ETAP軟件在工廠低壓大功率電動(dòng)機(jī)起動(dòng)校驗(yàn)方面的應(yīng)用分析

劉森，汪洋，李思，田哲

在工廠供配電設(shè)計(jì)時(shí)，大功率電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)引起的電壓降對(duì)車間變壓器的選型和大功率電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式選擇都有很大的影響。傳統(tǒng)大功率電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)是按照《工業(yè)與民用配電手冊(cè)》中表6-16的計(jì)算公式計(jì)算校驗(yàn)，但這種手工計(jì)算的計(jì)算量較大且每次設(shè)計(jì)時(shí)都要校驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)手冊(cè)中的公式僅有全壓起動(dòng)、電抗器降壓起動(dòng)和自耦變壓器降壓起動(dòng)的公式，對(duì)目前常用的軟起動(dòng)器起動(dòng)并未描述，沒有可使用的公式。ETAP軟件的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)模塊能自定義軟起動(dòng)器的特性，我們使用該軟件搭建了一個(gè)典型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)模型，通過改變電動(dòng)機(jī)功率、變壓器容量等參數(shù)，得到了不同參數(shù)時(shí)的起動(dòng)壓降，且形成了一個(gè)速查表，使用此表即可輕松查到符合不同設(shè)計(jì)要求的電壓降，方便快捷。

1 建模思路的理論基礎(chǔ)

根據(jù)《工業(yè)與民用配電手冊(cè)》及國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50055《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)在配電系統(tǒng)中會(huì)引起電壓下降，這種電壓偏差將影響工廠配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。國家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)這種電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)在配電系統(tǒng)中引起的電壓下降規(guī)定了電壓允許值，即“電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，其端子電壓應(yīng)能保證所拖動(dòng)的機(jī)械要求的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，且在配電系統(tǒng)中引起的電壓波動(dòng)不應(yīng)妨礙其他用電設(shè)備的工作”。這包含兩方面具體要求：

（1）電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的端電壓滿足電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

（2）電動(dòng)機(jī)所在的配電母線電壓需要滿足下列要求：

a在一般情況下，電動(dòng)機(jī)頻繁起動(dòng)時(shí)，不宜低于額定電壓的90%；電動(dòng)機(jī)非頻繁起動(dòng)時(shí)，不宜低于額定電壓的85%。

b配電母線上未接照明或其他對(duì)電壓波動(dòng)較敏感的負(fù)荷，且電動(dòng)機(jī)非頻繁起動(dòng)時(shí)，不宜低于額定電壓的80%。

從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)上看，電動(dòng)機(jī)自身起動(dòng)的問題并不大，最重要的就是大功率電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)對(duì)所在配電母線的影響是否滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。在GB 50055標(biāo)準(zhǔn)“條文說明”中可以找到類似的闡述：“僅需在電動(dòng)機(jī)末段線路很長且重載起動(dòng)時(shí)，才需要校驗(yàn)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；同時(shí)僅在電動(dòng)機(jī)功率達(dá)到電源容量的一定比例（如20%或30%）或配電線路很長時(shí)，才需要校驗(yàn)配電母線的電壓，而不必對(duì)各個(gè)系統(tǒng)的各級(jí)母線進(jìn)行校驗(yàn)”。但“條文說明”僅僅給出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)限值“20%或30%”，當(dāng)接近這個(gè)限值時(shí)，還是需要通過計(jì)算來校驗(yàn)電壓降是否滿足要求。通過ETAP軟件可以搭建一個(gè)典型的“等效電網(wǎng)+變壓器+大功率電動(dòng)機(jī)+其他等效負(fù)荷”的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)模型，通過輸入不同參數(shù)，最終能夠準(zhǔn)確得出這個(gè)臨界點(diǎn)。

2 ETAP軟件介紹

ETAP是由美國OTI公司開發(fā)的一款全圖形界面的電力系統(tǒng)仿真計(jì)算軟件[1]。在美國，ETAP確立了電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析軟件的標(biāo)準(zhǔn)，是全美第一個(gè)特許提供給核電站進(jìn)行電力系統(tǒng)分析的商用軟件[2]，目前已廣泛應(yīng)用于全球工程設(shè)計(jì)咨詢行業(yè)。

對(duì)比目前國內(nèi)廣泛應(yīng)用的電氣仿真計(jì)算軟件[3]，MATLAB廣泛應(yīng)用在高校的理論科研中，而ETAP在面向工程應(yīng)用時(shí)更有優(yōu)勢。ETAP擁有各種應(yīng)用在實(shí)際工程中的設(shè)備模型庫（如ABB、施耐德、西門子等產(chǎn)品），方便用戶快捷建模；可以生成標(biāo)準(zhǔn)化的分析報(bào)告，使用戶一目了然；計(jì)算速度更快，能滿足龐大的仿真計(jì)算工作量。

3 ETAP軟件在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)分析方面的應(yīng)用

ETAP軟件電動(dòng)機(jī)起動(dòng)分析模塊功能全面，可以起動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，也可以轉(zhuǎn)換系統(tǒng)狀態(tài)，還可以分析一組電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。同時(shí)，該模塊還提供了直觀的單線圖圖形顯示，使用戶能夠了解電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中系統(tǒng)的參數(shù)變化。

系統(tǒng)模型一旦建立，即可便捷、高效、精確和全面地分析不同起動(dòng)模式、選擇不同負(fù)載模型、設(shè)置不同起動(dòng)類型、選擇不同系統(tǒng)連接方式等各種情況，根據(jù)分析結(jié)果做出正確的設(shè)計(jì)選型。

3.1 ETAP電動(dòng)機(jī)起動(dòng)分析模塊介紹

ETAP提供了兩種電動(dòng)機(jī)起動(dòng)計(jì)算方法：動(dòng)態(tài)電動(dòng)機(jī)加速和靜態(tài)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。在動(dòng)態(tài)電動(dòng)機(jī)加速計(jì)算中，以動(dòng)態(tài)模型模擬發(fā)動(dòng)機(jī)，用程序模擬電動(dòng)機(jī)的整個(gè)加速過程。用這種方法來確定電動(dòng)機(jī)是否可以采用該形式起動(dòng)，電動(dòng)機(jī)需要多長時(shí)間達(dá)到額定速率，以及確定電壓降對(duì)系統(tǒng)的影響。在靜態(tài)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方法中，在加速期間，用堵轉(zhuǎn)的方法起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，模擬對(duì)正常運(yùn)行負(fù)荷最壞的影響。這種方法適合于在不能用動(dòng)態(tài)模型起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的情況下檢測電動(dòng)機(jī)起動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。

本文主要研究大功率電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)對(duì)配電母線電壓的影響，采用靜態(tài)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方法即可。

3.2 典型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)模型的搭建

本文根據(jù)工廠常見的配電方案，建立了由10kV電網(wǎng)給車間變壓器供電，低壓母線上考慮一臺(tái)最大功率電動(dòng)機(jī)，其他電動(dòng)機(jī)和負(fù)載通過一個(gè)等效負(fù)荷模型等效，進(jìn)行ETAP軟件建模仿真。

圖1 ETAP仿真系統(tǒng)圖

圖3 變壓器容量參數(shù)設(shè)置界面

如圖1所示，10kV電源的短路容量按100MVA設(shè)置（如圖2，參數(shù)可調(diào)整），10/0.4kV車間變壓器容量按630kVA設(shè)置（如圖3，參數(shù)可調(diào)整），大功率電動(dòng)機(jī)按90kW設(shè)置（可調(diào)整），電動(dòng)機(jī)電纜長度按100m設(shè)置（可調(diào)整），電纜截面按電動(dòng)機(jī)功率選擇（可調(diào)整），等效負(fù)荷按照變壓器容量70%設(shè)置（可調(diào)整）。

在填寫大功率電動(dòng)機(jī)參數(shù)時(shí)，除了需要添加銘牌頁數(shù)據(jù)外，還需要起動(dòng)計(jì)算的數(shù)據(jù)。對(duì)于靜態(tài)起動(dòng)，起動(dòng)數(shù)據(jù)包括模型頁（如圖4所示）的起動(dòng)電流倍數(shù)（LRC）和起動(dòng)功率因數(shù)、負(fù)載模型頁的起動(dòng)時(shí)間以及起動(dòng)類型頁。

3.3 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)分析

圖2 電源短路容量參數(shù)設(shè)置界面

圖4 電機(jī)模型參數(shù)設(shè)置界面

靜態(tài)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方法，假定電動(dòng)機(jī)總是可以起動(dòng)的。在“電動(dòng)機(jī)編輯器”中設(shè)定電動(dòng)機(jī)在空載和滿載情況下的加速時(shí)間，程序在這兩個(gè)值的基礎(chǔ)上根據(jù)負(fù)荷改寫加速時(shí)間。在加速過程中，用堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子阻抗表示電動(dòng)機(jī)，它可以從系統(tǒng)中獲得最大電流，對(duì)系統(tǒng)中其他負(fù)荷運(yùn)行的影響也最大。一旦加速過程結(jié)束，電動(dòng)機(jī)就是一個(gè)恒定功率負(fù)荷。ETAP根據(jù)在電動(dòng)機(jī)編輯器中設(shè)定的起動(dòng)和最終負(fù)荷來模擬負(fù)荷的斜坡增長過程。

啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)分析后，從單線圖（如圖5所示）中可以直觀地看到電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中電動(dòng)機(jī)端的電壓百分比87.4%和低壓配電母線的電壓百分比92.97%及瞬時(shí)的起動(dòng)容量等。如果需要，ETAP軟件還可以生成電動(dòng)機(jī)起動(dòng)分析報(bào)告并繪出所需要的參數(shù)曲線（如母線電壓、電機(jī)電流等）。

圖5 起動(dòng)壓降結(jié)果

3.4 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)分析結(jié)論

針對(duì)不同變壓器容量、不同大功率電動(dòng)機(jī)功率，通過使用ETAP軟件進(jìn)行了大量仿真計(jì)算試驗(yàn)，并將所得到的結(jié)果生成為一個(gè)速查表（如圖6所示）。仿真的情況包括了直接起動(dòng)和軟起動(dòng)、單傳動(dòng)和雙傳動(dòng)電機(jī)、功率從90kW到200kW的大電機(jī)等各種多變量的情況。從表中可以輕松查到在何種情況下大功率電動(dòng)機(jī)起動(dòng)會(huì)對(duì)低壓母線造成嚴(yán)重影響，超過了國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖6 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)分析速查表

4 結(jié)語

通過ETAP軟件電動(dòng)機(jī)起動(dòng)分析模塊搭建了一個(gè)典型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)模型并進(jìn)行了大量的仿真計(jì)算，將得出的結(jié)果形成了一個(gè)速查表，方便選擇不同功率電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式和變壓器容量，包括直接起動(dòng)和軟啟動(dòng)方式，省去了大量的手工計(jì)算工作，設(shè)計(jì)更加快速、準(zhǔn)確、省時(shí)。該速查表在我公司項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)被廣泛使用，極大提高了設(shè)計(jì)效率。

[1]美國OTI公司.ETAP用戶手冊(cè)7.1.0[M].Irvine.USA：Operation Technology,Incorporation,2009.

[2]馮煜理，王雷，陳陳.電力系統(tǒng)仿真軟件ETAP的特性與功能簡介[J].供用電，2005，22（5）：23-26.

[3]李升.MATLAB和ETAP電力系統(tǒng)仿真比較研究[J].南京工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，4（2）：50-55.

[4]劉森，汪洋，周瑩瑩，張柳.ETAP軟件在水泥廠短路計(jì)算及繼電保護(hù)整定的應(yīng)用[J].中國水泥，2012，6：70-72.

[5]任元會(huì)主編.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國電力出版社，2005.■