艦船大負載起動電網瞬態電壓降計算和分析

韓 旗

（海軍駐上海地區艦艇設計研究軍事代表室 上海200011）

0 引 言

交流配電系統中，異步電動機以其優良的性能及無需維護的特點，在艦船負載中得到廣泛應用，約占供電負荷的60%～70%。隨著海軍艦船復雜化、大型化發展，裝船設備越來越復雜，負載容量越來越大，如消防泵、風機、空調裝置、側推裝置等大容量負載被使用。然而，由于其起動時要產生較大沖擊電流，一般為電動機額定電流的4～7倍，某些電動機甚至可達 8～12 倍，對供電網絡沖擊很大［1］，在突加大負載時，由于漏抗和電樞反應使發電機端電壓急劇下降，引起較大電網瞬態電壓降，影響了供電質量。

GJB 4000-2000《艦船通用規范》［2］對電動機起動或工作狀態改變而導致的電網瞬態電壓（浪涌電流）作出明確規定：

（1）對于起動或工作狀態變化不太頻繁的用電設備，其最大浪涌電流所導致的界面電壓跌落不應超過用電設備額定電壓的16%；

（2）對于起動或工作狀態較為頻繁的用電設備，其最大浪涌電流所導致的界面電壓跌落不應超過用電設備額定電壓的10%。為有效控制突加大負載情況對電網的影響，在艦船電力系統設計時，應充分考慮突加負載情況對電網電壓降的影響，通過計算負載起動時瞬態電壓降，選擇合理的起動方式，確保系統供電安全。

1 起動電動機瞬態壓降計算［3］

一般電動機起動導致的電網瞬態電壓降與發電機的基本參數和電動機的基本參數有關。通常發電機帶負載狀態起動電動機時瞬態電壓降比空載時要小，所以通常是按空載起動狀態計算瞬態電壓降。

1.1 根據突加的感應電動機電抗計算

對自勵同步發電機而言，當直接起動感應電動機時，其瞬時電壓降ΔU為：

式中：ΔU為發電機瞬態電壓降（%）；

Xd′為電機直軸瞬態電抗（標么值）；

Xd″為直軸次瞬態電抗（標么值）；

XL為突加負載電抗（標么值）。

1.2 根據感應電動機起動電流計算

當忽略電路阻抗時，可以利用感應電動機的起動電流等參數進行計算，其瞬時電壓降ΔU為：

式中：ΔU為發電機瞬態電壓降（%）；

Xd′為發電機直軸瞬態電抗（標么值）；

Xd″為發電機直軸次瞬態電抗（標么值）；

UG為發電機額定電壓（V）；

UM為電動機額定電壓（V）；

IN為發電機額定電流（A）；

IST為電動機直接起到時的起動電流（A）；

d為降壓起到系數。直接起動時，d=1；Y-Δ起到時，d=1/3；自耦變壓器降壓起動時，d為自耦變壓器抽頭比。

1.3 根據起動千伏安計算

對鼠籠式電動機，可以根據起動千伏安計算，其瞬時電壓降ΔU為：

式中：ΔU為發電機瞬態電壓降（%）；

Xd′為發電機直軸瞬態電抗（標么值）；

Xd″為發電機直軸次瞬態電抗（標么值）；

當發電機為自勵時，用（Xd′+Xd″）/2 代替 Xd′，非自勵時用Xd′；

PO為給負載供電的發電機容量之和（kVA）；

PM為負載起動千伏安（kVA）。

2 起動方式比較

不同負載和不同供電容量電網，對電機起動性能的要求是不一樣的，而異步電動機的起動性能的基本要求是相同的，即要求電動機有足夠大的起動轉矩和符合要求的機械特性曲線；起動設備簡單、經濟、可靠，操作控制簡單；盡可能小的起動電流，減小對供電品質的影響。根據以上相互矛盾要求和電網的實際情況，通常采用的起動方式有兩種：一種是在額定電壓下的直接起動方式，另一種是降壓起動方式。

2.1 直接全壓起動

直接起動，即全壓起動，是最簡單也是三相異步電動機應用最多的一種起動方式。通過斷路器或接觸器直接接到電網上，起動設備簡單，操作控制方便，經濟、維護方便，起動速度快的優點，小功率電機常采用這種起動方式，然而對較大容量電機，起動電流會達到額定電流的4～7倍，該起動電流會使線路壓降增大，使電網負載端的電壓降低，雖然電壓降降低是短時的，但既影響電機本身的起動轉矩，又影響到同一電網的其他異步電機的工作（如：照明網絡燈光閃爍，電機轉速瞬間降低，無法帶載起動或甚至停下來）。對于經常起動的電動機，過大的起動電流將造成電動機發熱，加速絕緣老化，影響電機壽命，同時電動機繞組在電動力的作用下，會發生變形，可能造成短路而燒壞電動機。

為消除因電動機起動對供電網絡沖擊，影響供電質量，可考慮增加電站容量或采用合理的起動方式。如果僅為減小電動機起動對電網瞬態壓降因素增大電站容量，從經濟性和艦船總體布置考慮顯然是不可取的，因此人們往往配置限制電動機起動電流的起動設備。考慮到艦船電站容量、設備負載特性及對電磁兼容要求高等方面的因素，艦船用異步電機降壓起動一般采用星形-三角降壓起動及自耦變壓器降壓起動。

2.2 星形-三角形起動

星形-三角形降壓起動是通過改變電動機的定子繞組接法去實現降壓起動過程，適合于正常運行時繞組連接成三角形的電動機，三相共引出六個出線端。起動時，三相定子繞組接成星形，待轉速接近穩定時再改為連接成三角形。這種起動方式的優點是起動電流僅為直接起動的1/3，有效減低起動時對電網壓降的影響，且起動設備體積小、重量輕、價廉物美、運行可靠、檢修方便；缺點是起動電壓降到1/，故起動轉矩為額定轉矩的1/3，適合空載或輕載運行而不能像自耦變壓器補償起動那樣，可按不同的負載選擇不同的起動電壓。

2.3 自耦變壓器補償起動

自耦變壓器補償起動時利用自耦變壓器降低加到電動機定子繞組的電壓，以減小起動電流。該起動方式適合于容量較大的低壓電動機作減壓起動用，應用很廣泛，有手動及自動控制線路。在起動過程中，電壓有2～3次切換，因而可以根據負載選擇起動電壓，減小起動電流。缺點是體積大，質量大，價格高，需維護檢修。

以上介紹了艦船電力系統電機拖動設計常使用的三種起動方式，比較了三種起動方式的優點和存在的不足。值得指出的是：盡管各種傳統降壓起動方法各有優缺點，但它們有一個共同的優點，即沒有諧波污染，這是艦船電力系統供電質量的重要控制指標，也是艦船電力系統設計中一直堅持使用傳統起動方式原因。設計時應根據艦船電站容量，計算電網承受的壓降，以及拖帶負載的特性、起動時間和經濟性要求，確定合適的起動方式。

3 計算實例

電網瞬態受電網容量和起動方式的影響，前面介紹了三種計算電網壓降的計算方法，比較了三種起動方式，現以某型艦船電力系統設計為實例采用較為常用的根據電動機的起動電流計算方法，計算同一負載分別采用直接起動、星形-三角形起動及自耦變壓器補償起動時的壓降，最終確定合適的起動方式，減小電網瞬踢壓降，滿足規范要求，保證電力系統的可靠運行。

某型艦船發電機組額定功率1 050 kW，額定電流1 943 A，額定電壓390 V，直軸瞬變電抗（標么值）Xd′0.177，直軸超瞬變電抗（標么值）Xd″0.099，一側推裝置額定功率590 kW，選擇電動機的起動方式，利用電動機起動電流計算公式計算起動時的電網壓降。

3.1 直接起動壓降計算

顯然，艏側推電動機采用直接起動時，其浪涌電流導致的電壓跌落過大，影響系統的穩定運行和安全性，應采取降壓起動措施，減少起動沖擊。

3.2 星形-三角形起動壓降計算

3.3 自耦變壓器補償起動壓降計算（其抽頭比為0.42）

4 結 論

從以上三個計算結果可以看出，在同一電站容量的條件下，使用自耦變壓器補償起動所達到的效果最好、壓降最低、滿足相關規范的要求，同時對電網的沖擊較小。所以艦船用大容量電力負載起動應根據電站容量計算電網瞬態電壓降，選擇合適的起動方式，控制負載起動對電網的影響。

［1］顧繩谷主編.電機及拖動基礎（第3版）［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［2］中國人民共和國國家軍用標準.GJB 4000-2000艦船通用規范［S］.

［3］中國船舶工業總公司編.船舶設計實用手冊（電氣分冊）［M］.北京：國防工業出版社，1997.