電動(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)電壓降的計(jì)算及校驗(yàn)＊

周斌

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢430010）

電動(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)電壓降的計(jì)算及校驗(yàn)＊

周斌

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢430010）

基于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)條件及起動(dòng)壓降允許值指標(biāo)，分析了基爾霍夫定律在電動(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)計(jì)算中的優(yōu)勢(shì)。并以泵站實(shí)例，驗(yàn)證了該方法在電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)電壓降計(jì)算和校驗(yàn)工程實(shí)際應(yīng)用中的可行性和準(zhǔn)確性。

電動(dòng)機(jī)；全壓起動(dòng)；電壓降；短路容量

1 前言

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式的選擇十分關(guān)鍵，全壓?jiǎn)?dòng)方式較為常用，其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為安全可靠、效率高，但也存在一定的不足，如：電壓波動(dòng)過(guò)大、容易產(chǎn)生過(guò)負(fù)荷、導(dǎo)致傳動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)損傷等［1］。因此，在選擇電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式時(shí)，要結(jié)合電動(dòng)機(jī)實(shí)際情況以及實(shí)際工作需要，通過(guò)詳細(xì)電壓降計(jì)算和校驗(yàn)予以確定。

2 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)條件及起動(dòng)方式選擇

電動(dòng)機(jī)回路的過(guò)電流保護(hù)啟動(dòng)時(shí)要滿足一定的條件，在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)不誤動(dòng)，但是在線路末端發(fā)生短路的情況下，需要及時(shí)有效地將電源切斷，而且短路保護(hù)的靈敏度要滿足要求，即敏感度系數(shù)要在1.3以上。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，需要保證電動(dòng)機(jī)回路的短路保護(hù)靈敏度符合要求，確認(rèn)其符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范后，再進(jìn)行電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電壓降的計(jì)算和校驗(yàn)［2］。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的回路阻抗值越大，越有利于電壓降的校驗(yàn)，但同時(shí)電動(dòng)機(jī)回路阻抗值較大時(shí)，不利于電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)短路的電壓降。在母線電壓無(wú)法滿足規(guī)范要求時(shí)，通常會(huì)采用降壓?jiǎn)?dòng)的方式。

全壓?jiǎn)?dòng)和降壓?jiǎn)?dòng)是電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中常用的兩種啟動(dòng)方式，兩種啟動(dòng)方式各具特點(diǎn)，各自適用于相應(yīng)的條件。全壓?jiǎn)?dòng)的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)可靠，但是存在的不足之處是啟動(dòng)電流較大，且產(chǎn)生較大的電壓降。而降壓?jiǎn)?dòng)對(duì)電流要求不高，但其缺點(diǎn)表現(xiàn)為啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，效率低［3］。在實(shí)際應(yīng)用中，通常只有在全壓?jiǎn)?dòng)不滿足要求時(shí)，才采用軟啟動(dòng)等降壓?jiǎn)?dòng)方式。因此，通過(guò)詳細(xì)計(jì)算分析，以檢驗(yàn)全壓?jiǎn)?dòng)是否滿足電壓降要求，對(duì)于電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行尤為重要。

3 電動(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)條件及指標(biāo)要求

根據(jù)我國(guó)通用用電設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，需要保證端子電壓滿足機(jī)械啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求，且配電系統(tǒng)電壓波動(dòng)要控制在一定范圍內(nèi)，以免影響配電系統(tǒng)中其它設(shè)備的正常工作與運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)需要在一定時(shí)間內(nèi)頻繁多次啟動(dòng)時(shí)，配電母線電壓要在額定電壓的90%以上；如果電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)次數(shù)相對(duì)不頻繁時(shí)，配電母線電壓要求不小于額定電壓的85%；如果配電母線上不存在照明以及其他可能受電壓波動(dòng)影響的負(fù)荷時(shí)，對(duì)配電母線電壓要求是超過(guò)額定電壓大小的80%［4］。

電動(dòng)機(jī)在全壓?jiǎn)?dòng)的情況下，要保障配電母線電壓降和電動(dòng)機(jī)端子電壓降滿足電動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)的實(shí)際要求［5］。電動(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊轉(zhuǎn)矩，這個(gè)沖擊轉(zhuǎn)矩超過(guò)電動(dòng)機(jī)的承受范圍就會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，造成不利影響。

4 電動(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)電壓降分析

由于設(shè)計(jì)手冊(cè)提供的啟動(dòng)公式具有一定的局限性，不能適用于所有電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電壓降的計(jì)算，只可以在一級(jí)配電電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電壓降中計(jì)算。對(duì)于多級(jí)配電電動(dòng)機(jī)，在進(jìn)行全壓?jiǎn)?dòng)電壓降計(jì)算時(shí)，可將各阻抗進(jìn)行轉(zhuǎn)并聯(lián)后，利用基爾霍夫定律進(jìn)行計(jì)算。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)需要滿足的要求為：

其中：ustM為電動(dòng)機(jī)端子電壓相對(duì)值大小；Mj為電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)械靜阻轉(zhuǎn)矩相對(duì)值大小；MstM為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩相對(duì)值大小。

4.1 電動(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)電壓降計(jì)算

假設(shè)電動(dòng)機(jī)在投入運(yùn)行前，母線電壓的值與網(wǎng)標(biāo)稱電壓值大小相等，如圖1所示。

圖1 計(jì)算電路

根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》，母線短路容量Skm計(jì)算公式為：

式中：SrT為配電變壓器的額定容量，MV.A；xT為配電變壓器的短路阻抗百分值；SK為系統(tǒng)短路容量MV.A。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)采用全壓?jiǎn)?dòng)方式時(shí)，啟動(dòng)回路額定輸入容量Srt可以用下列表達(dá)式表示，即：

式中：SstM為電動(dòng)機(jī)額定啟動(dòng)容量，MV.A，由電動(dòng)機(jī)額定容量SrM和啟動(dòng)電流倍數(shù)Kst決定，即：SstM＝Kst· SrM；xL為配電線纜阻抗，Ω。

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)母線電壓相對(duì)值ustm為：

式中：Qfh為預(yù)接負(fù)荷的無(wú)功功率，MVar，其值為，cosφ為功率因數(shù)，電動(dòng)機(jī)端子電壓絕對(duì)值ustM為：

4.2 電動(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)計(jì)算實(shí)例

泵站工程中，變電所距離水泵房80m。為確定變壓器低壓側(cè)導(dǎo)體截面積大小，需要了解系統(tǒng)短路流量、變壓器容量及線路長(zhǎng)度等，并經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算得到電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)配電箱母線上電壓變動(dòng)情況及變電所母線電壓變化情況。將計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的進(jìn)行對(duì)比分析，來(lái)判斷其是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定。工程特性參數(shù)為：SK是系統(tǒng)短路容量，其值為50MVA；SrT是變壓器容量，其值為2.5MVA，短路阻抗xT為4.5%；低壓配電柜距離變壓器長(zhǎng)度10m；電動(dòng)機(jī)現(xiàn)地起動(dòng)柜距離低壓配電柜長(zhǎng)度80m；電動(dòng)機(jī)與現(xiàn)地起動(dòng)柜間距離40m；除該電動(dòng)機(jī)外，配電系統(tǒng)中還有75kW、55kW和15kW電動(dòng)機(jī)各1臺(tái)，功率因數(shù)為0.8。

電動(dòng)機(jī)△接線啟動(dòng)電流約3.4kA，電動(dòng)機(jī)Y接線啟動(dòng)電流約1.089kA，電動(dòng)機(jī)的額定電流大小為0.698kA，電動(dòng)機(jī)額定功率大小為0.4MW，功率因數(shù)為0.87。

采用Y接線方式全壓?jiǎn)?dòng)，計(jì)算出變壓器低壓側(cè)額定電流值，即：

母線截面選擇中，為滿足設(shè)計(jì)要求和電動(dòng)機(jī)的正常啟動(dòng)運(yùn)行，需要滿足IkT≥IrT。L1截面積選擇為3×［2（125×10）］＋125×10，載流量大小約為4100A，查設(shè)計(jì)手冊(cè)得，每單位長(zhǎng)度電抗值為0.147mΩ。

電動(dòng)機(jī)采用星型接線，啟動(dòng)倍數(shù)為：

電動(dòng)機(jī)額定啟動(dòng)容量為：

除上述的負(fù)荷功率之外，還需要計(jì)算出接在同一母線上的其它負(fù)荷功率大小，即：

在進(jìn)行電纜選擇時(shí)，需要結(jié)合設(shè)計(jì)要求和工程實(shí)際需要進(jìn)行綜合比選，最主要是要滿足IL3≥IrM條件。電纜截面積確定為2×（3×185＋1×95）。當(dāng)選擇2×（3×185＋1×95）截面時(shí)，電纜單位長(zhǎng)度電抗值大小為0.076mΩ／m，電阻值為0.095mΩ／m，則并聯(lián)線路L3電抗值和電阻值為：

從變電所母線接到水泵房配電箱的密集型母線L2的電阻值計(jì)算，即：

密集型母線校量值有較高要求，要求不應(yīng)低于IL2，再結(jié)合施工過(guò)程中環(huán)境溫度情況做出相應(yīng)調(diào)整，確定出載流量校正系數(shù)，最大限度滿足載流量對(duì)其要求。所選母線為1250A，L2段截面積大小為3×（80×8）＋63×6.3，載流量值大小在1320A左右，單位長(zhǎng)度電抗值為0.050mΩ／m，電阻值為0.17mΩ／m。

線路L2電阻值和和電抗計(jì)算，即：

假設(shè)變壓器負(fù)載率為0.8，則低壓側(cè)母線視在功率為：

在滿足上述條件基礎(chǔ)上，計(jì)算得變壓器低壓側(cè)母線上的其它負(fù)荷無(wú)功功率為：

牟澤雄：你如何看待當(dāng)代書(shū)法修身功能的式微？在專業(yè)書(shū)法家和學(xué)者之間，你更看重專業(yè)的書(shū)法家身份還是學(xué)者的身份？

假設(shè)L1段母線的電抗值和電阻值均為零，則△L＝L2＋L3＝80＋40＝120m，其中：40m采用2×（3× 185＋1×95）電纜，80m采用1250A密集型母線。XAL＝XL1＋XL2＝0.00152＋0.0136＝0.01512Ω，計(jì)算得電動(dòng)機(jī)額定容量SstM＝0.736MVA，則電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)起動(dòng)回路的額定輸入容量Sst為：

母線短路容量Skm為：

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)母線電壓相對(duì)百分值為：

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)端子電壓相對(duì)百分值為：

校驗(yàn)結(jié)果表明：由于水泵電動(dòng)機(jī)屬于啟動(dòng)頻率不太頻繁設(shè)備，其機(jī)端電壓為90.6%的額定電壓，即0.344kV，大于規(guī)范要求的機(jī)端電壓85%指標(biāo)，滿足電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電壓降要求，校驗(yàn)通過(guò)。

5 結(jié)論

選擇電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式時(shí)，要結(jié)合電動(dòng)機(jī)實(shí)際情況及實(shí)際工作需要來(lái)確定。進(jìn)行電壓降計(jì)算時(shí)，在做好充分調(diào)查和準(zhǔn)備工作的基礎(chǔ)上，采用科學(xué)計(jì)算方法，避免由于計(jì)算錯(cuò)誤而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障，最大限度確保電動(dòng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。水泵屬于應(yīng)用頻率不太頻繁設(shè)備，采用基爾霍夫定律算法，其結(jié)果能滿足電動(dòng)機(jī)起動(dòng)母線及端子電壓降計(jì)算要求。

［1］裴 雷，樊 燁.電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)的討論及計(jì)算［J］.電氣應(yīng)用，2014，33（16）：28－31.

［2］孫建設(shè)，張惠敏，史 磊.水泵電機(jī)的全壓起動(dòng)及保護(hù)技術(shù)［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2006，（08）：55－58.

［3］機(jī)械電子工業(yè)部天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)2版［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［4］戴圣偉，王 欣，李燕林，等.三相異步電機(jī)的智能軟起動(dòng)［J］.電工技術(shù).2012，（10）：30－32.

［5］李耀輝，劉永新.綜合故障診斷及錄波系統(tǒng)在消弧線圈接地系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電氣時(shí)代，2013，（07）：62－64.

Calculation and verification of voltage drop of motor under full－voltage starting mode

ZHOU Bin
（Central and Southern China Municipal Engineering Design＆Research Institute Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Based on the starting conditions and the voltage drop allowable value for the motor starting，the advantages of the Kirchhoff law in the calculation of the starting voltage of the motor are analyzed.Taking the pump station as an example，the feasibility and the accuracy of the Kirchhoff law method in calculation and verification of the motor’s voltage drop under full－voltage starting mode are presented.

motor；full voltage starting；voltage drop；short circuit capacity

TM301.2

：A

1005—7277（2017）01—0047—03

2016－09－01

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目（22057803）

周 斌（1963－），男，漢族，湖北省武漢市人，本科，高級(jí)工程師，主要從事市政電氣及自動(dòng)化的設(shè)計(jì)。