場(chǎng)站電源與動(dòng)力容量的合理匹配及其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

洪建興（長(zhǎng)慶油田公司水電廠，甘肅 慶陽(yáng) 745100）

場(chǎng)站電源與動(dòng)力容量的合理匹配及其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

洪建興（長(zhǎng)慶油田公司水電廠，甘肅 慶陽(yáng) 745100）

場(chǎng)站電源容量與動(dòng)力系統(tǒng)的合理匹配是確保經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵，本文通過(guò)測(cè)算場(chǎng)站動(dòng)力總負(fù)荷，在電壓波動(dòng)情況下確保電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不致顯著降低，以此測(cè)算變壓器電壓調(diào)節(jié)率，并在此基礎(chǔ)上對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的容量和最大起動(dòng)電流進(jìn)行校核。通過(guò)計(jì)算認(rèn)為場(chǎng)站電源容量（kVA)數(shù)應(yīng)不低于最大電動(dòng)機(jī)容量（kW）數(shù)的3倍。且其（kVA)數(shù)應(yīng)以場(chǎng)站動(dòng)力總負(fù)荷（kW）數(shù)的1.4倍為宜。

場(chǎng)站電源容量核定

在油田區(qū)域存在著很多諸如油井場(chǎng)、聯(lián)合站、供水站等生產(chǎn)單元，這些生產(chǎn)單位都是低壓配電線路供電，且多為獨(dú)立電源，分布點(diǎn)多面廣，幾乎占油區(qū)生產(chǎn)的90%以上，其中配電變壓器和動(dòng)力系統(tǒng)容量的合理匹配是確保經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。

變壓器容量選取過(guò)大，設(shè)備投資費(fèi)用將明顯增加，同時(shí)運(yùn)行后長(zhǎng)期損耗付出的電費(fèi)也相當(dāng)可觀，且占用上級(jí)變電所主變?nèi)萘浚贿x取過(guò)小，供電可靠性將變差，尤其在負(fù)荷較重電壓波動(dòng)較大的情況下將引起電動(dòng)機(jī)無(wú)法起動(dòng)的現(xiàn)象。所以在確保平穩(wěn)可靠運(yùn)行的情況下做到變壓器容量的選擇能夠經(jīng)濟(jì)合理、節(jié)約資源。

1 場(chǎng)站電源總?cè)萘康暮硕?/h2>

油區(qū)的場(chǎng)站一般設(shè)計(jì)有多臺(tái)電動(dòng)機(jī)，如油井場(chǎng)、供水站等一般有2～8臺(tái)電動(dòng)機(jī)，這些生產(chǎn)單元最常用的為Y系列異步電動(dòng)機(jī)。日常工作中這些電動(dòng)機(jī)不一定同時(shí)運(yùn)行、而電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)也不一定滿負(fù)荷，所以在核算變壓器容量時(shí)，應(yīng)先對(duì)負(fù)荷情況進(jìn)行分析。

不同場(chǎng)站由于其使用性質(zhì)不同，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)其功率占比是不同的，如一些注水、供水站等，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)功率使用率較高，可達(dá)到80%～90%甚至滿負(fù)荷；而油井場(chǎng)所使用的電動(dòng)機(jī)為滿足大扭矩起動(dòng)要求，電動(dòng)機(jī)容量選取較大，起動(dòng)后負(fù)荷率只能達(dá)到40%～60%。所以，筆者認(rèn)為單臺(tái)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率可按下式核算：

式中P0為電動(dòng)機(jī)名牌功率，K1為負(fù)荷系數(shù)，可根據(jù)電機(jī)負(fù)荷情況實(shí)際選取;K2為使用系數(shù)，可按每天運(yùn)轉(zhuǎn)小時(shí)數(shù)測(cè)算（K2=n∕24,n為日運(yùn)轉(zhuǎn)小時(shí)數(shù)）。另外，核定負(fù)荷時(shí)，需考慮電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的同時(shí)系數(shù)，如站場(chǎng)某兩臺(tái)或多臺(tái)電動(dòng)機(jī)需同時(shí)工作，可將其容量合并，使用系數(shù)按1測(cè)算。

上式測(cè)算的是機(jī)械輸出功率，考慮到損耗，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率取均值0.89，功率因數(shù)取均值0.88，并預(yù)留百分之十的余量，筆者認(rèn)為，變壓器的容量(kVA)數(shù)可按1.4倍負(fù)荷功率（kW)數(shù)選取較為合理，即：

電源容量初步核定后還需對(duì)起動(dòng)能力進(jìn)行校核。

2 單臺(tái)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)校核：

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式并查閱相關(guān)技術(shù)參數(shù)知，對(duì)于Y系列異步電動(dòng)機(jī)，在起動(dòng)瞬間，其起動(dòng)電流約為其額定電流的4～7倍，取最大值7倍進(jìn)行起動(dòng)電流校核。電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩∕額定轉(zhuǎn)矩≈1.8～2，暫取低起動(dòng)扭矩1.8倍計(jì)算，考慮到日常生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的滿載和部分超載起動(dòng)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩必須大于或等于1.2倍額定轉(zhuǎn)矩方能起動(dòng)，即起動(dòng)時(shí)其實(shí)際起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降至理論起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的0.667倍（1.2÷1.8）及一下時(shí)，電動(dòng)機(jī)將無(wú)法起動(dòng)。

經(jīng)查閱相關(guān)資料，電動(dòng)機(jī)在其他參數(shù)不變的情況下，其起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，對(duì)0.667開方得0.817也就是說(shuō)，當(dāng)電壓下降到額定電壓的81.7%時(shí)電動(dòng)機(jī)將出現(xiàn)無(wú)法起動(dòng)的現(xiàn)象。即變壓器的電壓調(diào)節(jié)率不應(yīng)超過(guò)18.3%。

以油田場(chǎng)站常用的S11-500kVA配電變壓器為例，其各參數(shù)為：額定容量500kVA；額定電壓10kV∕0.4kV；接線組別為Yyn0；試驗(yàn)數(shù)據(jù)為：空載損耗0.88KW；負(fù)載損耗7.2KW；空載電流1.04%；短路阻抗5.6%。

經(jīng)計(jì)算該變壓器的阻抗值為：ZN=200,Rk=2.878,Xk=10.81，以此算得經(jīng)查閱相關(guān)資料變壓器的電壓調(diào)節(jié)率為：

考慮到電機(jī)起動(dòng)瞬間主要為感性電流，其功率因數(shù)cosφ2= 0.35左右，并鎖定電壓調(diào)節(jié)率不大于18.3%，將以上測(cè)算數(shù)據(jù)代入（4）式，得負(fù)載系數(shù)ββ=3.27，所以，在電機(jī)起動(dòng)瞬間，當(dāng)變壓器達(dá)到額定電流的3.27倍時(shí)，其端電壓將下降至額定值的81.7%，將出現(xiàn)電機(jī)無(wú)法啟動(dòng)的現(xiàn)象。上面核算數(shù)據(jù)不包含變壓器低壓側(cè)接線柱至電動(dòng)機(jī)之間電纜阻抗形成的壓降，對(duì)一些容量較大、起動(dòng)電流大，而電纜又長(zhǎng)的場(chǎng)所，其引起的阻抗壓降更是不可忽視。

對(duì)于500kVA變壓器，其低壓側(cè)額定電流為721.7A，負(fù)載系數(shù)為3.27倍時(shí)，其電流為2365A，也就是說(shuō)為確保電動(dòng)機(jī)能夠正常起動(dòng)，該變壓器能容納的最大瞬間起動(dòng)電流為2365A。按7倍計(jì)算，該起動(dòng)電流對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)的額定電流為337A,其功率約為173kW，功率（kW)相對(duì)變壓器容量（kVA)的占比為34%。所以對(duì)于場(chǎng)站動(dòng)力與電源容量在核算時(shí)，其最大電動(dòng)機(jī)功率（kW)數(shù)不得超過(guò)變壓器容量（kVA)數(shù)的34%，或變壓器容量（kVA)數(shù)不小于最大電動(dòng)機(jī)功率（kW)數(shù)的3倍。按照舍零法靠攏標(biāo)準(zhǔn)得該變壓器容許最大電動(dòng)機(jī)配備功率為160Kw。

3 其他電動(dòng)機(jī)起動(dòng)校核

其他電機(jī)的起動(dòng)校核是指接在同一電源下有正在運(yùn)行的一臺(tái)或多臺(tái)電動(dòng)機(jī)，再次起動(dòng)其他電動(dòng)機(jī)的校核，以及起動(dòng)時(shí)引起的電壓降落對(duì)已運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的影響。

如上圖所示，已運(yùn)行最大電動(dòng)機(jī)電流為I1=337A，功率因數(shù)cosα1=0.88,即將起動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)瞬間功率因數(shù)cosα2仍按0.35計(jì)算，并鎖定總電流I不超過(guò)2365A，通過(guò)鎖定總電流，確保在起動(dòng)瞬間，變壓器的電壓調(diào)節(jié)率不超過(guò)18.3%，電動(dòng)機(jī)形成的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩在1.2倍及以上，同時(shí)正在運(yùn)行電動(dòng)機(jī)不致因電壓突降而存在停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。利用三角函數(shù)計(jì)算得起動(dòng)電流I2=2085A,其對(duì)應(yīng)電機(jī)的額定電流為297A,功率約為152kW，即場(chǎng)站第二大電機(jī)容量（kW)數(shù)不能超過(guò)電源容量（kVA)數(shù)的30%，或著變壓器容量（kVA)數(shù)不低于電動(dòng)機(jī)容量（kW）數(shù)的3.3倍。對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)并采取舍零法得電動(dòng)機(jī)容量為132KW。

4 核算結(jié)果及場(chǎng)站電源的設(shè)計(jì)原則：

通過(guò)以上分析計(jì)算，在場(chǎng)站電源容量核算時(shí)，筆者認(rèn)為變壓器的選擇其容量（kVA)數(shù)應(yīng)不低于最大電動(dòng)機(jī)容量（kW）數(shù)的3倍。且其（kVA)數(shù)應(yīng)以場(chǎng)站用電總負(fù)荷（kW）數(shù)的1.4倍為宜，這樣變壓器的運(yùn)行最為經(jīng)濟(jì)合理，且容量利用率最高。另外，考慮到低壓電纜的阻抗和起動(dòng)瞬間大電流情況下的降壓作用，動(dòng)力設(shè)備分布不能過(guò)于分散，配電變壓器的供電半徑不應(yīng)太大，當(dāng)達(dá)到或超過(guò)400～500米時(shí)，電纜阻抗引起的降壓作用相當(dāng)明顯，宜另行設(shè)置獨(dú)立變壓器。

[1]王正茂、閻治安等，電機(jī)學(xué)[M]西安，西安交通大學(xué)出版社，2000.9.

洪建興（1967-）男，漢，陜西西安人，機(jī)械工程師。