電動機啟動時電壓暫降問題的應對措施

丁 鶴

銅陵有色設計研究院有限責任公司機電加工工程室，安徽 銅陵 244000

0 引言

隨著我國社會經濟的發展，對供配電系統電能質量的要求也逐步提高。在工業應用領域，當輸配電系統中發生短路故障、同（異）步電動機啟動、雷擊、開關操作、變壓器及電容器組的投切等事件時，都可能引起電壓暫降。其中，同（異）步電動機啟動是引起電壓暫降的最主要原因，而電力系統短路容量是同（異）步電動機啟動電壓暫降最重要的一個影響因素。

1 電壓暫降概述

1.1 定義

電力系統電壓暫降可以引起短路故障，甚至影響敏感設備的正常運行。電壓暫降是根據電壓幅值方均根的變化定義的，電壓暫降是指電壓下降[1]，持續時間為半個周波到幾秒。受電壓暫降影響最大的設備有工業流程控制器、可編程序控制器（PLC）、可調速驅動器及機器人系統，電壓暫降可能會損壞基于微處理器的數字控制設備的數據。

1.2 原因

電壓暫降一般由電網和變電設施的故障或負荷突然出現大的變化（如大功率設備啟動等）引起，在某些情況下，會出現2次甚至更多次的連續跌落或中斷[2]。電壓暫降的具體原因如下。

（1）自然原因：雷擊、閃電、暴雨、大風及下雪等；

（2）電力系統原因：短路故障、大電機啟動、線路切換、變壓器和電容器投切、配電裝置故障感應電機（大功率）啟動等；

（3）不可預知的偶然事件：交通事故、建筑施工造成輸電線損壞、人為操作失誤及一些小動物進入配電室等。

1.3 持續時間

針對電壓暫降的持續時間，SEMI中國信息控制標準技術委員會組織的電能質量專題小組做了實驗，在全美洲22站點進行電能質量研究，共記錄到1 076個電壓暫降事件。其中，在綠色線上方的電壓暫降的數量占總數的93%，僅有6個事件為斷電且都在1 s以內，僅有3個事件超過2 s。

2 電動機啟動時配電系統中的電壓允許值

依據《工業與民用供配電設計手冊（第四版）》[3]上冊第478～479頁的相關描述，電動機啟動時，其端子電壓應能保證被拖動機械要求的啟動轉矩，且在配電系統中引起的電壓暫降不應妨礙其他用電設備的工作。即電動機啟動時，配電母線上的電壓應符合下列要求。

（1）在一般情況下，電動機頻繁啟動時，電壓不應低于系統標稱電壓的90%；電動機不頻繁啟動時，電壓不宜低于系統標稱電壓的85%。

（2）配電母線上未接照明負荷或其他對電壓下降敏感的負荷，且電動機不頻繁啟動時，電壓不應低于系統標稱電壓的80%。

（3）配電母線上未接其他用電設備時，可按保證電動機的啟動轉矩的條件決定；對于低壓電動機，還應保證接觸器線圈的電壓不低于釋放電壓。

3 電動機啟動時電壓暫降問題的案例分析

3.1 工程概況

筆者作為電氣專業負責人于2019—2020年主持了銅陵有色金屬集團股份有限公司金冠銅業銅冶煉渣資源綜合利用項目施工圖的相關電氣專業設計工作，該工程的主要子項有渣包維修間、渣緩冷變電所、渣破碎及運輸、磨浮工序、磨浮10 kV配變電所、脫水工序、脫水變電所、渣選礦循環水系統及廠區綜合管網等。

3.1.1 系統接線

根據工程的工藝流程、車間劃分、負荷大小及分布情況，在磨浮廠房東附跨設置1座磨浮10 kV配電所，采用單母線分段方式接線，兩回10 kV電源分別引自“雙閃”廠區110/10.5 kV總降壓變電站不同段10 kV母線。正常情況下，10 kV配電所單母線分段運行；當一回線路故障或檢修時，由另一回線路帶全部負荷。經校驗，每回10 kV電源線路供電能力及對應總降所內出線開關供電容量均能滿足該10 kV配電所全部負荷的用電需要[4]。

考慮到濕式溢流型球磨機容量較大（4 800 kW），其兩回10 kV電源直接引自“雙閃”廠區110/10.5 kV總降壓變電站不同段10 kV母線[5]。

3.1.2 系統配置

該工程在磨浮廠房東附跨設有1座10/0.4 kV車間變電所，內設2臺電力變壓器，額定容量均為2 500 kVA，其10 kV電源分別引自磨浮10 kV配電所不同段10 kV母線，低壓側采用單母線分段方式接線。正常運行時，2臺變壓器分列運行，母聯斷開；當一回10 kV電源或變壓器故障或檢修時，另一變壓器能承擔該變電所全部主要生產負荷，同時在該變電所低壓側設置電容器無功自動補償裝置。車間變電所為附設式布置，并與低壓配電室合建。變壓器采用SCB11節能型干式變壓器，低壓配電柜選用MNS型抽屜式低壓開關柜，低壓接地系統采用TN-S系統[6]。

3.2 參數設置

為了研究濕式溢流型球磨機同步電動機啟動電壓暫降，需要計算原始參數[7]。

（1）電動機額定功率：4 800 kW；額定功率因數：0.9（超前）；額定轉速：200 r/min；直接啟動電流倍數：4倍；額定電壓：10 kV；額定電流：321 A；啟動轉矩倍數：0.42。

（2）系統預接負荷無功功率：3.77 Mvar；最小運行方式下配電10 kV母線短路容量：120 MVA；供配電系統基準短路容量：100 MVA。

（3）同步電動機數量：1臺；同步電動機供電電源電纜型號規格：ZR-YJV-8.7/10 kV-2（3×120）；線路電抗：0.095 Ω/km；供電距離：0.1 km。

3.3 同步電動機啟動電壓暫降的計算

依據《工業與民用供配電設計手冊（第四版）》上冊第482頁表6.5-4的全壓啟動相關計算思路，進行同步電動機啟動電壓暫降計算：

（1）額定啟動容量=4×4 800÷0.9×10-3=21.33 MVA；

（2）啟動時啟動回路的計算容量=1÷[1÷21.33+（0.095×0.1）÷2÷10.52）]=21.277 MVA；

（3）配電10 kV母線電壓相對值=1.05×120÷（120+3.77+21.277）=0.868 7。

應業主單位生產運行要求，同步電動機在生產過程中需要頻繁啟動，其配電10 kV母線電壓相對值在電動機頻繁啟動時不應低于系統標稱電壓的90%（0.9）[8]，而0.868 7＜0.9，故此臺同步電動機在電力系統中不能全壓啟動，否則會給整個供配電系統及其他用電設備（如照明等敏感負荷）帶來明顯干擾，使同一供配電系統中相關照明燈具照度降低，導致系統中電子控制器不能正常工作，生產過程中斷、服務器癱瘓、用戶端數據丟失和出錯，以及低壓電動機接觸器線圈的電壓低于釋放電壓等電氣故障。無論從安全還是經濟方面，都會給用電企業造成巨大的經濟損失和用電安全隱患，大大降低了電能質量，極大地增加了業主的電能使用成本。

4 電壓暫降問題的應對措施

根據上述分析，高壓同步電動機采用安全合理的啟動方式顯得尤為重要。若供配電系統的外部供電電網短路容量不夠大，就要從供電部門、用戶與用電設備廠商等多方面考慮應對措施。

4.1 優化高壓同步電動機的啟動

4.1.1 現有啟動方式的不足

采用變壓器-電動機組啟動、串聯電抗器降壓啟動、自耦變壓器降壓啟動及高壓軟啟動等啟動方式都可以有效降低同步電動機啟動電流，從而明顯減小同步電動機啟動時的啟動回路計算容量，使其頻繁啟動時配電10 kV母線電壓相對值不低于系統標稱電壓的90%。雖然可以提高電能質量，且滿足電力系統電壓暫降相關的正常運行要求，保障供配電系統各用電設備的正常運行，但各種非全壓啟動方式增加了業主的用電成本。例如，需要新增采購同步電動機專用配電變壓器、高壓電抗器、自耦變壓器及高壓軟啟動裝置等，從經濟性考慮，不能當作最理想的啟動方案。

4.1.2 啟動優化：增加母線短路容量

為了滿足經濟全壓啟動的同步電動機安全使用要求，在企業相關10 kV供配電設備繼電保護正確使用動作的前提下，筆者通過業主單位聯系了該企業的相關供電部門。經業主單位同意，相關供電部門適當地增加了供電系統的短路容量，使最小運行方式下企業的同步電動機配電的10 kV母線短路容量增加到了180MVA。

此時，配電系統10 kV母線電壓相對值為1.05×180÷（180+3.77+21.277）=0.921 7＞0.9，同步電動機配電的10 kV母線電壓相對值在電動機頻繁啟動時可以大于系統標稱電壓的90%，使得此臺同步電動機在電力系統中可以全壓啟動。

4.2 減少故障數量

可以通過減少故障數量解決電壓暫降問題。為了減少故障數量，需要增加對電力系統的維護強度。例如，在架空線入地、架空線外加絕緣；對剪樹作業嚴加管理；架設附加的屏蔽導線以提高絕緣水平；增加維護和巡視的頻率；提高用電設備的抗電壓暫降等干擾的能力等。

4.3 縮短故障清除時間

除了減少故障數量，也可以通過縮短故障清除時間來控制電壓暫降問題。例如，采用有限流作用的熔斷器和快速故障限流器、高速固態切換開關、快速電流斷路器等裝置；通過縮小繼電保護分級區域的方法，以犧牲選擇性為代價來縮短故障清除時間；采用速動后備保護等。

4.4 改變供電方式

為了改變供電方式，提高供電穩定性，可以在敏感負荷附近加設供電電源；可以采用母線分段或多設配電站的方式來限制同一供電母線上的饋線數，以縮小故障的影響范圍等。此外，需要選擇合適的電動機啟動方式，以確保電動機啟動時造成的電壓降在允許的范圍內。

4.5 安裝附加設備

可以在供電系統與用電設備的接口處安裝附加設備，如不間斷電源（UPS）、動態電壓調節器（DVR）及配電型靜止補償器（DSTATCOM）等。常用的附加設備是UPS和DVR，具體分析如下。

4.5.1 UPS

UPS作為敏感負荷的備用電源，可有效清除系統電壓驟降或瞬時中斷對負荷的干擾。UPS的容量有限，一般不超過兆瓦級，對于提高大型敏感工業用戶的供電質量有局限性。此外，UPS造價較高，在很大程度上制約了UPS的應用范圍。

4.5.2 DVR

DVR是用來補償電壓暫降、提高下游敏感負荷供電質量的串聯補償裝置，通常安裝在電源與重要負荷的饋電線路之間。在正常供電狀態下，DVR處于低損耗備用狀態；在供電電壓發生突變時，DVR可在幾毫秒內產生一個與電網同步的三相交流電壓，該電壓與源電網電壓相串聯，可以補償故障電壓與正常電壓之差，從而讓饋線電壓恢復到正常值。

5 結束語

綜上所述，各用電企業在實際條件允許的情況下，應該盡量用更大短路容量的供電電網對企業供電。這不僅可以使企業各供配電設備的繼電保護正確動作，也可以避免或減少企業對于各用電設備（如電動機降壓啟動裝置）的投入，極大地減少企業電能使用維護的相關費用，在一定程度上降低企業的運行經濟成本，從而保證企業供配電系統長久、平穩、安全、可靠地運行。