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排涝泵站高压异步电机设计应用问题分析

2025-02-16 54 上传者：管理员

摘要：针对高压异步电机在排涝泵站应用过程中就地补偿过电压与中性点引出必要性等方面的问题，分析讨论问题产生的过程原因。重点对异步电机自励磁影响进行分析，及中性点引出的考虑因素分析，给出了针对排涝泵站高压异步电机就地补偿容量确定的方法和建议，给出了电机中性点是否引出的主要影响因素。围绕排涝泵站的机组运行安全目标，为设计及运行管理均提供了重要的借鉴和参考。

关键词：
中性点
排涝泵站
无功补偿
过电压
高压异步电机
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排涝泵站特征扬程直接影响泵站工程的投资和安全运行｡城市排涝泵站运行环境复杂,泵站特征水位难以直接引用规范GB50265—2022《泵站设计标准》,一般基于地方流域洪水模型模拟及经验提出,泵站进水池设计运行水位通常为站前经常出现的内涝水位,出水池设计水位与排区暴雨存在水位组合问题,规范取重现期多年一遇的排水时段平均潮水位,取值普遍偏高[1]｡一些经济发达地区的中心城区,排涝需求强烈,设计扬程和最高扬程相差较大[2]｡某些泵站工程在前期调研中,运管人员基于一些管理经验提出提高设计扬程余量的硬性要求,如某泵站前期设计能力不够,运行中拦污栅严重堵塞,进口水位明显降低,导致脉动异常;某些改造工程为避免运行扬程进入马鞍区不稳定运行,选用整体偏高扬程段的水泵[3]｡当泵站选用的水泵扬程偏高时,其实际运行扬程又远低于设计扬程,致使水泵运行效率较低,配套电机的功率安全余量较大,实际运行中,异步电机经常以轻载运行,负载率甚至只有40%~50%,电机功率因数相应较低｡同时,排涝泵站经常要在雷雨天气环境下开机运行,近年来,多地雷暴的极端天气亦有发生,因此,必须重视预防电机遭受雷电过电压而引发安全事故｡

文章就排涝泵站中高压异步电机自励磁过电压防护及电机本身雷电过电压防护及中性点引出设计两个问题进行了详细讨论分析｡

1、问题的提出

1.1高压异步电机无功补偿问题

GB50052—2009《供配电系统设计规范》规定:6.0.4.3条,容量较大,负荷平稳且经常使用的用电设备的无功功率,宜单独就地补偿｡就地补偿(即并联电容补偿)将无功电容器组与电机并接,通过控制保护装置与电机运行和停止同时投切｡未就地补偿电机的无功电流全部由上级变压器供给,就地补偿的电机的无功电流由补偿电容器供给｡为抑制谐波电流,在电容器补偿回路中串联电抗器｡

实际应用中,当负载率低于40%时,电机的效率将迅速下降,如图1所示为某10kV,1600kW,8极三相异步电机的典型工作特性曲线,电机在额定电压和频率下,功率因数cosφ和效率η与负载率的关系｡

从图1中可以看出,当负载率为75%~85%时,电机的运行效率最高,随着电机的负载率下降,功率因数和效率均下降,低负载时功率因数相对于效率下降更明显｡轻载时,电机的损耗和系统线路损耗都要相应增加｡由高压异步电机在排涝泵站的应用特点可知,电机在投运后多数情况下处于轻载运行状态,功率因数较低｡高压异步电动机多采用单机就地补偿方式,其补偿容量固定,因此,合理提高功率因数,对电动机进行无功功率补偿变得困难｡

图1高压异步电机的典型工作特性曲线(某10kV,1600kW,8极三相异步电机)

1.2高压异步电机雷电过电压防护问题

排涝泵站经常要在雷雨天气环境下开机运行,目前高压防雷设计与措施应用主要集中于高压输送线路终端部门,对高压直配电机自身的防护措施研究开展不多见｡需从产品制造方到设计和用户方全面考虑高压异步电机防雷保护特点和需要,合理设计电机中性点引出与保护｡根据SL/T781—2020《水利水电工程过电压保护及绝缘配合设计规范》对高压电机中性点引出的要求:9.1.1条,直配电机中性点能引出且未直接接地,应在中性点上装设旋转电机型避雷器,额定电压宜按表9.1.1选定｡根据GB/T13957—2022《大型三相异步电动机基本系列技术条件》第5.20条:当功率为2000kW及以上时,中性点应引出;GB/T50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》第5.6节对1500kW以上直配电机要求中性点装设相应电机中性点型MOA｡目前规范,对于1500kW以下的高压直配电动机的中性点是否装设电机中性点型MOA,没有明确要求｡因此,需对电机中性点是否引出进一步讨论分析｡

2、高压异步电机自励磁过电压防护及合理补偿无功

2.1排涝泵站电机自励磁过渡过程分析

排涝泵站水泵为低转速大转矩负载设备,直连传动时,电机极数较多,转子重量大,启动和停机过渡过程均相对持续时间长,电机的转矩大小随之变化｡机组停机断电过渡过程分析如下｡三相异步电机就地无功补偿时,补偿装置随电机启动投入,电机断电后,因转子及拖动负载的惯性作用不能立即停止转动,电容器对电机放电使电机得到励磁,异步电机换为发电机工况转动,发电对电容器充电,产生电磁振荡现象,产生一定的过电压,对电容器的绝缘寿命产生影响｡如将正经历自励磁中的电机合闸,电源电压和自励磁产生的电压相位差异,还可能导致电机产生瞬时转矩,机组转动系统将受到机械冲击和损害｡电机断电后,受电机的空载损耗和剩余负载部分损耗(水泵转动部件)影响,电机转速维持极短时间额定转速,随即迅速下降,电流逐渐减小｡转矩逐渐减小到零,最终电机停止转动,补偿装置退出｡根据电容伏安特性曲线公式:

当电压变化时,电流也会变化,电容值越大,电流越大｡对于排涝泵站机组,其电机空载伏安特性[4]曲线如图2中对数曲线1所示;电容器(作为放电电源)的伏安特性曲线如图2中斜线2所示,其斜率由电容装置的阻抗决定｡

由图2可知,电容器向电机放电时,假设电机断电后还能维持原转速转动,在B工况点,如果电容放电的电流IB大于电机空载电压UN对应下的电流I0,则电机输出端的电压UB将大于UN,形成电机自励磁过电压现象｡

2.2合理补偿无功的分析与建议

已有研究测试表明,即使电容电流等于空载电流作发电机运行时空载电压也不会超过电动机的额定电压,因为由电动机转为发电机运行状态,其励磁感应电势还须克服内部阻抗的电压降落[5]｡并且,实际生产中,调试阶段一般不投入无功补偿,有短时空载运行,多数情况高压电机均带负载运行｡水泵机组的机械惯性较大,在带机械负载的情况下断电时,电机反向制动,机组转速呈急剧下降趋势,即使补偿容量略大于电机空载无功,一般也不会引起自励磁过电压｡但保险考虑,对于出水管较长的机组还要设置措施,限制其停泵时长,对于设置自动投切的电机,投､切间隔时限不应小于电容器的放电时间｡必要时还可采用并联阻抗来防止出现自励现象｡根据上述分析,排涝泵站设计时,就地单机补偿容量要小于电机空载无功,即就地补偿电容器的电流要小于电机的空载电流｡对于排涝泵站三相高压异步电机空载运行时,三相异步电机输出轴上只需克服空气阻力和内部摩擦,对应定子三相绕组中的电流为空载电流｡空载电流绝大部分用来产生旋转磁场,极小部分用来产生与空载铁耗､空载机械损耗､风磨损耗､杂散耗等对应的有功分量,定性分析时可忽略不计｡空载电流与其电磁设计及加工制造工艺有关,应由电机制造厂根据生产产品试验测得,在符合要求的工艺正常范围内,空载电流大小应在一个限定的合格区间｡在以上分析的必须满足不过补偿的前提下,根据GB/T12497—2006《三相异步电动机经济运行》规定:4.3.4条,功率因数补偿应根据电动机的容量大小和运行方式合理实施功率因数的就地补偿,补偿后功率因数应不低于0.9｡应综合考虑补偿装置电抗器对实际补偿容量的影响,结合电机性能曲线,计算不同负载率下所需要的补偿容量,考虑市面上电容器产品容量随时间的不同程度的衰减,从理论上讲,补偿后功率因数不超过1.0,接近于1.0,建议将功率因数提高到0.95左右以防补偿不足｡如果要更好的达到无功补偿效果,可采取在10kV母线上增设一组自动投入的小容量无功补偿装置｡

图2电机与电容并联空载放电伏安特性曲线

3、高压异步电机雷电过电压防护及中性点引出设计分析

根据继电保护要求,额定容量为2000kW及以上的电机,应将中性点引出,以便设置差动保护｡电机制造厂对于额定容量为2000kW以下的电机,中性点通常直接内部短接,不引出,且有较多成功应用,如引江济淮试量泵站(单机容量1100kW)､袁桥泵站(单机容量1300kW),龙德泵站(单机容量1400kW)等｡中性点内部短接方案一方面在满足安全需要的前提下,不用再因为中性点引出而必须设置中性点接地避雷器;另一方面,针对机坑空间有限的项目(如带外风道布置的电机),可避免中性点引出线盒的设置(内含接地避雷器)而加大机坑内径｡针对防止雷电侵入波和操作过电压保护方面,泵站设计中,为防止线路遭遇雷击后产生的感应雷电过电压和真空断路器分､合操作时产生的内部过电压危害电气设备､电缆头等,在35kV及10kV进､出线开关柜内和母线上各装设有氧化锌避雷器[6]｡

直配电机的雷电防护一直是难题,设计主要还是考虑泵站使用地雷电天气的安全因素,电动机中性点绝缘安全,雷电过电压电机本身安全｡提出了引出要求,且采用旋转电机型避雷器｡对于排涝泵站,电机中性点须满足继电保护要求,必须确保电机中性点绝缘安全｡小功率电机引出中性点经济性较差,或者电机在高温､高湿等恶劣环境下运行,且年利用小时数低,引出中性点易受潮气影响,从而影响其寿命｡对于受尺寸限制的电机机坑空间情况,中性点引出线盒的设置(内含接地避雷器)将加大机坑内径,不宜强求｡

4、结论与建议

(1)排涝泵站高压异步电机负荷容量大,但经常以轻载运行,其功率因数也相应较低,就地补偿方式经济方便,但须避免自励磁过电压风险｡

(2)泵站电机采用单机就地补偿时,原则上补偿后功率因数不超过1.0,接近于1.0,建议计算满足不同负载率下补偿容量,将功率因数提高到0.95,控制就地单机补偿容量不超过0.9倍电机空载无功｡还可采取就地单机补偿的同时在10kV母线上增设一组自动投入的小容量无功补偿装置｡

(3)排涝泵站高压直配电机有条件时,中性点应引出接电机专用型避雷器｡电动机引出中性点经济性较差,土建结构条件不便,且年利用小时较小时,引出中性点易受环境影响,影响设备寿命的,不宜强求中性点引出,可选择电机内部中性点短接｡

(4)本文仅针对应用最普遍的并联电容就地补偿问题进行了分析,串联电容的方法可以有效的提高负载电机的功率因数,而且所需电容的容量要比并联电容方法小很多,但鉴于目前在排涝泵站高压补偿中应用还不多,有待进一步分析与讨论｡

参考文献:

[1]杨怡青,余方顺,高炜杰,等.浅谈城市地区泵站特征水位的选取[J].浙江水利科技,2019,47(2):12-15.

[2]陈洋.竖井贯流泵装置模型试验与运行方案优化分析[J].水利技术监督,2022(3):197-199.

[3]吕省三,黄智丰,施伟.我国大型泵站水泵设计扬程选择过高的错误原因分析[J].上海大中型电机,2011(2):25-28.

[4]李家才.并联电容器补偿中异步电动机自励磁现象分析及补偿容量的选择[J].吉林电力技术,1987(2):35-36,16.

[5]张章潭.就地无功补偿电动机的自励磁现象的验证[J].电机技术,2001(1):51-52.

[6]李恩佳.基于VB的输电线路耐雷水平与雷击跳闸率的计算与分析[J].水利规划与设计,2018(9):99-101,144.