2000年4月水利部规划设计总院对初步设计进行审查,泵站主电动机仍选择同步电动机。其主要依据是GB/T50265-97《泵站设计规范》10.4.3条规定“主电动机的单机额定容量在630kW及630kW以上时,宜用同步电动机进行补偿。”在此规范的“条文说明”中对此作了进一步的说明:“由于同步电动机与静电电容器补偿相比有一些明显的优点,如适应电网能力强,能进行无级调节等,所以在经济性比较相差不多的情况下,宜优先采用同步电动机补偿。在这两条文中推荐单机容量以630kW为界分别采用两种补偿方式。”因此上海勘测设计研究院在太浦河泵站初步设计报告中,对主电动机选用同步电动机是符合规范要求的。
编制规范有关条款时的历史背景:
该规范的条款引自原部标《泵站技术规范》SD204-86(设计分册),这些条款是根据当时我国的实际状况制定的:
电力工业发展水平的局限。在六、七十年代,我国电力工业基础还是比较薄弱的,电网的容量普遍都比较小,新投入的大型电动机在电网中占的比例相对比较大,这些电动机的运行状况直接影响电网的运行质量。一些地区变电所的资金投入不足,设备陈旧,特别是无功补偿能力很差,所以供电部门要求对系统中大型电动机(一般500kW以上)采用同步电动机,除提高电动机本身的功率因素和运行质量外,以便在电网需要时向系统返送无功功率,以提高电网功率因素。对此供电部门还按返送无功功率的大小进行补贴,鼓励用户采用同步电动机。
电器工业制造水平的限制。当时我国补偿电容器的制造技术比较落后,基本是原苏联三、四十年代设计的产品,体积大,安全性很差,经常发生爆炸事故。当时规定电力电容器必须集中布置在有防火措施的房间内,并要设专用的比较昂贵的断路器。大型电动机的补偿容量大,电容器室的面积相应就很大,补偿电容器的安全性又很差,无论是一次投资还是今后的运行费用都比较高。
因此当时制定这些条文是合理的,也是必要的,在那个年代,对泵站的安全、经济运行起到了一定的指导作用。
主电动机优化设计
优化设计的依据
在工程进展工程中,我们获得信息,近年来大型异步电动机在泵站得到了广泛应用,给了我们很大的启示。工程指挥部组织设计人员展开了深入的调研。调研发现:
十几年来电力工业有了飞速的发展。不但大城市的电力系统容量成倍地增长,就是一些沿海地区的农村电网系统容量也有较大的增长。大型电动机在电网中占的比例相对比较小,这些电动机的运行状况不会严重影响电网的运行质量。一些地区变电所经过改造以后,设备先进,无功补偿能力很强。所以供电部门对系统中的大型电动机,只要电动机母线的功率因素在0.9以上,选择什么形式的电动机不作严格限制,由用户自己确定。对返送无功功率也不再进行补贴,为大型电动机选用异步电动机创造了条件.
八十年代开始,电动机的就地补偿技术得到广泛的应用和推广,补偿电容器采用分散方式布置,每台电动机旁配备一组电容器,这样补偿效果好,还可以取消昂贵的断路器,既避免了操作上的失误和断路器设备故障带来的影响,可靠性有了很大的提高,也比较经济。
我国制造的补偿电容器技术有了很大的提高。新型的补偿电容器产品,容量大,体积小,并采用防爆和阻燃结构,安全性很好,不需要布置在有防火要求的房间内,可就地布置。一些进口的著名品牌的补偿电容器性能就更好,为异步电动机使用就地补偿技术创造了条件,经济性也有了进一步的提高。
二种电动机技术性能和经济指标的分析
从以上调查的情况可以看出,随着我国电力和电机工业的技术进步,GB/T50265-97《泵站设计规范》所依据的情况有了很大的变化,《规范》本身在电动机选择的条款中使用了“宜用”这两个字,允许进行选择,根据的实际情况,可以对主电动机设计进行优化。随后我们对太浦河泵站使用这二种电动机的优缺点进行了分析比较:
技术性能方面分析比较:
功率因数特性:同步电动机可以通过调节励磁来调节电动机的功率因数,适应电网电压波动能力较强,能进行无级调节,在负载和电网电压变化时,做到恒功率因素运行,补偿的质量高。必要时可以超前运行,向电力系统返送无功功率,以改善电网的运行质量。而异步电动机的功率因素是无法调节的,而且随着负载和电网电压的变化而变化,也不能向电力系统返送无功功率。
太浦河泵站的主电动机与水泵通过变速箱连接,采用高速电动机,转速达1000转/分。如采用异步电动机,其本身的功率因素就比较高,达0.856,通过少量的电容补偿(120kVar)就可以使供电母线端的功率因素达到供电部门0.9以上的要求。根据电机厂提供的资料,在水泵扬程范围内,电动机功率应在1100kW-1600kW内变化,补偿后,对应供电母线端的功率因素变化范围为0.90-0.91,补偿的质量是令人满意的。太浦河泵站主变压器采用有载调压来调节母线电压,母线电压相对比较稳定,受电网波动影响比较小,因此电网电压波动不会影响补偿效果。
向太浦河泵站供电的110kV震泽变电所以前是地区中心变电所,随着地区工业的发展,地区新建220kV中心变电所,震泽变电所降为分支变电所,电网容量比较大,设备也进行了更新改造,电网质量有了很大的提高,对用户用电设备的要求也相应地降低。当地供电部门吴江供电局同意太浦河泵站主电动机选用异步电动机,只要求电动机母线的功率因素在0.9以上,没有要求泵站向电力系统返送无功功率,对返送无功功率也不进行补贴。由此可见同步电动机在功率因素特性方面的优势,在本泵站并不明显。
电动机的转速特性:同步电动机转速恒定,为同步转速,广泛用于转速要求恒定的机械设备。而异步电动机转速不恒定,与同步转速有一个滑差,以低于同步转速的转速运行,随着负载的增加,转速差相应增加。
水泵对转速恒定没有要求,但转速变化太大,将影响出水流量。太浦河泵站异步电动机在额定负载时转速最低为994转/分,滑差率为0.6%,对水泵流量的影响极小,因此两种电动机转速特性均满足要求。
电动机效率特性:太浦河泵站主电动机采用同步电动机其本体效率为96.5%,对应异步电动机本体效率为96.0%。但这只是电动机本身的效率,同步电动机要配备励磁装置,励磁装置消耗的功率为40kW,这样同步电动机+励磁装置的效率为94%。异步电动机配备的补偿电容器,只消耗无功功率,几乎不消耗有功功率,因此整个装置的效率,同步电动机低于异步电动机。
电动机转矩特性:同步电动机的转矩受外界电压和负荷变化影响小,本泵站采用有载调压,电动机母线电压波动范围很小;泵站水位的变化范围也比较小,负荷变化相对比较小,水泵对转矩性能的要求不高,因此两种电动机转矩特性都能够满足泵站机组正常运行的要求,差别不大。电动机的启动转矩特性是一个非常重要运行参数,同步电机启动时是异步启动然后投入励磁,牵入同步,所以无论是同步或异步电动机,起动转矩特性是一致的。
电机结构方面分析比较
同步电动机配套的电气设备、保护设备比较复杂,特别是励磁装置属复杂的电子设备,技术要求高,容易发生故障,安装调试工作量很大。异步电动机配套电气设备仅为电容补偿装置,该装置比较简单,工作比较可靠,安装维护工作量都很小。