海洋平臺大電機動態啟動分析研究

孔凡旭 于祥春 王樹達

海洋石油工程股份有限公司設計公司，天津塘沽 300451

海洋平臺大電機動態啟動分析研究

孔凡旭 于祥春 王樹達

海洋石油工程股份有限公司設計公司，天津塘沽 300451

海洋平臺作為一種典型的獨立小型電力系統，在其設計過程中，準確的大電機啟動計算對于發電機容量選擇、電機啟動方式選擇、繼電保護整定具有重要意義。相對靜態啟動分析，動態分析可以準確詳細地描述大電機啟動的整個過程。本文結合項目實例，介紹了使用ETAP軟件進行大電機動態啟動的分析方法，并進行了大電機啟動方式選擇。

海洋平臺；大電機啟動；動態分析，ETAP

文獻標示碼:A

Offshore platform；Motor acceleration；Dynamic analysis；ETAP

引言

異步電動機是海上油氣田開發工程設施上使用最多的用電設備，異步電動機啟動時，短時較大的啟動電流會使發電機的輸出電壓短時大幅下降，對發電機和運行著的用電設備，以及整個電力系統的運行，都是很不利的。嚴重時會引起電力系統的繼電保護裝置動作，斷開配電系統或主發電機的開關，造成供電和生產的中斷。因此，在進行電力系統設計和電站選型時，必須考慮大電動機啟動是否會對系統的正常運行造成不利影響。

在工程實踐中，大電機啟動的分析計算在海洋平臺電力系統的設計、運行、改造等過程中都是非常重要的一個環節。大電機啟動分析計算的目的主要有兩個，一是分析電機能否在運行條件下成功地啟動，另一個是看電機啟動時是否嚴重影響系統中其它負荷的正常運行。

利用ETAP軟件的電機啟動計算程序，可以方便地進行電機啟動的仿真計算，得到精確、直觀的曲線和報告。ETAP軟件提供了兩種電機啟動計算方法：靜態電機啟動和動態電機啟動。靜態電機啟動方法設定電機是一直都可以啟動的，用堵轉的方法啟動電機，模擬對正常運行負荷最壞的影響。這種方法適合于在不能用動態模型模擬電機的情況下，檢測電機啟動對系統的影響，而不能分析電機啟動時間和電機能否啟動。動態電機啟動計算以動態模型模擬電動機，用程序模擬電機的整個加速過程。動態啟動可以確定電機是否可以以這種形式啟動，電機要用多長時間達到它的額定速率，以及確定電壓降對系統的影響。

1 ETAP軟件的電機動態啟動分析程序

1.1 感應電機動態模型

ET A P中共有五種不同的感應電機模型，分別是電路模型 (Single1、Single2、DBL1、DBL 2) 和特性曲線模型。總的來說，Single1、Single2、DBL1和 DBL2 都屬于 CKT回路模型，他們都用等值電路來代表感應電機定子和轉子繞組，特性曲線模型是用離散點的電機性能曲線來代表感應電機。

Single1模型是單籠感應電機最簡單的一種模型，沒有深槽。它使用一個戴維南等值電路來代表電機。定子電路電阻和電抗認為是常量，但內部電壓會隨電機速率而改變。

Single2模型是感應電機的標準模型，用勵磁支路，定子和轉子回路代表電機，并考慮到深槽效應。轉子電阻和電抗隨著電機速率作線性變化。

DBL1模型代表了有集成槽的雙籠電機。每個鼠籠的轉子電阻和電抗都是恒值；然而，兩個轉子電路的等值電路阻抗相對電機速率來說是非線性函數。

DBL2模型是另一種有獨立轉子槽的雙籠感應電機，與DBL 1模型有不同的特性。

特性曲線模型直接在制造商所提供的電機特性曲線的基礎上模擬感應電機。

1.2 機械負荷模型

在電機動態啟動分析中，需分析相連接的機械負荷，以計算電機的加速和減速特性。機械負荷分析基于負荷力矩曲線，可表示為一個3次一般多項式：

其中，T為負荷力矩和驅動電機的額定力矩的百分比；ω為負荷的單位速度；A0，A1，A2,A3為系數。

1.3 電動機參數估計

有時候很難從電機供應商處獲得電機動態模型，ETAP參數估計程序提供了一個估算電機等效電路模型參數的途徑。該計算基于先進的數學估計和曲線擬合技術，它只需要電機特性的特征數據。估計的模型參數包括表示電機定子，轉子的電阻和電抗以及勵磁支路特性。

圖1 電機回路模型

如圖1所示為感應電機回路模型，算法從一個忽略了勵磁支路的簡化等效電路入手。采用這種簡化模型，首先估計模型參數。然后使用更加細化的等效電路模型根據這些估計的參數來得到更加準確的值。在這個階段，使用一個迭代過程來實施敏感度分析，該迭代過程連續地調整估計參數直到偏差百分數降到根據輸入參數計算的值和實際輸入的值之間規定的容許偏差值之內。

1.4 大電機動態啟動仿真計算過程

電機動態啟動仿真計算過程如圖2所示，其中，Ilr為定轉子電流，Is為靜態負荷，If為最終負荷，tacc為加速時間，ts為加速后負荷開始改變的時刻， 電機負荷改變結束的時刻。

圖2 電機動態啟動仿真計算過程

2 工程實例

本文針對渤海某平臺項目，使用ETAP軟件進行電動液壓吊機的動態啟動分析研究。吊機動力系統包括有兩臺電機驅動的液壓泵，分別用于吊機垂直定位與旋轉定位，兩臺電機均為160kW。兩臺電機同時啟動勢必對平臺電力系統產生較大影響，本文對電機不同啟動方式進行比較分析，選擇了對系統影響最小并且切實可行的方案。

2.1 系統建模

使用ETAP軟件建立平臺電力系統的單線圖如圖3所示，本平臺為無人井口平臺，由油田電力系統通過海底電纜供電，平臺低壓系統變壓器容量為1250k VA。

圖3 平臺電力系統ETAP模型

電機參數見表1所示。使用ETAP電機參數估計程序估計電機動態模型如圖4所示。由于是電機驅動液壓泵，可以認為電機為空載啟動。負載模型采用ETAP通用負荷模型。

表1 電機參數

圖4 電機動態模型

2.2 結果分析

本文分別對兩臺電機不同的啟動方式進行分析。

（1）兩臺電機同時啟動，在ETA P中設置兩臺電機在2s時啟動，10s時電機逐步加載至滿載狀態，各母線的電壓降如圖5所示。

圖5 兩臺電機同時啟動時母線電壓降

（2）兩臺電機間隔8s啟動，在ETAP中設置一臺電機在2s時啟動，另一臺電機在10s時啟動，20s時電機逐步加載至滿載狀態，各母線的電壓降如圖6所示。

圖6 兩臺電機間隔8s啟動時母線電壓降

（3）兩臺電機間隔8s星三角啟動，在ETAP中設置兩臺電機均為星三角啟動，星三角切換時間為8s，在2s時一臺電機啟動，18s時另一臺電機開始啟動，40s時電機逐步加載至滿載狀態，電機啟動過程中各母線的電壓降如圖7所示。

圖7 兩臺電機間隔8s星三角啟動時母線電壓降

通過以上分析可知，三種情況下電機均能正常啟動，但兩臺電機直接啟動時母線電壓降較大，最大達到接近20%，兩臺電機間隔8s星三角啟動時對系統的影響最小，并且啟動設備簡單，投資較小。三種情況下電機啟動結果總結如表2所示。

表2 電機啟動分析結果

3 結論

準確的大電機啟動分析對海洋平臺電力系統設計具有重要意義，相比靜態分析，大電機動態啟動分析可以更詳細準確得描述大電機啟動過程。本文結合電力系統仿真分析軟件ETAP及其電機啟動分析程序，詳細介紹了電機動態啟動分析過程，并對渤海某平臺項目實例進行建模和大電機動態啟動分析，進行了不同啟動方式的比較和選擇。

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The research of dynamic motor acceleration in offshore platform

Kong Fanxu Yu Xiangchun Wang Shuda
Offshore Oil Engineering CO.,LTD Engineering Company, Tianjn, 300451, China

As a typical absolute and small electrical system,during the design of offshore platform, the exact analyzing of large motor starting is important for generator choosing, motor starting way choosing and relay coordination. Dynamic motor acceleration can exactly describe the whole starting process of the motors. This paper introduce the motor acceleration program of ETAP, and the analyzing course for choosing and checking motor starting way was given by a example.

TM743

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.007

孔凡旭(1984年2月),助理工程師,碩士,研究方向:海洋平臺電力系統設計,電能質量。