（电气工程专业论文）软起动在大型发电厂厂用电设计中的应用.pdf

j j， 1 jj1 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文软起动在大型发电厂厂 用电设计中的应用，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间，在导师 指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和 致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：析谚e l 期：塑! ：竺! i 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：塑! ! ：坚：!日期：主! ! ! ! 兰：! 1 。 f 华北电力人学1 ：程硕十专业学位论文 摘要 随着经济和技术的发展，大容量机组发电厂，如6 0 0 m w 和1 0 0 0 m w ，开始运 行或在建设中。大容量电厂的厂用电动机的容量也比其他机组要大很多。如此其厂 用电系统因更大的短路电流和更大容量的电动机而会有所不同。通常，中压厂用电 系统短路电流不超过5 0 k a ，但在大容量火电机组，将有可能突破这个限值。同时， 母线电压跌落也可能不能满足电动机起动要求。目前软起动装置技术已逐渐成熟， 并得到越来越广泛的应用。本文主要介绍几种大电厂常用的电气接线方式，并核算 重要参数以论证各方案的可行性。通过技术经济比较，配置软起动装置的方案可节 省投资，并优化大容量电厂厂用电系统。 关键词：大型发电厂，中压厂用电，短路电流，电压跌落，软起动装置 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt e c h n o l o g y , m a n yl a r g ec a p a c i t yt h e r m a l p o w e rp l a n t s ，6 0 0 m wo r10 0 0 m w , a r ei no p e r a t i o no ru n d e rc o n s t r u c t i o n t h em o t o ro f a u x i l i a r ye q u i p m e n ti nl a r g ep o w e rp l a n ti sa l w a y sb i g g e rt h a no t h e rb e f o r e t h e nt h e a u x i l i a r yp o w e rs y s t e mw i l lb es o m e t h i n gd i f f e r e n tb e c a u s eo fg r e a t e rs h o r tc i r c u i t c u r r e n ta n db i g g e rm o t o r n o r m a l l y , t h el i m i t e ds h o r tc i r c u i tc u r r e n to fm e d i u mv o l t a g e a u x i l i a r yp o w e rs y s t e mi sn om o r et h a n5 0 k a b u tf o rl a r g et h e r m a lp o w e rp l a n t ，i t m a y b eb e y o n dt h i sl i m i t e dd a t a a n dt h ev o l t a g ed r o po fm e d i u mv o l t a g eb u s b a ra l s o m a y b e n o ts a t i s f i e st h e r e q u i r e m e n t o f b i g g e s tm o t o rs t a r t u p f o r t u n a t e l y , t h e t e c h n o l o g yo fs o f ts t a r t e rb e g i n st ob em a t u r ea n du s e dw i d e l y t h i se s s a yw i l li n t r o d u c e s o m es c h e m e sa b o u tt h ee l e c t r i c a ls i n g l el i n ef o rl a r g et h e r m a lp o w e r p l a n t ，a n dc a l c u l a t e t h o s ei m p o r t a n tp a r a m e t e r st oc h e c ke a c hs c h e m e sf e a s i b i l i t y t h es c h e m ee q u i p p e d w i t hs o f ts t a r t e rw i l lb ev e r i f i e dw e l lv i at e c h n i c a lc a l c u l a t i o na n de c o n o m i c a l c o m p a r i s o n i tw i l ls a v et h ec o n s t r u c t i o nc o s to fp o w e rp l a n t m e a n w h i l e ，i ti sa l s o b e n e f i tf o rt h em v a u x i l i a r yp o w e rs y s t e mo fl a r g ep o w e rp l a n t l i nk e ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l ig e n g y i na n d z h a n gl e q u n k e yw o r d s ：l a r g ep o w e rp l a n t ，m va u x i l i a r yp o w e rs y s t e m ，s h o r tc i r c u i tc u r r e n t ， v o l t a g ed r o p ，s o f ts t a r t e r i l - i i 厂 ，孵。 、 ，。翟0，飞o， 童 。 o ll夕ie毋r_ l 1-j】、1 。jl 华北电力大学工程硕士专业学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1选题背景及意义1 1 2国际研究动态2 1 3本文主要工作：2 第二章大型火力发电厂厂用电系统方案简介3 2 1 概述+ 3 2 2典型接线介绍3 2 2 1 电压等级3 2 2 2 设备选型4 2 2 3 典型接线4 第三章厂用电系统短路电流和母线电压水平8 3 1厂用电设计需考虑的两个因素8 3 2短路电流计算8 3 2 1 三相短路电流周期分量的起始值8 3 2 2 短路冲击电流9 3 3母线电压水平计算9 3 3 1 最大容量电动机正常起动时的电压计算1 0 3 3 2 成组电动机自起动时厂用母线电压计算1 0 第四章软起动技术12 4 1 交流异步电动机起动方式简介1 2 4 2晶闸管软起动方式1 3 4 3 中压电动机起动方式1 5 第五章s 电厂厂用电接线方案17 5 1s 电厂情况简介1 7 5 2 中压厂用电接线方式1 7 5 3变压器容量计算2 0 第六章短路电流和电压水平核算2 1 6 1 无g c b 时短路电流计算2 1 6 1 1d 一1 点短路电流2 2 6 1 2d 一2 点短路电流2 4 鼍“1一 警，j。一司 l 习嘲翻铡鬣氇赠谤。 嗽。蠢*一；i。 呵 华北电力人学工程硕+ 专业学位论文 6 2 有g c b 时短路电流计算2 5 6 2 1d - 1 点短路电流2 6 6 2 2d - 2 点短路电流2 8 6 3 无g c b 时电压水平核算2 8 6 3 1 高压厂用变压器供电时2 9 6 3 2 高压起动备用变压器供电时2 9 6 4 有g c b 时电压水平核算3 0 6 5 中压电缆选择3 1 6 6 小结3 2 第七章软起动装置方案经济性评估3 4 7 1 方案介绍3 4 7 2 经济比较3 5 第八章总结3 6 参考文献3 7 致谢3 9 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 0 ，一x乒厂，r广 j 拳 - - ， 一、 ， ，r，喙p 誓o。 一、，弋、 毋擎簟。觳、b，蜀 华北电力大学工程硕十专业学位论文 1 1选题背景及意义 第一章引言 随着国民经济的发展，电力需求持续稳定增长，由大量小型电厂组成的电力供 给已经不能满足要求。随着人们对环境和能源的日益重视，开始更为关注能源的效 率和碳排放量，生产能力落后、能耗高、污染大的小型火电逐渐被淘汰。如今高 效、节能、环保的大型火电机组走向成熟，也成为当今电力工程建设的主流。 近几年，单机容量为6 0 0 m w 级机组已经成为国内新建电厂的主力机型，单机 容量1 0 0 0 m w 级也已经开始建设。在6 0 0 m w 级和1 0 0 0 m w 级机组电厂，其厂用负 荷总容量及最大单台电动机容量都较中小型机组大很多，随之带来短路容量增大和 大型电动机起动困难等问题i z j 。 目前，我国中压断路器的开断电流通常限制在5 0 k a ，而6 3 k a 的断路器生产厂 家很少，高质量的断路器要依赖进口，并且价格昂贵。因此，将厂用电系统的短路 电流限制在5 0 k a 以内较为合适【3 】。然而，大型火电机组厂用电负荷很大，需要采 取必要的限制短路电流措施，如采用3 k v 、1 0 k v 两个电压等级的厂用电系统，采用 分裂绕组变压器或高阻抗变压器等等，以满足短路电流要求【3 】。 3 k v 电压等级虽然是我国的标准电压等级，但目前仅在一些老企业中有所使用， 相关的电气设备生产厂家很少，通常是采用6 k v 或1 0 k v 设备来替代使用，实际上 造成较大的浪费，因此一般情况下，3 k v 、1 0 k v 两个电压等级的方案在经济性方面 往往不如单一6 k v 电压等级的方案【4 j 。 此外，根据火力发电厂厂用电设计技术规程5 4 1 规定【5 】：“最大容量的电 动机正常起动时，厂用母线的电压应不低于额定电压的8 0 。 所以在采用高阻抗 变压器限制短路电流的同时还需要考虑最大容量电动机的正常起动问题。当然，这 可以通过高压厂用变压器配有载调压开关的方式来弥补厂用母线电压的压降，但这 需要增加发电机出口断路器才能较好地完成厂用电母线电压的有载调压。 根据厂用电系统短路电流的实用计算法以及最大一台电动机f 常起动时母线 电压的计算公式，控制电动机起动电流倍数对短路电流和母线电压水平都有积极的 影响。控制电动机起动电流的方法，通常有传统的降压起动、转子回路串接电阻起 动等等。传统降压起动方法可以适当降低起动电流，但起动转矩均按相同比例减小， 而转子回路串接电阻起动会增大转子铜耗，降低电动机效率，并且致使电动机低速 运行稳定性变差。近年来，随着电力电子技术及其相关器件的发展，三相异步电动 机的软起动技术已趋完善，并已得到了广泛的应用。由此考虑在大型火电厂大型电 动机回路配置软起动装置，改善厂用电系统短路电流和母线电压水平。本文将通过 华北电力大学工程硕士专业学位论文 对不同配置的厂用电接线方案进行比较，论证软起动应用对大型火电厂厂用电系统 的优化作用。 1 2国内外研究动态 大型火力发电机组在欧美发达国家已经发展较长一段时间。例如，美国在1 9 6 4 年开始装设了6 0 0 m w 机组，在1 9 6 9 年装设了8 0 0 m w 机组，1 9 7 2 年装设了1 3 0 0 m w 机组【6 】。各大公司也竞相开发研究新技术，使得配套电气设备，如发电机出口断路 器、特大开断容量中压真空断路器、变频装置等制造技术有相当丰富的积累。 在大型发电厂厂用电接线方面，国际上不同的工程有不同的选择，对短路电流 和起动电压等问题有不同的处理方案。发达国家在各类大型电厂设计中，一般均采 用装设发电机出口断路器。而对于电压等级选择，如日本大型火力发电厂通常只采 用6 6 k v1 级，其电动给水泵只考虑起动，不考虑作为汽动给水泵的备用，所以容 量相对较小；当电动给水泵或其它电动机容量较大时，就采用2 台电动机拖动1 台 水泵或风机，虽然在控制和保护方面复杂一些，但解决了起动问题，因此电厂的电 动机容量基本上不超过5 5 0 0 k w ，这样采用6 6 k v 电压就不会存在电动机起动困难。 由于不同的设计理念和相对先进的设备制造技术，大型火力发电厂厂用电系统 所面临的问题也会不同。因此国外大型火力发电厂有出于节能考虑应用变频装置， 而不是作为短路电流或起动电压水平问题的解决方案。但国内外大功率中压软起动 装置在工业领域如钢铁行业都有较多的应用。 1 3 本文主要工作 一 鉴于目前国内大型火力发电厂常规工艺系统设计特点，本文对此类工程厂用电 系统面临的问题，提出新的解决方案。本文主要的工作包括： ( 1 ) 大型火力发电厂厂用电系统典型接线的介绍，通过分析厂用电系统中短路电 流和起动电压水平，提出存在的问题； ( 2 ) 软起动装置技术发展和方案分析，针对提出的问题比较了不同技术的优劣 势，选择合适的软起动装置方案； ( 3 ) 根据样本电厂厂用电系统，对3 种可能的厂用电接线方式做详细的技术经济 比较； ( 4 ) 通过分析，提出解决大型电厂厂用电设计出现的大短路电流和电动机起动电 压跌落等问题的新方案，可为厂用电设计创新提供参考。 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 2 1概述 第二章大型火力发电厂厂用电系统方案简介 厂用电系统是发电厂的重要组成部分，合理的厂用电接线，适当的电压等级， 对机组安全稳定连续运行、方便操作和维护、节约投资、降低厂用电率等有重要作 用。大型火力发电厂厂用电系统中，总负荷和电动给水泵容量都大幅度增加，对厂 用电的设计有更高要求【。7 1 。 由于火力发电厂厂用电系统的设计方案和设备选用关系到电厂运行的安全性 和经济性，而大型火力发电厂有大量的厂用设备，电气设备可选类型也很多，致使 大型火力发电厂厂用电系统方案各式各样，成百家争鸣之态。 根据火力发电厂厂用电设计技术规定以及相关技术要求，大型火力发电厂 厂用电设计需遵循以下几点： ( 1 ) 各单元机组厂用电应保持独立性，尽量减少单元之间的联系，以提高运行 的安全可靠性。 ( 2 ) 调度灵活可靠，检修调试安全方便。设备可靠，接线清晰、简单，便于机 组的起、停操作及事故处理。 ( 3 ) 厂用工作和起动备用电源等应可靠且容量充裕，限制事故波及范围，减少 主要设备损坏的可能。 ( 4 ) 考虑电厂整体发展规划或扩建可能，对全厂公用系统的容量留有适当裕度。 ( 5 ) 注意节约投资，减少电缆用量。 目前，大型火力发电厂机、炉都单元制运行，且辅机容量也较大，故厂用电中 压工作段接线通常是按机组分段，如公用负荷较多、容量较大也可设立中压公用母 线段。厂用电系统工作电源是从发电机出口母线t 接通过高压厂用变压器引接，厂 用电系统备用( 起动备用) 电源通常由本厂高压配电装置或附近变电所引接【8 】。 2 2 典型接线介绍 2 2 1 电压等级 根据火力发电厂设计技术规程1 3 3 1 及火力发电厂厂用电设计技术规程 4 1 1 规定：“发电厂可采用3 k v 、6 k v 、1o k v 作为高压厂用电的电压 ，“容量为6 0 0 m w 及以上的机组，可根据工程具体条件采用6 k v 一级或3 k v 、l o k v 两级高压厂 用电压”。除规程推荐采用的6 k v 一级或3 k v 、l o k v 两级高压厂用电压的方案外， 在实际应用中，还可考虑采用1 0 k v 一级或6 k v 、l o k v 两级的方案，即形成4 类方 案：1 ) 6 k v 一级；2 ) 3 k v 、1o k v 两级；3 ) l o k v 一级；4 ) 6 k v 、1 0 k v 两级【9 1 。 3 华北电力大学工程硕士专业学位论文 目前国内6 0 0m w 和1 0 0 0m w 机组通常使用的中压厂用电电压等级有以下几 种：6k v ( 或6 6 k v ) 一级。国产机组多，也有部分进口机组。如吴泾八期、嘉 兴二期、邹县电厂三期、石洞口二厂、定州电厂等6 0 0 m w 机组电厂和玉环电厂、 大亚湾核电站、岭澳核电站等1 0 0 0 m w 级机组；1 0k v 一级。神木电厂等6 0 0 m w 机组电厂和邹县电厂扩建等1 0 0 0 m w 级机组；3 k v 、1 0 k v 两级。主要为进口机组 和后续的扩建机组。如北仑港电厂、平圩电厂、沙角c 厂等6 0 0 m w 机组电厂和外 高桥电厂二期等1 0 0 0 m w 级机组。其中大多数电厂是由于电动给水泵容量较大( 基 本超过9 0 0 0 k w ) ，起动困难，高压厂用电压才采用1 0k v 电压等级的。也有一些较 早的电厂是考虑到当时短路开断能力为5 0 k a 的中压开关设备价格较高【l 0 1 。 2 2 2 设备选型 根据火力发电厂设计技术规程( d l5 0 0 0 2 0 0 0 ) 1 3 3 5 条的规定：“采用单 元制接线的发电机，当出口无断路器或负荷开关时，厂用分支线上连接的高压厂用 工作变压器不应采用有载调压【8 j ，。根据火力发电厂厂用电设计技术规程5 3 1 规定：“在正常的电源电压偏移和厂用负荷波动的情况下，厂用电各级母线的电压 偏移应不超过额定电压的5 【5 】 。而5 3 2 规定：“为了满足第5 3 1 条的要求，高 压厂用工作变压器的阻抗电压( 对分裂变压器为分裂绕组额定容量为基准的穿越阻 抗电压) 不宜大于1 0 5 t 5 j ”。 近年来，发电机出口断路器( g c b ) 在大型火力发电厂工程中得到较多应用， 如果装设了g c b ，高压厂用工作变压器一般采用有载调压方式，此时有载调压的厂 用工作变压器最大的短路阻抗可增大至1 4 - - - 1 6 。 备用变压器与系统联接，为了维持电压水平，通常采用有载调压方式。中压开 关柜通常采用4 0 k a 或5 0 k a ，而6 3 k a 的中压开关设备因价格原因很少采用。高压 厂变和备用变压器与中压开关柜之间较多采用封闭母线连接。 2 2 3 典型接线 目前大型火力发电厂厂用电接线方案有很多，各个工程都有各自的实际情况， 会有不同的方案选择。根据近年来的一些工程设计，我们可以大致总结其厂用电系 统的典型接线。 ( 1 ) 厂用电电压采用单一6 k v 等级，发电机出口配g c b ，高压厂用变压器采用 有载调压，中压开关柜采用4 0 k a 等级，如n 电厂2 x 6 0 0 m w ，接线见图2 1 。 ( 2 ) 厂用电电压采用单一6 k v 等级，发电机出口无g c b ，高压厂用变压器采用 无载调压，中压开关柜采用5 0 k a 等级，如j 电厂2 x 6 0 0 m w ，接线见图2 2 。 ( 3 ) 厂用电电压采用3 、1 0 k v 等级，发电机出口有g c b ，高压厂用变压器采用 无载调压，中压开关柜采用4 0 k a 等级，如s j c 电厂3 x 6 6 0 m w ，接线见图2 3 。 4 r 匝糖临礤端藏嚼脚lifl)i脚， n ，n 匝 净营。日 | 考o 仪秘遥扑爿啦十匿踺h特k r 印等洱 卜 仪秘譬扑爿妒书匿硭卜扑kr印罢抖 华北电力大学：i ：程硕士专业学位论文 第三章厂用电系统短路电流和母线电压水平 3 1厂用电设计需考虑的两个因素 在厂用电方案设计过程中，短路电流和母线起动电压水平是必须考虑并校核的 两个重要因素。 短路电流是指电气设备的短路承受水平，是厂用电系统设备的重要参数，实际 上主要指中压厂用母线的动稳定耐受水平和断路器的额定分断能力和额定关合电 流( 峰值) i l l 。厂用电系统设备短路承受水平直接影响电气设备可靠性和经济性。 依据目前的制造水平及市场价格，中压配电装置短路电流超过5 0 k a 将大幅增加厂 用电系统的投资【l2 1 。 母线起动电压水平是指单台最大容量电动机和成组电动机自起动时造成中压 厂用电母线电压的大幅下降。根据火力发电厂厂用电设计技术规程5 4 1 规定： “最大容量的电动机正常起动时，厂用母线的电压应不低于额定电压的8 0 【5 】 。 而对于一些大型电动机，如电动给水泵，制造厂的要求往往是8 5 。此外，5 5 1 规定：“为了保证i 类电动机的自起动，应对成组电动机自起动时的厂用母线电压进 行校验 。根据该条款表5 5 1 的要求，成组电动机自起动时高压厂用母线最低电压 为6 5 7 0 ，低压厂用母线最低电压为6 0 或5 5 【5 。 3 2 短路电流计算 厂用电系统短路电流水平受厂用电负荷容量、厂用电接线方式、厂用变压器电 压阻抗值、是发电厂的重要组成部分，合理的厂用电接线，适当的电压等级，对机 组安全稳定连续运行、方便操作和维护、节约投资、降低厂用电率等有重要作用。 大型火力发电厂厂用电系统中，厂用负荷容量大幅度增加，短路电路也随着加大。 中压厂用电系统的短路电流由厂用电源和厂用电动机两部分供给，并按相角相 同取算术和计算。厂用电源供给的短路电流取决于变压器低压卷的容量和阻抗，厂 用电动机供给的短路电流主要是异步电动机的反馈电流。对于厂用电源供给的短路 电路，其周期分量在整个短路过程中可认为不衰减，其非周期分量可按厂用电源的 衰减时间常数计算。对于异步电动机的反馈电流，其周期分量和非周期分量可按相 同的等效衰减时间常数计算。 3 2 1 三相短路电流周期分量的起始值 三相短路电流周期分量起始值的计算公式【1 2 】如下： 8 华北电力人学工程硕+ 专业学位论文 i ”= i b + i ”d ， ，口。瓦( 3 - 1 ) ，”。2k 矿。i e dx 1 0 - 3 = k q 。：7 雪急1 0 一3 其中，j 一短路电流周期分量的起始有效值( k a ) ，”r 厂用电源短路电流周期分量的起始有效值( k a ) ，”厂电动机反馈电流周期分量的起始有效值( k a ) 卜基准电流( k a ) ，如取基准容量驴1 0 0 0 m v a 、基准电压v f 6 3 k v 时， i 尸9 1 6 k a 驴一系统电抗，为留有裕度，可忽略，将致使短路电流计算结果比工程实 际大5 1 0 碲一厂用变压器的电抗，考虑1 0 的负误差 x：兰r 0 9 u a 1 0 0 s e b 阮以厂用变压器额定容量& ( 对分裂变压器为一次绕组的容量) 为基 准的阻抗电压百分值 k 柏电动机平均的反馈电流倍数，取5 5 - 6 0 ，加计及反馈的电动机额定电流之和( a ) p 蚰计及反馈的电动机额定功率之和( k w ) u 加电动机的额定电压( k v ) c o s 电动机平均的效率和功率因数乘积，可取0 8 。 3 2 2 短路冲击电流 短路冲击电流的计算公式【1 2 1 如下： 乙= 占+ 乙d = 4 2 ( k c h 口i b + 1 1 k 幽d i ”d ) ( 3 2 ) 其中，f c 短路冲击电流( k a ) 乙矗厂用电源的短路峰值电流( k a ) 乙d 电动机的反馈峰值电流( k a ) k 幽口一一厂用电源短路电流的峰值系数，u d 10 5 的双绕组变压器取 1 8 0 ，u d 1 0 5 的双绕组变压器以及分裂绕组变压器取1 8 5 如d 电动机反馈电流的峰值系数，取1 7 。 3 3 母线电压水平计算 发电厂中成组电动机自起动或大容量电动机起动时，对厂用电系统母线电压有 9 华北电力大学丁程硕士专业学位论文 较大的影响。为了保证厂用电系统中其他用电负荷及电厂运行的安全，规程对母线 电压水平有了相应的最低限值要求b 】。在研究厂用电接线方式和设备选型时，母线 电压水平的校验是必不可少的。通常分两种情况校验，最大容量电动机正常起动时 的电压计算和成组电动机自起动是厂用母线电压的计算。 3 3 1 最大容量电动机正常起动时的电压计算 最大容量电动机正常起动时的电压计算公式1 2 1 如下： 2 面u o ( 3 - 3 ) 其中，乩电动机正常起动时的母线电压( 标么值) 砜厂用母线上的空载电压( 标么值) ，对无励磁调压变压器取1 0 5 ，对 有载调压变压器取1 1 s 合成负荷( 标么值) ，s = s l + s 。 电动机起动前，厂用母线上已有负荷( 标么值) 毛起动电动机的起动容量( 标么值) ，_ = 夏历k 鬲q e , k 。电动机的起动电流倍数 电动机的额定功率( k w ) 是r 变压器低压绕组的额定容量( k v a ) 巩电动机的额定效率 c o s 纯电动机的额定功率因数 x 一变压器的电抗( 标么值) ，x = i 1 等要 u 。一一变压器的阻抗电压百分值 品变压器的额定容量( k v a ) 。 3 3 2 成组电动机自起动时厂用母线电压计算 成组电动机自起动时厂用母线电压计算公式1 2 1 如下： 乩2 面u o ( 3 - 4 ) 其中，电动机成组自起动时的母线电压( 标么值) 砜厂用母线上的空载电压( 标么值) ，对无励磁调压变压器取1 0 5 ，对有 载调压变压器取1 1 l o 华北电力人学工程硕十专业学位论文 s 合成负荷( 标么值) ，s = s 。+ & 墨自起动前，厂用母线上已有负荷( 标么值) s 弘自起动容量( 标么值) ，s 弘= 夏k 历驴而e p , k 弘自起动电流倍数，备用电源为快速切换时取2 5 ，慢速切换是取5 e 参加自起动的电动机额定功率总和( k w ) 足r 变压器低压绕组的额定容量( k v a ) 锄c o s 纺电动机的额定效率和额定功率因数的乘积，可取0 8 。 华北电力大学一i ：程硕士专业学位论文 第四章软起动技术 4 1交流异步电动机起动方式简介 交流异步电动机在目前工矿企业中大量使用，其拖动生产机械在起动过程中， 要求电动机具有足够大的起动转矩，尽可能小的起动电流倍数，较短的起动时间， 以及简单经济可靠的起动设备。异步电动机起动方式通常有4 种：直接起动、降压 起动、软起动和变频起动【l 钔。 直接起动的方法就是直接将电动机投入额定电压的电网上，是最简单的方式， 不需要额外的起动设备，起动速度快，但其对电网、电动机设备及相关联的生产设 备可能造成较大危害【l5 1 。三相异步电动机的典型起动特性见图4 1 ，典型起动转矩 特性见图4 - 2 ”】。交流异步电动机直接起动时，其空载起动电流可达额定电流的4 7 倍，会造成电源母线电压下降，影响其他用电设备的正常运行，还可能引发低电 压保护动作，造成事故跳闸。此外，电流过大也会导致电动机绕组发热，加速绝缘 老化，影响设备使用寿命。同时，直接起动时的冲击转矩非常大，可能会造成电动 机转子笼条、端环断裂和定子端部绕组绝缘磨损，导致击穿烧机、转轴扭曲、联轴 节、传动齿轮损伤和皮带撕裂等。直接起动过程中的压力突变还可能造成泵系统管 道、阀门的损伤，缩短使用寿命，影响传动精度【l6 1 。 降压起动就是用降低电动机端电压的方法来限制起动电流，待起动完毕后，再 切换到额定端电压下运行。由于异步电动机的起动转矩与端电压平方成正比，故降 压起动时起动转矩也随之减少。几种常用的降压起动方式有：定子电路串电抗或液 态电阻起动、星一三角起动、自耦变压器起动、延边三角形起动等。这些传统的降 压起动方式，往往起动设备体积大，耗能大，故障率高，需经常维护等不足，其使 用越来越受到限制【1 7 】。 从2 0 世纪7 0 年代丌始，电力电子技术和微机控制技术的发展，新型的晶闸管 软起动装置逐渐取代传统的降压起动设备。通过对调压电路中晶闸管导通角的控 1 2 华北电力人学工程硕士专业学位论文 制，使起动装置按照设计的模式调节输出电压，完成对电动机起动过程的控制。所 谓“软起动”，就是按照预先设定的控制模式进行的降压起动过程【i 引。目前，软起 动一般有几种方式：限流起动、电压斜坡起动、转矩控制起动、转矩加突跳控制起 动以及电压控制起动。软起动可获得o 5 , - - - 4 倍可调的起动电流，力矩上升平滑，没 有冲击转矩，装置体积较小。软起动装置适用于不允许起动冲击、电动机功率过大、 电网电压波动要求严格等场合【l9 1 。因软起动只调压不调频，难免有过大的起动电流， 受晶闸管容量及成本的限制，那些对起动转矩要求高，需要重载或满载起动的设备， 软起动并不适合【2 。 变频软起动实际就是利用电压、频率控制装置( v v v f ) 来电动机供电回路的 电压和频率，以获得较小的起动电流和较大起动转矩。变频控制方式有电压、频率 比例控制( v f ) 、空间电压矢量控制和直接转矩控制( d t c ) 等。变频器在改变频 率的同时，也按比例地改变其输出电压幅值，故能实现无过流软起动及调速节能运 行。由于变频器价格昂贵，目前常用于需要调速、节能等场合【l6 1 。 4 2 晶闸管软起动方式 前文已提到，软起动方式通常有多种，各种方式有不同的特点和不同的适用场 合。在此，对几种不同的软起动方式再做一些分析。 ( 1 )限流起动：该方式起动电机时，软起动器的输出电压迅速增加，直到输 出电流达到限定值厶，并保持输出电流不大于该值，电压逐步升高，使电动机加速， 当达到额定电压，额定转速时，输出电流迅速下降至额定电流，起动过程完成。电 流限幅值可根据实际负载情况进行设定。该方式主要用于轻载起动的负载降压起 动，其起动特性见图4 3 。 图4 3 三相电动机的限流软起动特性曲线 ( 2 )电压斜坡起动过程：软起动器的电压快速升至软起动器输出的初始电压 1 3 华北电力大学工程硕士专业学位论文 值u l ，然后在设定的时间t 内逐渐上升，电机随着电压的上升不断加速，达到额定 电压u e 和额定转速时，起动过程完成。这种方式起动时间长，起动转矩小。另外 一种改进的电压斜坡起动是采用双斜坡起动方式，这种方式特点是起动电流相对较 大，但起动时间相对较短，适用于重载起动的电动机。三相电动机的电压斜坡起动 特性见图4 4 。 电动机电压 u 起动时间t 图4 4 三相电动机的电压斜坡软起动特性曲线 ( 3 ) 转矩控制起动：按电动机的起动转矩线性上升的规律控制输出电压，按 照一定规律适时调整晶闸管的触发角，使得起动转矩按照线性规律运行。这种控制 方式电动机起动平滑、柔性好，对拖动系统有利，减少对电网的冲击，是非常好的 重载起动方式，而缺点是起动时间较长。三相电动机的转矩控制软起动特性见图4 5 。 图4 5 三相电动机的转矩控制软起动特性曲线 起动时间t ( 4 ) 转矩加突跳控制起动：与转矩控制起动一样，也是用在重载起动的场合。 不同的是在起动的瞬间用突跳转矩，克服电动机起动时由负载带来的较大静转矩， 然后转矩平滑上升，可缩短起动时间。但是，突跳会给电网发送尖脉冲，给电网和 1 4 华北电力人学工程硕士专业学位论文 周围设备造成影响，这是该起动方式的一个缺点。该方式的起动特性曲线见图4 - 6 。 电动机转 起动时间t 图4 6三相电动机的转矩加突跳控制软起动特性曲线 ( 5 )电压控制起动：顾名思义，该方式就是在保证起动压降的前提下使电动 机获得最大的起动转矩，尽可能地缩短起动时间，非常适合用在轻载起动的场合。 该方式的起动特性曲线见图4 7 。 电动机电流i i q i n u e 、 、 、 3 4 3中压电动机起动方式 图4 7 三相电动机的电压控制软起动特性曲线 起动时间t 低压电机软起动装置现在已有很多应用，它通过调节j 下反并联可控硅导通角的 办法来调节电动机的端电压，使电动机端电压逐渐上升，达到软起动的作用，它限 制了电动机的起动电流( 一般在3 倍额定电流以下) ，减小了对电网的冲击，提高 了供电质量；提高了电机及机械设备的寿命；减少了停工台时；提高了生产效率。 在本章中已经对三相交流电动机的几种常用起动方式做了简要概括，而在实际 1 5 华北电力大学j i ：程硕士专业学位论文 应用中，中压( 3 l o k v ) 电动机起动方式除直接起动和星三角等降压起动外，为 了降低起动电流，常用的还有水电阻或液变电阻降压起动( 也称“液阻软起动”) 、 磁控软起动、开过变压器软起动、晶闸管移相调压软起动( 也称“固态软起动”) 及变频变压软起动等方式【2 。 水电阻式是靠极板的移动和大电流使水汽化( 极板表面) 形成高电阻改变液体 的电阻来控制起动电流( 电压) ，而液变电阻是靠极板附近的水汽化产生的高电阻 来控制起动电流，二者都是串在定子回路中，起动完毕之后将电阻短接。 液阻软起动装置受环境温度的影响比较大，主要是由于对汽化电阻的影响较 大，因此起动电流控制不准确，另外二者在起动时会产生很大的能量损耗，使水温 迅速升高，所以对连续起动次数是有限制的。汽化电阻不好控制且受环境温度的影 响，易造成控制精度不高，甚至有起动失败的情况。 磁控软起动就是我们通常所说的磁放大器。在起动开始时限流作用较强，在软 起动过程中逐渐减弱。限流作用的强弱变化是通过控制直流励磁电流、改变铁心的 饱和度实现的【2 引。但该装置需要有相对较大功率的辅助电源，并且噪声较大。 开关变压器式中压电机软起动装置是用开关变压器来隔离高压和低压，开关变 压器的低压绕组与可控硅和控制系统相连，通过改变其低压绕组上电压来改变高压 绕组上的电压，从而达到改变电机端电压的目的，以实现电机的软起动。在起动过 程中，开关变压器始终处于开和关两种工作状态，开关变压器损耗较小。 固态软起动与液阻软起动相比，它的体积小、结构紧凑，维护简单，功能齐全， 菜单丰富，起动重复性好，保护周全，这些都是液阻软起动难以望其项背的。高压 晶闸管软起动产品价格较液阻软起动高出许多，且晶闸管会引发高次谐波【2 3 1 。 变频器来起动电动机，可以做到无操作过电压，是非常理想的技术解决方案【2 引， 但价格昂贵是制约其在大型中压电动机起动中推广使用的主要原因。通常变频器一 般是着重用于调速场合，且常被人们不归类于软起动装置。此外，采用变频器起动 需要采用同步切换技术，即在电动机达到额定转速后，要使变频器输出电压的频率、 相位和幅值与电网电压完全相同，然后才能将电动机接到电网的真空接触器合闸， 再将变频器输出至电机的真空接触器断丌。当然，如仅仅将变频器作为起动装置使 用，而不发挥其调速性能，也是一种浪费。 1 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第五章s 电厂厂用电接线方案 5 1s 电厂情况简介 s 电厂是目前中国出口海外最大的燃煤机组，由中国某公司e p c 总承包建设的 6 0 0 m w 级燃煤电厂，采用国产6 0 0 m w 级机组及相关的主要电力设备。该电厂厂址 位于热带沿海，老厂已建有7 台机组，现有规模为4 4 0 0 m w + 3 x 6 0 0 m w 。本期工 程新建l 6 2 5 m w 汽轮发电机组，采用发变组单元接线，以5 0 0 k v 电压接入系统， 备用电源由老厂1 5 0 k v 配电装置供给。本工程暂不考虑设计脱硫岛。 该工程发电机组由上海电气提供，额定出力6 2 5 m w ，最大连续容量7 5 0 m v a ， 直轴超瞬变电抗( 饱和值) 局为2 2 6 。主变压器采用天威保变生产的无载调压 5 2 5 2 0 k v 三相一体变压器，容量为7 3 0 m v a 。 5 2中压厂用电接线方式 根据e p c 招标书有关中压厂用电接线的描述，要求设置1 0 k v 、3 k v 两级电压， 共两段1 0 k v 工作母线、一段1 0 k v 保安母线、一段1 0 k v 公用段、一单母分段1 0 k v 输煤段，另设多段3 k v 母线。1 0 k v 工作段均为双电源进线，分别来自高压厂变和 1 0 k v 公用段；1 0 k v 公用段电源来自高压起备变；1 0 k v 保安段电源也来自1 0 k v 公 用段，即由高压起备变供给。此外，辅助厂房还设置了3 k v 厂区段，以供给主厂房 外的负荷。其接线方案简图可见图5 1 。这种繁杂的接线，看似非常可靠，且功能 划分明确，但由此带来的厂用电保护方案更为复杂，运行维护工作量也很大。实际 上，复杂的接线可靠性并不优于简单明了的接线方案，其故障率往往更高。如今设 备可靠性提高，电气接线也趋于简单化。 我国发电厂中压厂用电系统，最常用的电压即为6 k v ，6 k v 一级电压方案是目 前国内主力6 0 0 m w 机组中采用得最多的方案，中压厂用电系统采用6k v 具有丰富 的运行经验，各开关设备制造厂和电动机制造厂都能提供品种齐全、技术成熟、质 量可靠的适用于6 k v 系统的产品，市场上设备供应齐全、充足、价格合理。该方案 目前是最容易实现的1 7 i 。 因此，在该工程初设阶段，6 k v 一级电压、一机组2 段的接线方式作为推荐方 案：机组设置2 台高压厂用工作变压器，分别经共箱封母至6 k v 工作a 、b 段，双 套辅机的电动机分别接在两段母线上；另外2 段6 k v 公用段电源分别由6 k v 工作段 供给，且设置联络开关，由于该工程仅有一台机组，公用负荷电源也全部此公用段 供给。6 k v 厂用电方案1 原则接线示意图见图5 2 。 1 7 华北电力大学j r 程硕士专业学位论文 高压厂 3 4 f v 捻| 毽 _ 5 _ l 鼠中压厂用屯更朋接缒矛意目 5 0 0 k y 一一一 t l 华北电力大学下程硕+ 专业学位论文 此外，6 k v 一级电压两段接线方式还有一种采用分裂变压器的方案，即高压厂 用工作变压器采用分裂变，这样仅需要一台高压厂变。这种方案，在经济性方面会 更有优势，但鉴于外方业主对于分裂变压器的使用有不赞成意见，故只作参考。6 k v 厂用电方案2 原则接线示意图见图5 3 。 5 0 0 k v 高压厂交1 a 4 5 3 2 3 2 2 0 6 3 6 图5 36 k v 厂用电方案2 原则接线示意图i 当发电机出口设置断路器，高压厂用变压器采用两台双圈变，而此时高压备变 可以仅作为停机、备用使用，不再担负起动功能，其容量可选择与最大一台高压厂 用变压器相同。此方案作为方案3 ，其原则接线示意图见图5 4 。 图5 46 k v 厂用电方案3 原则接线示意图 1 9 高压备交 5 4 m v a 15 0 6 3 k v 华北电力人学工程硕士专业学位论文 5 3 变压器容量计算 根据工艺专业提供的厂用电资料统计，可得以下数据： 厂用最大容量电动机为电动给水泵：6 k v 6 4 0 0 k w ，起动电流倍数：5 5 ，效 率和功率因素乘积o 8 。 6 k v 工作l a 段( s i a ) 计算容量为2 4 4 1 3 k v a ， 6 k v 工作1 b 段( s i s ) 计算容量为2 7 9 17 k v a ， 6 k v 工作段( & 础) 计算容量总计3 8 6 3 0 k v a ， 6 k v 公用段( 墨招“伽) 计算容量总计5 7 8 2 k v a ， 参加高压厂用变压器反馈的中压电动机容量2 8 6 0 4 k w ， 当发电机出口不设置断路器( 方案1 ) ，参加高压起备变反馈的中压电动机 容量4 1 6 5 4 k w ：当发电机出口设置断路器( 方案3 ) ，参加高压停备变反馈 的中压电动机应同高压厂用变压器，即2 8 6 0 4 k w 。 火力发电厂厂用电设计技术规程5