发电厂电气部分第五章厂用电接线及设计(五)(六)

发电厂变电所电气主系统1发电厂变电所电气主系统第五章厂用电接线及设计《发电厂电气部分》课题组电力工程学院电气工程系发电厂变电所电气主系统2一、厂用机械特性和电力拖动运动方程发电厂中厂用机械设备的机械特性（即阻转矩或叫负载转矩Mm与转速n之间的关系）可归纳为两种类型：其一，恒转矩负载特性;其二，具有非线性上升的负载转矩机械特性。①恒转矩负载特性即负载转矩Mm与转速n无关，当转速n变化时，负载转矩Mm保持不变。比如火电厂中的磨煤机、碎煤机、输煤皮带、绞车、起重机等就属于这类机械。如图5-10中曲线1所示。常数Mm*第五节厂用电动机的选择和自启动校验发电厂变电所电气主系统3图5-10厂用机械负载转矩特性第五节厂用电动机的选择和自启动校验发电厂变电所电气主系统4（5-16）M*m0-负载转矩标么值(以机械在额定出力时的额定转矩为基准值）M*m0-与转速n无关的摩擦起始负载转矩标么值，一般取成0.15n*-转速的标么值(以同步转速为基准值)Α-负载转矩随转矩变化的系数，一般等于2即负载转矩Mm与转速n有关，当转速n变化时，负载转矩Mm与n的二次方或高次方成比例，具有非线性上升关系。比如火电厂中的风机、油泵就属于这类机械。如图5-10中曲线2所示。②变转矩负载特性*0*0**)1(nMMMmmm第五节厂用电动机的选择和自启动校验发电厂变电所电气主系统5由电动机和厂用机械设备组成的电力拖动系统是一个机械运动系统，其中有能量、功率和转矩的传递。代表运动特征的量是转速n、转矩M、角速度以及时间t等。电动机产生的电磁拖动转矩，用以克服机械负荷的阻转距后的剩余转矩，就会使机械传动系统产生加速运动，其旋转运动的方程式为(5-17)为电动机产生的电磁拖动转矩（N·m）；为机械负载转矩，或称阻转矩（N·m）；为惯性转矩，或称加速转矩（N·m）；J为包括电动机在内的整个机组的转动惯量（kg·m2）；为机组旋转角速度，。eMmMemddMMJteMmMtJdd2(rad/s)60n第五节厂用电动机的选择和自启动校验发电厂变电所电气主系统6机组的转动惯量J是机组旋转部分惯性的量度，在电力拖动计算中常采用飞轮惯量，二者关系式为(5-18)则实用计算运动方程式为(5-19)241GDgJ2GD2emd375dGDnMMt由上式可分析电动机的工作状态：（1）当时，，则n=0或n=常数，即电动机静止或等速旋转，拖动系统处于稳定运行状态；（2）当时，，拖动系统处于加速状态；（3）当时，，拖动系统处于减速状态。emMM0ddtnemMM0ddtnemMM0ddtn第五节厂用电动机的选择和自启动校验发电厂变电所电气主系统7二、厂用电动机的类型及其特点异步电动机的机械特性是指电动机的电磁转矩Me与转速n的关系，即。将异步电动机的特性曲线与被拖动的机械设备的负载转矩特性曲线绘于一张图上，如图5-11所示。(一）异步电动机e()Mfn图5-11异步电动机和机械设备的机械特性曲线第五节厂用电动机的选择和自启动校验发电厂变电所电气主系统8由图可见，该拖动系统初始时电动机转动的启动转矩必须大于被拖动机械在时的起始负荷转矩，并且在启动过程中，任一转速下都应有使剩余转矩为正，方能顺利地把机械设备拖动到稳定运行状态。e0M*0nm0Me*mMM第五节厂用电动机的选择和自启动校验发电厂变电所电气主系统9图5-11中以竖线条示出电动机对于=定值的设备剩余转矩。只有当电动机与厂用负荷相等，即工作在两条曲线的交点上（2或1）时，拖动系统才能稳定运行。mMmMe()Mfnm()Mfn异步电动机的启动，一般不需要特殊设备，而采用直接启动方式，启动时的转矩为额定启动转矩，启动时间短，但是启动电流可达额定电流的4~7倍，这不仅使电源电压在启动时发生显著下降，而且更会引起电动机发热，特别在机组转动惯量较大，剩余转矩较小，启动缓慢的情况下更为严重。因此，对启动困难的厂用机械设备如引风机、磨煤机、排粉机等相配套的电动机，必要时需进行启动校验。第五节厂用电动机的选择和自启动校验发电厂变电所电气主系统10在发电厂中广泛使用的鼠笼式异步电动机有三种结构形式，即单鼠笼式、深槽式和双鼠笼式。后两种具有启动转矩大、启动电流较小等较好的启动性能。绕线式异步电动机最大特点是可以均匀地无级调速，如采用转子电路内引入感应电动势的串级调速；也可以在转子电路串接电阻进行调整，即借助调节电阻使其在一定范围内改变转速、启动转矩和启动电流。第五节厂用电动机的选择和自启动校验发电厂变电所电气主系统11同步电动机具有以下特点：（1）采用直流励磁，可以工作在“超前”或“滞后”的不同运行状态。当工作在“超前”运行状态时，它可以提高厂用电系统的功率因数，同时减小厂用电系统的损耗和电压损失。（2）结构比较复杂，并需附加一套励磁系统。（3）对电压波动不十分敏感，因其转矩与电压成正比，而异步电动机的转矩与电压的平方成正比，并且装有自动励磁调节装置且能强行励磁，从而在电压降低时，仍能维持其运行稳定性。(二）同步电动机第五节厂用电动机的选择和自启动校验发电厂变电所电气主系统12同步电动机启动、控制均较麻烦，启动转矩不大，在厂用电系统中，只在大功率低转速的机械上有时采用，例如循环水泵等设备。(三）直流电动机直流电动机具有以下特点：（1）借助调节磁场电流，可在大范围内均匀而平滑地调速，且调速电阻器消耗较省。（2）启动转矩较大。（3）不依赖厂用交流电源。直流电动机用于对调速性能和启动性能要求较高的厂用机械，如给粉机。此外，直流电动机还用于事故保安负荷中的汽轮机直流备用润滑油泵等。但直流电动机制造工艺复杂、成本高、维护量大、工作可靠性也较差。第五节厂用电动机的选择和自启动校验发电厂变电所电气主系统13三、厂用电动机选择（1）型式选择厂用电动机一般都采用交流电动机。只有要求在很大范围内调节转速及当厂用交流电源消失后仍要求工作的设备才选择直流电动机。只有对反复、重载启动或需要小范围内调速的机械，如吊车、抓斗机等才选用线绕式电动机或同步电动机。对200MW以上机组的大容量辅机，为了提高运行的经济性可采用双速电动机。厂用电动机的防护型式应与周围环境条件相适应，根据发电厂厂用设备安置地点可分别选用开启式、防护式、封闭式及防爆式等型式。第五节厂用电动机的选择和自启动校验发电厂变电所电气主系统14（2）容量选择选择拖动厂用机械的电动机时，其电压应与供电网络电压相一致，电机的转速应符合被拖动设备的要求，电动机容量ＰＮ必须满足在额定电压和额定转速下大于满载工作的机械设备轴功率ＰＳ，并留有适当的储备，即(kW)(5-20)式中，PN为电动机额定容量（kW）；PS为被拖动机械设备轴功率(kW)。NSPP第五节厂用电动机的选择和自启动校验发电厂变电所电气主系统15二、电动机的自启动校验厂用电系统中运行的电动机，当突然断开电源或厂用电压降低时，电动机转速就会下降，甚至会停止运行，这一转速下降的过程称为惰行。若电动机失去电压以后，不与电源断开，在很短时间（一般在0.5~1.5s）内，厂用电压又恢复或通过自动切换装置将备用电源投入，此时，电动机惰行尚未结束，又自动启动恢复到稳定状态运行，这一过程称为电动机的自启动。若参加自启动的电动机数量多、容量大时，启动电流过大，可能会使厂用母线及厂用电网络电压下降，甚至引起电动机过热，将危及电动机的安全以及厂用电网络的稳定运行，因此必须进行电动机自启动校验。若经校验不能自启动时，应采取相应的措施。第五节厂用电动机的选择和自启动校验发电厂变电所电气主系统16根据运行状态，自启动可分为三类：（1）失压自启动。运行中突然出现事故，厂用电压降低，当事故消除、电压恢复时形成的自启动；（2）空载自启动。备用电源处于空载状态时，自动投入失去电源的工作母线段时形成的自启动；（3）带负荷自启动。备用电源已带一部分负荷，又自动投入失去电源的工作母线段时形成的自启动。厂用工作电源一般仅考虑失压自启动，而厂用备用电源或启动电源则需考虑失压自启动、空载自启动及带负荷自启动等三种方式。第五节厂用电动机的选择和自启动校验发电厂变电所电气主系统17异步电动机的电磁转矩Me(如图5-12所示)与电压U的平方成正比，即通常，异步电动机在额定电压下运行时，其最大转矩Memax约为额定转矩MeN的2倍。即随着电压下降，电动机电磁转矩将急剧下降。当电压下降到70％UN时，它的最大转矩相应变为若此时电动机已经带有额定负载，则此刻的剩余转矩变为负值，电动机受到制动而开始惰行，并最终可能停止运行。(一）电动机自启动时厂用母线电压最低限值2UMeeNeMM2max12)7.0(2maxeM第五节厂用电动机的选择和自启动校验发电厂变电所电气主系统18图5-12异步电动机转矩与电压、转速的关系第五节厂用电动机的选择和自启动校验发电厂变电所电气主系统19出现惰行的电压称为临界电压Ucr，这时电动机的最大电磁转矩M*emax恰好等于负载转矩M*m。根据可得于是(5-21)2UMe1max*2*ecrMUmax**1ecrMU通常，异步电动机的M*emax=1.8～2.4，所以U*cr=0.64～0.75，即电压降低到额定电压的64%～75%，电动机就开始惰行。第五节厂用电动机的选择和自启动校验发电厂变电所电气主系统20为了系统能稳定运行，规定电动机正常启动时，厂用母线电压的最低允许值为额定电压的80％；电动机端电压最低值为70％。在自启动时，为了保证厂用Ⅰ类负荷自启动并同时考虑到机械惯性因素，规定厂用母线电压在自启动时，应不低于下表5-4中的数值表5-4电动机自启动要求的厂用母线最低电压名称类型自启动电压为额定电压的百分值（%）高压厂用母线高温高压电厂65~70①中压电厂60~65①低压厂用母线由低压母线单独供电电动机自启动60由低压母线与高压母线串接供电电动机自启动55第五节厂用电动机的选择和自启动校验发电厂变电所电气主系统21(1)高压电动机自启动时的电压校验如图5-13所示为一组电动机经厂用高压变压器自启动的接线图及等值电路。(各元件标么值以厂用高压变压器的额定容量为基准值)(二）电动机自启动校验图5-13厂用电动机自启动接线及等值电路第五节厂用电动机的选择和自启动校验发电厂变电所电气主系统22由图5-13（b）可得电压关系。（5-22）由此可得（5-23）式中，I*为参加自启动电动机的启动电流标幺值总和；U*0为电源母线电压标幺值，一般采用经电抗器供厂用电时取1，采用无励磁调压变压器时取1.05，采用有载调压变压器时取1.1；X*m为厂用变压器或电抗器的电抗标幺值；为参加自启动电动机的等值电抗标幺值。0tm()UIxx0tmUIxx第五节厂用电动机的选择和自启动校验发电厂变电所电气主系统23电动机自启动开始瞬间，高压厂用母线上的电压为（5-24）则自启动开始瞬间厂用母线上的电压为（5-25）1mUIx0m1tmUxUxx对一台静止的电动机，在启动瞬间的电抗有的关系。如果所有自启动的电动机取一个平均的启动电流倍数Kav，则全部电动机折算后的等值总电抗可写为（5-26）mtavmSSKx1*第五节厂用电动机的选择和自启动校验发电厂变电所电气主系统24将式（5-26）代入式（5-25）则自启动开始瞬间厂用母线上的电压为（5-27）ηcosPS1Kx1USSKx1UxxxUUmΣmΣtavt**0tavt**0m*t*m**01*'*0*1**1mSxUUt其中cos1'*mmPSKStav为自启动时电动机的容量标么值由上式计算出的厂用母线的电压(标么值)不应低于允许值，才能保证电动机顺利启动。第五节厂用电动机的选择和自启动校验发电厂变电所电气主系统25(2)高、低压电动机经高压厂用变压器和低压变压器串联自启动母线电压校验。图5-14表示厂用高、低压变