化工企業(yè)中大容量電動機(jī)配電截面和啟動方式選擇及校驗

中海油石化工程有限公司 趙曉娟 濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司 崔 寅

1 工程概括

化工企業(yè)規(guī)模為：電源由廠區(qū)外進(jìn)線均為110kV架空線，2回進(jìn)線引自不同的110kV變電站，分別采用20km及19km

某長度線路，6kV和110kV分別采取分段式接線方式和內(nèi)橋接線方式，110kV進(jìn)線、6kV母線全部采取母線分列運行，具體系統(tǒng)接線情況詳見圖1。

圖1 單線圖

主變壓器容量25MVA，雙繞組110/6kV，短路阻抗10.5%；110進(jìn)線兩回進(jìn)線，單母線分段接線，6kV出線為12回，每段電容器為3700kVar。電動機(jī)的最大容量為2000kW，電壓6kV，電動機(jī)額定電流Irm=237.5A，電動機(jī)額定啟動倍數(shù)kst=6，電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速n0=375r/min，電動機(jī)轉(zhuǎn)動機(jī)械的靜阻轉(zhuǎn)矩相對值ms=0.3, mmax=2,J=2kg/m2，而其平均阻轉(zhuǎn)矩相對值ms=0.2，電動機(jī)間距配電室0.45km。以下是對大容量電動機(jī)電纜截面進(jìn)行分析，選擇合理的啟動方式，并對結(jié)果進(jìn)行校驗。

2 短路電流計算

本文采用實用短路電流計算方法，忽略電阻影響（主電源系統(tǒng)、變壓器、母排等電氣設(shè)備各元件電阻明顯小于電抗）假設(shè)基準(zhǔn)容量為Sj= 100 MVA。

基準(zhǔn)值系統(tǒng)標(biāo)稱電壓0.38/110kV，基準(zhǔn)電壓0.4/115kV，基準(zhǔn)電流144.3/0.5kA。

系統(tǒng)Ⅰ段電氣設(shè)備阻抗值標(biāo)幺值：

表1 短路點處的短路電流

系統(tǒng)Ⅱ段電氣設(shè)備阻抗值標(biāo)幺值：

X、R—線路每相電抗值、電阻值（Ω）；ukN%—變壓器額定阻抗電壓百分比；SNT—變壓器額定容量（MVA）。

3 電動機(jī)電纜截面的選擇

電動機(jī)的額定電流為Irm=237.5A，電動機(jī)電纜截面材質(zhì)選擇：電纜材質(zhì)A級交聯(lián)聚乙烯護(hù)套鋼帶阻燃電纜ZA-YJV22-6/10，該電纜沿全廠電纜橋架敷設(shè)：

由于此裝置為爆炸危險環(huán)境，電纜的載流量要滿足Iz＞1.25Irm，此查載流量表[1]得出截面150mm2的載流量時376A，考慮溫度、敷設(shè)方式等因素，取電流綜合修正系數(shù)為0.8，選擇導(dǎo)體電流1.25×237.5/0.8=371A,即選擇150mm2的電纜滿足要求。

由上述可知短路電流為Ik=16.29kA,保護(hù)電流熱穩(wěn)定系數(shù)為137，計算電纜熱穩(wěn)定性：

其中，Qt—短路電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)，kA2/s；C—電纜的熱穩(wěn)定系數(shù)，C=137。即選擇150mm2的電纜滿足要求。

計算150mm2電纜的電壓偏差：

其中，P—電動機(jī)有功負(fù)荷（kW）；Q—電動機(jī)無功負(fù)荷（kVar）；R’、X’—三相線路單位長度的電阻和感抗（Ω/km）。

本項目選用ZA-YJV22-6/10-150mm2的電纜。

4 電動機(jī)電動機(jī)啟動方式的選擇及校驗

4.1 電動機(jī)電動機(jī)啟動方式選擇

從啟動方式來分，電動機(jī)的啟動主要包括以下幾種。

4.1.1 全壓啟動

在直接啟動方式中，電動機(jī)為全電壓直接啟動，該情況下會出現(xiàn)較高的電流，通常為額定電流的5倍到7倍，發(fā)生較為明顯的電壓下降現(xiàn)象，顯著地沖擊供配電系統(tǒng)。工程中首先是考慮全壓啟動，要滿足以下四點：

它的端子電壓值需要滿足擬拖動機(jī)械所提出的啟動轉(zhuǎn)矩要求；

ms—電動機(jī)轉(zhuǎn)動機(jī)械的靜阻轉(zhuǎn)矩相對值，ms=0.3；mstM—電動機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩相對值，mstM= 0.7；計算us’t’M=0.69。

配電系統(tǒng)產(chǎn)生壓降的情況下，并不會對用電設(shè)備造成影響。如果電動機(jī)啟動較為頻繁，此時應(yīng)保證母線電壓大于90%額定電壓；如果電動機(jī)啟動頻率不高，此時應(yīng)保證母線電壓在85%額定電壓之上[2]。

在電機(jī)啟動方式上，業(yè)主和廠家均未特出明確要求。對于大型電機(jī)而言，啟動過程中，啟動設(shè)備和電動機(jī)需處于足夠的熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定狀態(tài)，比如，符合電動機(jī)要求的降壓啟動條件或全壓啟動條件、啟動設(shè)備的熱穩(wěn)定性、連續(xù)啟動次數(shù)等。如果是同步電動機(jī)，其阻尼籠條應(yīng)低于出廠要求值。

4.1.2 降壓啟動

未符合全壓啟動的情況下則采取降壓啟動的方式（由于晶閘管降壓啟動模式具有可調(diào)性，會對其進(jìn)行單獨講解）。降壓啟動，啟動電流小，但是啟動轉(zhuǎn)矩也小，故啟動時間延長，進(jìn)而電機(jī)繞組溫度升高，啟動設(shè)備回路復(fù)雜，啟動過程中存在著二次沖擊電流和沖擊轉(zhuǎn)矩，故經(jīng)常使用與對于啟動要求不高的場所。

降壓啟動主要分為延邊三角形降壓啟動、自耦變壓器降壓啟動、電阻降壓啟動、星形—三角形降壓啟動、電抗器降壓啟動等。

在星形—三角形降壓啟動中，啟動過程中，定子繞組為星形連接，這就使得啟動電流和啟動電壓有所下降，電機(jī)轉(zhuǎn)速持續(xù)增加，達(dá)到額定值，就會切換繞組，采取三角形連接方式。此種模式下，需保證正常運行狀態(tài)下，電動機(jī)繞組是采取三角形接線方式，需要是低壓籠型電動機(jī)，出線端子為6個。

演變?nèi)切谓祲簡幽Ｊ绞歉倪M(jìn)星形—三角形降壓啟動模式而來，在電機(jī)啟動的過程中，電機(jī)繞組會分成兩種形式，一部分為星形，一部分為三角形。此種方式適合低壓電動機(jī)，出線頭為9個。

電阻降壓啟動是降單相電阻或?qū)ΨQ電阻接入到定子回路中，將其啟動電流和啟動電壓，提升電機(jī)轉(zhuǎn)速，待其處于額定值，變阻器退出運行，其特點是變阻器在啟動時消耗電量較大，有較大的能耗，通常情況下會在低壓籠形電動機(jī)的輕載狀況下使用。

電抗器降重啟動模式，主要是通過電抗器來實現(xiàn)輔助啟動，對啟動過程中的電流和電網(wǎng)壓降進(jìn)行有效限制，電動機(jī)啟動子會后逐步進(jìn)入到平穩(wěn)運行狀態(tài)，電流到達(dá)固定值，可將電抗器切除，來實現(xiàn)直接啟動，其方式中產(chǎn)生的電流為額定電流值的3倍到4倍，該啟動方式中，電機(jī)端也會出現(xiàn)電壓降低的情況，可能會發(fā)生啟動轉(zhuǎn)矩不足的情況，此外，啟動時還容易產(chǎn)生二次沖擊。

自耦變壓器降壓啟動是在自耦變壓器的作用下，將電網(wǎng)的電壓值控制到一定范圍后再加載到定子繞組，電動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行穩(wěn)定狀態(tài)后，在降電動機(jī)接入電網(wǎng)。自耦變壓器抽頭分別為80%額定電壓，啟動電流值為64%額定值；65%額定電壓值，對應(yīng)的啟動轉(zhuǎn)矩為42.3%額定電值，相對于電抗器降壓啟動，這種方式的優(yōu)勢十分明顯，電動機(jī)定子繞組采取△接法或是Y接法都適用，但它的缺點是自耦變器的體積大、占用面積多、價格高、維護(hù)麻煩。自耦變壓器隨自耦減壓啟動控制柜成套供應(yīng)。

4.1.3 軟啟動

軟啟動器啟動所指的是當(dāng)啟動電機(jī)的過程中，通過三相反并聯(lián)晶閘管和有關(guān)的電子控制電路（它們通常是被安裝于電動機(jī)和電源間）來進(jìn)行作用，對導(dǎo)通角進(jìn)行有效的控制。由此，輸入電壓的值將會根據(jù)特定需要來進(jìn)行變化，該過程將會持續(xù)至電機(jī)的啟動過程完全結(jié)束，此時轉(zhuǎn)動速度與啟動轉(zhuǎn)矩將會不斷地增大，軟啟動設(shè)備體積小，啟動過程中的沖擊電流小，過程較為平穩(wěn)，還可調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)矩，可實現(xiàn)軟停機(jī)，在之前幾年有著廣泛應(yīng)用，但因出現(xiàn)晶閘管導(dǎo)致較為嚴(yán)重的高次諧波，對其應(yīng)用范圍有了較大影響。

4.1.4 變頻啟動

該方式是通過變頻調(diào)速系統(tǒng)來實現(xiàn)變頻啟動，啟動過程中通過改變供電頻率來對定子繞組進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的目的，通過可控硅元件起到通斷作用，不會超過額定電流，相較于其他類型而言，其優(yōu)勢十分突出，較大的啟動轉(zhuǎn)矩和較小的啟動電流，不會對上級電網(wǎng)和設(shè)備形成沖擊力矩，且不會對同母線下的用電設(shè)備造成影響，又可以達(dá)到理想的啟動，在技術(shù)不斷地發(fā)展完善之后，逐漸地發(fā)展為一種極具應(yīng)用前景的高壓電機(jī)啟動方式，也是目前業(yè)主用的最多的啟動方式。

圖2 電動機(jī)啟動方式計算電路圖

電動機(jī)啟動方式特點：全壓啟動投資最省，應(yīng)用最廣，缺點是能頻繁啟動、啟動電流大、啟動轉(zhuǎn)矩大；降壓啟動價格較高，應(yīng)用較廣，其缺點是不能頻繁啟動、啟動電流小、啟動轉(zhuǎn)矩大；軟啟動價格較高，設(shè)備較復(fù)雜，但其能頻繁啟動、啟動電流小、啟動轉(zhuǎn)矩大；變頻啟動價格昂貴，設(shè)備復(fù)雜，其能頻繁啟動、啟動電流小、啟動轉(zhuǎn)矩大。

4.2 電動機(jī)全壓啟動方式校驗

圖中符號及計算如下：計算中取基準(zhǔn)電壓Uj=6.3kV,并采用系統(tǒng)在最小運行方式下的數(shù)據(jù)。

母線上的短路容SCB=163.83MVA；

母線標(biāo)稱電壓：Un=6kV；

電動機(jī)功率因數(shù)：cosφ=0.9；

電動機(jī)額定啟動倍數(shù)：kst=6；

電纜截面L=150mm2；電動機(jī)電纜敷設(shè)長度L=0.45km，電纜線路的電抗（忽略阻抗），XL=(0.08+6.1/S)L=0.054。

電動機(jī)啟動容量：SstM=6xPrm/0.9=6x2/0.9=13.3MVA。

電動機(jī)啟動回路輸入容量：

母線上予以接入的無功負(fù)荷，根據(jù)供電系統(tǒng)圖，正常運行在該段6kV母線上的負(fù)荷最多時如表2。

表2 接入負(fù)荷的無功功率

?

經(jīng)過計算得出QL=11.727kVar。

電動機(jī)啟動時母線上的電壓：

電動機(jī)啟動時的端子電壓：

故us't'M≤ustM

啟動時間計算如下：

以上計算結(jié)果表明，在最不利情況下最大容量2000kW電動機(jī)啟動時6kV母線電壓的下降小于10%，此電動機(jī)在本項目工藝流程中為不頻繁啟動，因此本項目此電動機(jī)可以直接啟動，本項目中，此電動機(jī)沒有調(diào)速要求，故不用變頻調(diào)速，但業(yè)主要求用軟啟動方式，從而達(dá)到電動機(jī)啟動平穩(wěn)，高效節(jié)能目的。

5 結(jié)語

綜合上述分析及驗證表明，對于大容量電動機(jī)設(shè)備啟動方式的選擇，需要考慮各方面的制約因素，電網(wǎng)的短路容量、電纜截面的大小、母線所帶其它負(fù)荷；同時也要考慮工藝設(shè)備對電動機(jī)的要求，設(shè)計出經(jīng)濟(jì)、合理、高效的啟動方式。本文論述了具體項目中高壓大容量電動機(jī)配電中電纜截面、啟動方式的選擇，先進(jìn)行短路電流計算，再計算電纜截面大小，最后對啟動方式合理選擇并驗證。為大家以后在具體設(shè)計項目中參考。