電動機(jī)全壓啟動時電壓降的計(jì)算及校驗(yàn)＊

周斌

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

電動機(jī)全壓啟動時電壓降的計(jì)算及校驗(yàn)＊

周斌

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

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

電動機(jī)；全壓起動；電壓降；短路容量

1 前言

電動機(jī)啟動方式的選擇十分關(guān)鍵，全壓啟動方式較為常用，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：電壓波動過大、容易產(chǎn)生過負(fù)荷、導(dǎo)致傳動機(jī)構(gòu)出現(xiàn)損傷等［1］。因此，在選擇電動機(jī)啟動方式時，要結(jié)合電動機(jī)實(shí)際情況以及實(shí)際工作需要，通過詳細(xì)電壓降計(jì)算和校驗(yàn)予以確定。

2 電動機(jī)起動條件及起動方式選擇

電動機(jī)回路的過電流保護(hù)啟動時要滿足一定的條件，在電動機(jī)啟動時不誤動，但是在線路末端發(fā)生短路的情況下，需要及時有效地將電源切斷，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。電動機(jī)啟動時，需要保證電動機(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)行電動機(jī)起動電壓降的計(jì)算和校驗(yàn)［2］。電動機(jī)啟動過程中，電動機(jī)的回路阻抗值越大，越有利于電壓降的校驗(yàn)，但同時電動機(jī)回路阻抗值較大時，不利于電動機(jī)正常運(yùn)行時短路的電壓降。在母線電壓無法滿足規(guī)范要求時，通常會采用降壓啟動的方式。

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

3 電動機(jī)全壓啟動條件及指標(biāo)要求

根據(jù)我國通用用電設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定，電動機(jī)啟動時，需要保證端子電壓滿足機(jī)械啟動轉(zhuǎn)矩的要求，且配電系統(tǒng)電壓波動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。電動機(jī)需要在一定時間內(nèi)頻繁多次啟動時，配電母線電壓要在額定電壓的90%以上；如果電動機(jī)的啟動次數(shù)相對不頻繁時，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影響的負(fù)荷時，對配電母線電壓要求是超過額定電壓大小的80%［4］。

電動機(jī)在全壓啟動的情況下，要保障配電母線電壓降和電動機(jī)端子電壓降滿足電動機(jī)正常起動的實(shí)際要求［5］。電動機(jī)全壓啟動時，會產(chǎn)生較大的沖擊轉(zhuǎn)矩，這個沖擊轉(zhuǎn)矩超過電動機(jī)的承受范圍就會影響電動機(jī)的正常運(yùn)行，造成不利影響。

4 電動機(jī)全壓啟動電壓降分析

由于設(shè)計(jì)手冊提供的啟動公式具有一定的局限性，不能適用于所有電動機(jī)啟動時電壓降的計(jì)算，只可以在一級配電電動機(jī)啟動電壓降中計(jì)算。對于多級配電電動機(jī)，在進(jìn)行全壓啟動電壓降計(jì)算時，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。電動機(jī)啟動需要滿足的要求為：

其中：ustM為電動機(jī)端子電壓相對值大小；Mj為電動機(jī)傳動機(jī)械靜阻轉(zhuǎn)矩相對值大小；MstM為電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩相對值大小。

4.1 電動機(jī)全壓啟動電壓降計(jì)算

假設(shè)電動機(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》，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)電動機(jī)采用全壓啟動方式時，啟動回路額定輸入容量Srt可以用下列表達(dá)式表示，即：

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

電動機(jī)啟動時母線電壓相對值ustm為：

式中：Qfh為預(yù)接負(fù)荷的無功功率，MVar，其值為，cosφ為功率因數(shù)，電動機(jī)端子電壓絕對值ustM為：

4.2 電動機(jī)全壓啟動計(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度等，并經(jīng)過一系列計(jì)算得到電動機(jī)啟動時配電箱母線上電壓變動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)行對比分析，來判斷其是否符合設(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度10m；電動機(jī)現(xiàn)地起動柜距離低壓配電柜長度80m；電動機(jī)與現(xiàn)地起動柜間距離40m；除該電動機(jī)外，配電系統(tǒng)中還有75kW、55kW和15kW電動機(jī)各1臺，功率因數(shù)為0.8。

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

采用Y接線方式全壓啟動，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)要求和電動機(jī)的正常啟動運(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)手冊得，每單位長度電抗值為0.147mΩ。

電動機(jī)采用星型接線，啟動倍數(shù)為：

電動機(jī)額定啟動容量為：

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，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，電纜單位長度電抗值大小為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)荷無功功率為：

牟澤雄：你如何看待當(dāng)代書法修身功能的式微？在專業(yè)書法家和學(xué)者之間，你更看重專業(yè)的書法家身份還是學(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)算得電動機(jī)額定容量SstM＝0.736MVA，則電動機(jī)起動時起動回路的額定輸入容量Sst為：

母線短路容量Skm為：

電動機(jī)啟動時母線電壓相對百分值為：

電動機(jī)啟動時端子電壓相對百分值為：

校驗(yàn)結(jié)果表明：由于水泵電動機(jī)屬于啟動頻率不太頻繁設(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)，滿足電動機(jī)啟動時電壓降要求，校驗(yàn)通過。

5 結(jié)論

選擇電動機(jī)啟動方式時，要結(jié)合電動機(jī)實(shí)際情況及實(shí)際工作需要來確定。進(jìn)行電壓降計(jì)算時，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)算錯誤而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障，最大限度確保電動機(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)果能滿足電動機(jī)起動母線及端子電壓降計(jì)算要求。

［1］裴 雷，樊 燁.電動機(jī)全壓起動的討論及計(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)部天津電氣傳動設(shè)計(jì)研究所.電氣傳動自動化技術(shù)手冊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［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，高級工程師，主要從事市政電氣及自動化的設(shè)計(jì)。