大功率電動(dòng)機(jī)起動(dòng)對(duì)于中壓電網(wǎng)瞬態(tài)電壓降影響研究

王 鵬，王 敏

（708研究所，上海 200011）

0 引 言

海洋工程項(xiàng)目使用大量大功率電動(dòng)機(jī)，甚至一些設(shè)備的容量與單臺(tái)發(fā)電機(jī)的額定功率相近。如半潛式鉆井平臺(tái)中，單臺(tái)主發(fā)電機(jī)容量為5500kW，而推進(jìn)器電機(jī)額定功率達(dá)到4600kW。這些設(shè)備起動(dòng)引起的沖擊電流將對(duì)電網(wǎng)造成瞬間的大幅度電壓降。瞬時(shí)的電壓降落在輕微情況下會(huì)影響電網(wǎng)中的電能質(zhì)量，劇烈情況下則會(huì)造成同匯流排的其他電機(jī)停止工作，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 瞬態(tài)電壓降

在海洋工程中，使用最多的用電設(shè)備是異步電動(dòng)機(jī)。當(dāng)異步電機(jī)起動(dòng)時(shí)，功率因數(shù)很低，最初起動(dòng)瞬間的主磁通只有額定值的一半，造成了很大的起動(dòng)電流，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩卻不大。通常，異步電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)電流是額定電流的5～8倍，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩的1～2倍[1]。正常情況下，所有運(yùn)行中的用電設(shè)備的負(fù)載電流都不會(huì)超過發(fā)電機(jī)額定電流的輸出值，其輸出電壓也比較穩(wěn)定，電壓的變化率都在允許范圍內(nèi)。

異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，較大的起動(dòng)電流會(huì)使發(fā)電機(jī)的輸出電壓下降，如果發(fā)電機(jī)的額定功率很大，電動(dòng)機(jī)的額定功率相對(duì)較小時(shí)，短時(shí)的起動(dòng)電流不會(huì)使發(fā)電機(jī)的端電壓下降多少，因此不會(huì)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成任何有害影響。如果發(fā)電機(jī)的額定輸出功率不夠大，電動(dòng)機(jī)的額定功率又相對(duì)不算小的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)短時(shí)較大的起動(dòng)電流會(huì)使發(fā)電機(jī)的輸出電壓短時(shí)大幅下降，超出正常規(guī)定值。當(dāng)電壓降大于額定電壓的10%時(shí)，對(duì)發(fā)電機(jī)和運(yùn)行中的用電設(shè)備，以及整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行都很不利。由于電網(wǎng)的壓降，使得電流增大，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩M與電壓U的平方成正比，如果電壓下降10%，那么電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩就下降80%，照明燈具的光通量下降70%（白熾燈），電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和正常生產(chǎn)都會(huì)受到影響。如果電壓再繼續(xù)下降的話，電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置就會(huì)動(dòng)作，斷開配電系統(tǒng)或發(fā)電機(jī)的進(jìn)線開關(guān)，造成供電和生產(chǎn)的中斷[2]。

2 電壓波動(dòng)范圍

中國(guó)船級(jí)社（CCS）在《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范2009》中明確規(guī)定了電壓偏離額定值的波動(dòng)范圍和時(shí)間，詳見表1。

表1 電壓和頻率波動(dòng)

國(guó)外船級(jí)社也有同樣的要求，如 ABS Mobile Offshore Drilling Units, 2008 - Part 4 Machinery and Systems Chapter 3 Electrical Installations, Section 1, Table 1[3]中，描述的內(nèi)容大致相同。

這些要求說明，為了滿足設(shè)備正常工作，一般交流設(shè)備所能承受的瞬時(shí)電壓降最大不超過20%，恢復(fù)時(shí)間小于1.5s。

然而，對(duì)于電源端，瞬時(shí)的電壓過低也會(huì)導(dǎo)致保護(hù)裝置動(dòng)作。因此，對(duì)于發(fā)電機(jī)側(cè)的瞬態(tài)電壓降特性，規(guī)范也有相應(yīng)的要求。如CCS要求[4]：“交流發(fā)電機(jī)在負(fù)載為空載，轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，電壓接近額定值的狀態(tài)下，突加和突卸60% 額定電流及功率因數(shù)不超過0.4(滯后)的對(duì)稱負(fù)載時(shí)，當(dāng)電壓跌落時(shí)，其瞬態(tài)電壓值應(yīng)不低于額定電壓的85%；當(dāng)電壓上升時(shí)，其瞬態(tài)電壓值應(yīng)不超過額定電壓的120%，而電壓恢復(fù)到與最后穩(wěn)定值相差3% 以內(nèi)所需的時(shí)間應(yīng)不超過1.5s。應(yīng)急發(fā)電機(jī)電壓恢復(fù)到與最后穩(wěn)定值相差4%以內(nèi)所需的時(shí)間可不超過5s。”

從規(guī)范要求來看，只需滿足交流設(shè)備端瞬態(tài)電壓降不超過20%。但是在設(shè)計(jì)中，常常校驗(yàn)電源端瞬時(shí)電壓降不超過15%。即，當(dāng)電源端直接接電動(dòng)機(jī)時(shí)，視發(fā)電機(jī)為電源端的瞬態(tài)電壓降不能超過15%；而當(dāng)電源端經(jīng)變壓器接電動(dòng)機(jī)時(shí)，視發(fā)電機(jī)和變壓器為電源端，低壓母排的瞬態(tài)電壓降也不能超過15%。因?yàn)殡娎|阻抗引起的壓降一般都在5%以內(nèi)。

3 發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電壓降的計(jì)算方法

由于突加大功率電動(dòng)機(jī)起動(dòng)大電流，對(duì)發(fā)電機(jī)漏電抗和電樞反應(yīng)作用產(chǎn)生瞬時(shí)電壓降，其大小與發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)有關(guān)。通常發(fā)電機(jī)帶負(fù)載狀態(tài)起動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)瞬時(shí)電壓降比空載時(shí)小，所以計(jì)算時(shí)通常按空載起動(dòng)狀態(tài)計(jì)算瞬時(shí)電壓降。

在缺少發(fā)電機(jī)廠商有關(guān)瞬態(tài)電壓降資料的情況下，可以采用以下近似公式來估算[4]。如自勵(lì)同步發(fā)電機(jī)，直接起動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，瞬態(tài)電壓降Δu為：

式中：Δu——發(fā)電機(jī)的瞬態(tài)電壓降，%；

xe——發(fā)電機(jī)的等效瞬態(tài)電抗；

xL——感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電抗。

而感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電抗一般很難準(zhǔn)確獲得，通常按感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流計(jì)算發(fā)電機(jī)端的瞬態(tài)電壓降。公式如下：

式中：UG——發(fā)電機(jī)的額定電壓，V；

IG——發(fā)電機(jī)的額定電流，A；

UM——電動(dòng)機(jī)的額定電壓，V；

Ist——電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流，A；

d——降壓起動(dòng)系統(tǒng)系數(shù)，直接起動(dòng)d=1；Y-Δ起動(dòng)d= 1 /3；自耦變壓器起動(dòng)d為抽頭比。

通過簡(jiǎn)化，上面的公式為：

式中：SG——發(fā)電機(jī)的額定視在容量，kVA；

Sst——電動(dòng)機(jī)的額定起動(dòng)視在容量，kVA。

對(duì)于xe的定義，通常用下面的公式近似計(jì)算：

式中：x′——發(fā)電機(jī)的直軸暫態(tài)電抗；

x——發(fā)電機(jī)的直軸次暫態(tài)電抗。

上式十分簡(jiǎn)單、實(shí)用，但也忽略了許多參數(shù)。從實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)看，采用來估算瞬態(tài)電壓降更接近發(fā)電機(jī)廠商提供的信息。

國(guó)外一著名工程公司對(duì)電網(wǎng)瞬態(tài)電壓降的計(jì)算方法[5]：

式中：φ——起動(dòng)相位角；cosφ——感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)功率因數(shù)，通常取0.15～0.35。

因?yàn)樗矐B(tài)電壓降是秒級(jí)的動(dòng)作，與發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗的關(guān)系較大，而與次暫態(tài)電抗的關(guān)系不太密切，結(jié)合電機(jī)起動(dòng)的功率因數(shù)，得出上面的公式。

4 電纜瞬態(tài)電壓降的計(jì)算方法

通常校驗(yàn)電源端的瞬態(tài)電壓降不能超過15%，而規(guī)范要求設(shè)備端的瞬態(tài)電壓降不能超過20%。這就要求，用于聯(lián)系電源和終端的部分設(shè)備引起的瞬態(tài)電壓降不能超過 5%。其中主要有電纜等。電纜引起的瞬態(tài)電壓降一般都在 5%以內(nèi)，只有超長(zhǎng)距離的電纜和電源端通過變壓器向設(shè)備供電的需要進(jìn)行特別校驗(yàn)，以減少電源端的瞬態(tài)電壓降。

電纜瞬態(tài)電壓降的計(jì)算公式和穩(wěn)態(tài)電壓降計(jì)算相似，區(qū)別在于：1)對(duì)于穩(wěn)態(tài)，電纜的電阻是計(jì)算的主要內(nèi)容。對(duì)于瞬態(tài)，必須計(jì)及電纜電抗造成的影響；2)對(duì)于穩(wěn)態(tài)，電機(jī)的額定電流用于計(jì)算電壓降。

對(duì)于瞬態(tài)，必須使用電機(jī)的起動(dòng)電流來進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)于交流三相三線制回路的電壓降Δu為：

式中：R——電纜交流電阻，Ω/km；

X——電纜交流抗，Ω/km；

L——電纜長(zhǎng)度，km；

n——并聯(lián)電纜數(shù)量；

UM——電機(jī)額定電壓，V。

表2是參考國(guó)內(nèi)某著名電纜公司的樣本，試驗(yàn)得出的電纜電阻，電抗值，選取的電纜為大容量電動(dòng)機(jī)常用的船用電纜。

表2 電纜電阻、電抗（三芯，滯燃，XLPE） Ω/km

公式（6）中的R是指實(shí)際工況中使用電纜的阻抗值，船用電纜使用的電纜導(dǎo)體溫度為85℃或者90℃。而表2 中電阻值的電纜導(dǎo)體溫度為20℃。因此需要乘上一個(gè)溫度系數(shù)K。（85℃時(shí)K＝1.255，90℃時(shí)K＝1.275）。

5 變壓器瞬態(tài)電壓降的計(jì)算方法

當(dāng)大容量電動(dòng)機(jī)與主發(fā)電機(jī)的額定電壓不一致時(shí)，不論是降壓還是升壓都要使用變壓器。例如半潛式鉆井平臺(tái)，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)為中壓系統(tǒng)，11kV，而大容量電動(dòng)機(jī)（如海水泵）額定功率為300kW、460V是低壓系統(tǒng)。就要使用11kV/0.48kV的中壓公用變壓器。又如大型集裝箱船，發(fā)電機(jī)為450V低壓系統(tǒng)，而艏側(cè)推是中壓系統(tǒng)6.6kV，就需使用0.45kV/6.6kV的升壓變壓器。

變壓器瞬態(tài)電壓降Δu的計(jì)算公式如下[5]：

式中：Sst——電動(dòng)機(jī)的額定起動(dòng)視在容量，kVA；

ST——變壓器的額定視在容量，kVA；

Pk——變壓器的銅耗，kW；

uk——變壓器的短路電壓，%；

ur——電阻分量；

ux——電抗分量；

φT——相位角；

cosφT——變壓器側(cè)的功率因數(shù)；

μ——電機(jī)起動(dòng)時(shí)變壓器的負(fù)載率。

6 計(jì)算舉例

某海洋工程項(xiàng)目，單臺(tái)主發(fā)電機(jī)為5530kW，11kV；海水泵大容量電機(jī)，300kW，0.46kV；公用變壓器，3000kVA，11kV/0.48kV。示意圖如圖1所示。

從圖1可以看出，瞬態(tài)電壓降由三部分組成，Δu1為發(fā)電機(jī)引起的電壓降，Δu2為變壓器引起的電壓降，Δu3為遠(yuǎn)距離電纜引起的電壓降。

校合 Δu= Δu1+Δu2+Δu3是否小于20%，以及 Δu1+Δu2是否小于15%。由于發(fā)電機(jī)進(jìn)線電纜，變壓器的進(jìn)出線電纜距離很短，相應(yīng)的阻抗很小，可忽略不計(jì)。其他技術(shù)參數(shù)如表3所示。

圖1 瞬態(tài)電壓降計(jì)算電網(wǎng)

表3 技術(shù)參數(shù)

根據(jù)上面的參數(shù)可以算出，xe=0.188，Ist=2046A，Δu1＝4.245%。

再根據(jù)起動(dòng)功率因數(shù)0.35得出此時(shí)相角φ=69.5°，由變壓器60%的負(fù)荷率得出電流IT=2165A，通過公式[5]：

得出變壓器側(cè)負(fù)載的功率因數(shù)φT=52.7°。再通過變壓器瞬態(tài)電壓降公式（7）得出Δu2=7.137%；

Δu1+Δu2=11.382%＜ 15%，滿足要求。最后，利用電纜瞬態(tài)電壓降公式（6）得出Δu3=4.984%。

由于Δu3=4.984%＜5%，且 Δu= Δu1+Δu2+ Δu3=16.366% ＜ 20%，也都滿足要求。

7 結(jié) 語

本文從電源端至設(shè)備端系統(tǒng)，整理出了瞬態(tài)電壓降的計(jì)算方法，提出了瞬態(tài)電壓降的波動(dòng)控制范圍。計(jì)算得出大容量電機(jī)起動(dòng)時(shí)的總的瞬態(tài)電壓降，來計(jì)算驗(yàn)證大容量電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式是否合理有效。驗(yàn)算電機(jī)起動(dòng)引起的電網(wǎng)瞬態(tài)電壓降，在保護(hù)電網(wǎng)可靠性的同時(shí)，還可以校核發(fā)電機(jī)容量的選取是否合適。

[1]黃建章，吳忠林. 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)(電氣分冊(cè))[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1996.

[2]Schneider electric. 低壓電氣設(shè)計(jì)指南1999[S].

[3]美國(guó)船級(jí)社(ABS). Rules For Building And Classing Steel Vessels 2007[S].

[4]中國(guó)船級(jí)社. CCS鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范-2009[S].

[5]ABB AS. Voltage Drop Calculation System Study_ 3AJM000865-033[S].