太浦河泵站主电动机设计优化

太浦河泵站主电动机设计优化摘要：太浦河泵站主电动机初步设计选用同步电动机，通过调研和对二种电动机优缺点的分析比较，认为太浦河泵站选用异步电动机，性能满足运行要求，结构简单，工作可靠性高，运行管理方便，经济性较好，比原设计选择同步电动机更为合理。并提出了对泵站主电动机选择的几点建议。

关键字：泵站同步电动机异步电动机原设计主电动机选择原设计主电动机选用同步电动机的依据太浦河泵站工程的可行性研究报告在1992年由水利部上海勘测设计研究院完成，报告中主电动机选择的是同步电动机，并在当年通过水利部规划设计总院的审查。上海勘测设计研究院依可行性研究报告的批复，完成了初步设计。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》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。同步电动机内有滑环和炭刷，除本身故障外，在运行中相互磨擦，磨擦产生的导电碳粉会吸附在定子和转子上，使其绝缘电阻下降，影响运行安全。而异步电动机没有滑环和炭刷，也就没有上述问题。同步电动机转子采用线绕结构，转子线圈的线间绝缘容易发生故障。而异步电动机转子采用铜条铸造，没有线圈，故障率极低。尽管近年我国电机和励磁装置制造水平得到了较大的提高，由于其结构特点，同步电动机发生故障的概率还是远高于异步电动机。运行管理方面分析比较：同步电动机配备的励磁装置，其功能是启动时牵入同步；运行中调节功率因素，保持同步，防止失步；停机时释放转子能量，进行灭磁等等。启动、停机和运行过程比异步电动机复杂的多，日常运行管理也需要配备较高水准的专业技术人员进行操作和维护。异步电动机没有励磁装置，一般技术工人都可以进行管理和维护。同步电动机的滑环和炭刷在运行中要产生损耗，运行一定的时间就需要更换。吸附在定子和转子上导电碳粉，也必须定期清理。初步设计中太浦河泵站的供水年运行小时数1700小时，而且集中在4～10月，属间歇运行。同步电动机的滑环长时间不用会产生氧化层，再次启动前必须对滑环进行打磨，否则会引起滑环和炭刷接触不良，影响运行安全。励磁设备属电子器件，长时间不用也容易产生故障，再次启动前必须进行检查和测试，增加了运行维护的工作量。而异步电动机没有滑环和炭刷，也没有励磁装置，操作非常简单，没有上述维护工作，运行维护工作量小。经济性方面分析比较：同步电动机的造价比较高，以太浦河泵站为例，同步电动机＋励磁装置询价为49.5万元/每台，异步电动机＋补偿电容器的询价为39万元/每台，约便宜20％。由于太浦河泵站主电动机设计优化是在设备招标以后进行，这个优势并不明显。选用异步电动机后，站用变压器从800kVA降至630kVA，取消了励磁变压器室和励磁装置专用的低压配电屏，简化了计算机监控系统的配置，同时还节省了较高的励磁装置安装调试费用。励磁装置运行中要耗电，约每台40kW，考虑到同步电动机效率比异步电动机效率高0.5％，实际同步电动机多耗电32kW，按年运行600小时计算，6台机组每年多耗电115200千瓦小时。结论意见根据上述分析比较，就太浦河泵站的具体情况而言，同步电动机的性能优势并不明显。相反异步电动机性能满足运行要求，结构简单，工作可靠，运行管理方便，经济性较好。经广泛征求专家们的意见后认为：太浦河泵站主电动机选用异步电动机更为合理。对泵站主电动机选择的几点建议对规范有关条款应正确理解科学在进步，技术在发展，规范的制定往往会滞后，在电气领域表现就比较明显。除强制性条款外，尤其是“宜”的条款，应理解条文的含义，根据实际情况，选择新工艺、新设备，对一些已被实践证明切实可行的新技术应大胆采用。异步电动机适用场合太浦河泵站选用异步电动机是合理的，并不等于其他泵站选用异步电动机就都是合理的，应根据泵站的具体情况来确定，主要从以下几个方面：电网的承受能力：当地电力系统的容量和补偿能力是否允许选用异步电动机，供电部门是否同意。电动机的转速：异步电动机转速越低，功率因素也越低，补偿电容容量就比较大，经济上就可能不合算。电动机的功率：异步电动机的功率越大，补偿电容容量按比例增加，如采用同步电动机，励磁装置随电动机功率的增加，费用增加很少，对于特大型电动机，同步电动机会比异步电动机更经济。需要说明的是经济性应将后二点综合起来评价，一般情况下，电动机转速越高，异步电动机的适用功率可以大一点，目前泵站最大异步电动机功率已达3000kW。电动机转速越低，则异步电动机的适用功率就会受到限制。泵站主电动机选择的多样性在泵站主电动机选择中，也可突破必须选择同一种类电动机的框框，东深工程某泵站就采用异步电动机加同步电动机进行无功补偿的方式。该泵站采用大型立式直联机组，电动机转速比较低，功率达5000kW，如全部选用异步电动机，补偿电容量很大，而且要占用很大的厂房面积，经济上不合算；如全部选用同步电动机，日常运行管理比较复杂。采用异步电动机加同步电动机后，利用同步电动机的过补偿能力来对异步电动机进行补偿，取长补短，弥补了各自的不足，也是一种解决问题的方法。这种方式的不足之处是采用两种电机，会给运行维护带来诸多不便。努力贯彻以人为本的设计理念在设计理念强调以人为本的今天，运行管理方面的因素在主电动机的选择中占有越来越重要的位置，异步电动机在这方面的优势是非常明显的。在工程造价增加不是很多的情况下，只要电网允许，应优先采用异步电动机和就地补偿技术。结束语主电动机是泵站的重要设备，大型电动机选择同步电动机还是异步电动机，各设计院有不同的看法和选择原则，太浦河泵站优