地鐵車站活塞風機啟動電壓暫降研究

邵明瑞

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津300000）

1 基本概念

依照《工業(yè)與民用配電設計手冊》（第四版）中的相關規(guī)定，電壓暫降一般為電機在啟動前的電壓均方根值U，與電機啟動后所產生的電壓均方根值Ust的相差值【1】。

用系統標稱電壓Un的百分數表示，如式（1）所示：

式中，ΔUst為電動機啟動時的電壓降，%。

電動機啟動時電壓Ust以系統標稱電壓Un的百分數表示為式（2）：

2 電壓暫降的計算

地鐵活塞風機由于功率較大，因此啟動方式采用軟啟動，計算電路見圖1。

圖1 計算電路

假設網絡標稱電壓與電機在運行之前的母線電壓相等，依照《工業(yè)與民用配電設計手冊》（第四版）中的相關內容得出如下計算公式：

啟動后所產生的回路額定輸入容量見式（3）：

式中，SstM為電機額定啟動容量，V·A；X1為交聯聚乙烯電纜的線路電抗，單位長度電抗值為0.09Ω/km；Um為母線標稱電壓，kV，Um=Un。

母線電壓相對值計算見式（4）：

式中，Skm為母線短路容量，kV·A；Qfh為預接負荷的無功功率，kV·A；Sst為電動機啟動時啟動回路的額定輸入容量，kV·A。電動機端子電壓相對值見式（5）：

式中，Ustm為母線電壓相對值，V。

啟動電流見式（6）：

3 計算示例

以南京地鐵某站為例，該站總長達493m。該車站的降壓所設置在車站站廳的左側，同時，在站廳的兩端均進行了環(huán)控電控室的設置，其目的是為了更好地提供車站環(huán)控負荷電源，車站右側距變電所大概300m 的位置設置有活塞風機。依照現有已知條件，對風機啟動時所產生的環(huán)控電控室母線、變電所母線其電壓降進行計算，檢驗其結果是否與相關規(guī)范要求相符。現有的已知條件主要為以下幾點：

1）變壓器的容量為SrT=1 250kV·A；一次側短路容量為Sk=250 000kV·A；電抗相對值為XT=0.06；400V 開關柜母排長度L1按照15m 考慮；由400V 開關柜至環(huán)控電控柜敷設電纜總長L2約為285m；環(huán)控電控柜至軟起柜再到風機敷設電纜長度L3約為55m。

2） 活塞風機額定功率PrM=0.09MW；額定電流IrM=0.171kA。

3）活塞風機啟動電流根據用戶需求書要求，啟動電流不應大于額定電流的4 倍，啟動時間≤15s，在進行計算的過程中，可以將最大倍數作為基礎，因此，其啟動電流為Ist=4IrM=0.684kA；而環(huán)控電控柜母線所附帶的其他符合值為Pfh2=99kW。

如圖2 所示為活塞風機配電系統。

圖2 活塞風機配電系統

3.1 基礎計算

依照現有的已知條件，對線路的二次側短路容量、線路阻抗等進行計算、選擇導線截面。

以下量的符號及含義參見參考文獻【1】中表6.5.4。

2）變壓器二次側銅母排截面的選擇和阻抗的計算；

依照其額定計算電流，變壓器二次側銅母線的載流量不可小于額定電流。計算低壓柜銅母排規(guī)格為[3×（125×10）+（80×8）+（80×6）]mm2。依據《工業(yè)與民用供配電設計手冊》（第四版）可知，單位長度電阻值為0.000 022Ω/m，單位長度感抗值為0.000 147Ω/m，故：

3）由變壓器二次側出線至環(huán)控電控柜的電纜L2的阻抗計算：

依照其負荷容量，電纜截面為雙拼（3×185+2×95）mm2。依據《工業(yè)與民用配電設計手冊》（第四版）可知，單位長度電阻值為0.000 11Ω/m，單位長度感抗值為0.000 069Ω/m，故：

4）由環(huán)控電控柜至活塞風機的電纜L3的阻抗計算：

依照其負荷容量，如果正常運行電壓損失情況、載流量情況均滿足相應的要求，電纜L3截面為（3×185+2×95）mm2。依據《工業(yè)與民用供配電設計手冊》（第四版）可知，單位長度電阻值為0.000 11Ω/m，單位長度感抗值為0.000 069Ω/m，故：

5）同一環(huán)控柜母線上，其他負荷的有功、視在、無功功率計算：

6）活塞風機啟動視在功率、啟動容量計算：

7）變壓器二次側銅母線上其他負荷的視在功率、無功功率計算：

根據動力照明負荷統計表，變壓器負載率β 為0.82，功率因數cosφ 在補償后為0.9，故：

8）變壓器二次側銅母線上短路容量計算：

3.2 活塞風機啟動壓降計算

根據活塞風機配電系統圖2 所示，可以計算出風機啟動時的電壓降。

1）活塞風機啟動時環(huán)控柜處的輸入容量：Sst3=440kV·A；

2）活塞風機啟動時環(huán)控柜處計算其他負荷的無功功率后，回路的輸入容量：Sst2=Sst3+Qfh2=514.6kV·A；

3） 活塞風機啟動時變電所處回路的輸入容量：Sst=482.8kV·A；

4）活塞風機啟動時變電所母線的電壓相對值（%）、電壓值：ustm1=97.62%、Ustm1=ustm1Um=0.9762×0.38=0.37kV。

5）活塞風機啟動時環(huán)控柜母線處的電壓相對值（%）、電壓值：ustm2=91.58%、Ustm2=ustm2Um=0.9158×0.38=0.348kV。

6）活塞風機啟動時風機端子處的電壓相對值（%）、電壓值：ustm=89.54%、Ustm=ustmUm=0.8954×0.38=0.34kV。

由于環(huán)控電控柜母線處均為接風機，未接照明負荷等，活塞風機啟動時環(huán)控柜母線處計算電壓為額定電壓的91.58%。滿足GB 50055—2011《通用用電設備配電設計規(guī)范》中第

2.2.1 條，配電母線上未接照明或其他對電壓波動較敏感的負荷，不應低于額定電壓的80%的要求【2】。

變電所母線處接有照明等敏感負荷等，活塞風機啟動時變電所母線處計算電壓為額定電壓的97.62%。滿足GB 50055—2011《通用用電設備配電設計規(guī)范》中第2.2.1 條，配電母線上接有照明或其他對電壓波動較敏感的復核，電動機不頻繁啟動時，不宜低于額定電壓的85%的要求。

綜上所述，本站活塞風機啟動時電壓暫降值滿足規(guī)范要求，校驗通過。

通過校驗可以看出，如果活塞風機起動電壓暫降不滿足規(guī)范要求時，可以采取的措施包括：增大電纜截面積以減小線路阻抗、提高變電所功率因數、就近設置跟隨所或者環(huán)控電控室等，用來減小電壓暫降值，使之能滿足風機啟動要求。

4 結語

在城市軌道交通電氣設計中，大功率電動機啟動時的電壓暫降計算是電氣設計的重要組成部分，這不僅關系建筑專業(yè)對于變電所以及環(huán)控電控室的布置方案，也關系到整個系統能否安全合理地運行。