机变频调速运行谐波报告的有效性。

变频器输入侧、输出侧负载50%转速时电压、电流分别如图2、图3所示。

图2 变频器输入侧负载50%转速时电压、电流

图3 变频器输出侧负载50%转速时电压、电流

制造厂变频器输入侧、输出侧50%转速时电压、电流分别如图4、图5所示。

图4 制造厂变频器输入侧50%转速时电压、电流

图5 制造厂变频器输出侧50%转速时电压、电流

变频器输入侧、输出侧满载100%转速时电压、电流分别如图6、图7所示。

图6 变频器输入侧满载100%转速时电压、电流

图7 变频器输出侧满载100%转速时电压、电流

制造厂变频器输入侧、输出侧满载100%转速时电压、电流分别如图8、图9所示。

图8 制造厂变频器输入侧100%转速时电压、电流

图9 制造厂变频器输出侧100%转速时电压、电流

综上所述,设计的变频器电压-时间、电流-时间曲线与制造厂提供的曲线基本一致。按照制造厂数据,变频器输出端负载50%转速1～51次基波与谐波相加有功功率为644 kW,满载100%转速1～51次基波与谐波相加有功功率为4 622 kW,两者比值为13.9%,约等于两者转速的立方比值12.5%,符合电动机拖动的水泵有功功率(与流量×扬程成正比)与水泵转速的立方成比例,说明变频器制造厂提供的电动机变频调速运行电压-时间、电流-时间曲线基本有效。

供电部门往往关心变频电动机运行引起的电压、电流谐波对公共连接点的电压、电流影响,视情况要求泵站变电所采取限制措施。单台变频器输出端负载50%转速,变频器输入侧电压总畸变率为0.82%,单台变频器输入侧最大谐波电流:3次谐波电流2.5 A,7次谐波电流3.5 A。折算到公共连接点电压总畸变率、总电流:公共连接点电压总畸变率1.12%(规范限定值2%),3次、7次谐波总电流分别为9.6 A、12.2 A(规范限定值分别为19.2 A、13.6 A)。

这些数值在规范限定值以内,说明泵站变频器带电机运行的谐波电压、电流对公共连接点的影响有限,无需采取限制措施。

5 结 语

本文介绍了某输水泵站电动机的供电设计。选择泵站电动机型式后,进行起动运行电压降落计算,验证制造厂数据,分析电动机变频调速运行时同一市电供电下其他电力用户的影响,满足了供电部门的要求,成为电动机供电开关、电缆等电气设备选择的基础。