中壓異步電動機的全壓起動分析

李旭陽

（北京卓晟云峰科技有限公司，北京 102600）

電動機作為石化工程中常用的電氣設備，其耗電量占到工業總用電量的60%到70%，尤其中壓大功率電動機直接起動時，瞬時起動電流較大，會對系統穩定性造成影響，如電網電壓下降，將影響其他用電設備的正常運行，可能使欠壓保護動作，嚴重時有可能造成電源中斷。故進行電動機的起動校驗分析，合理地選擇方案，對電力系統的安全穩定運行非常重要。

1 項目介紹

本項目渣油加氫處理裝置中反應貧胺液泵配套的中壓異步電動機為10kV、5000kW，其所在電網由1座220kV變電所作為全廠的總電源，帶4座110kV變電所，其中一座含柴油發電機組。110kV網絡下有11座35kV變電所，本電動機所在變電所即為其中一座。220kV總變由電力院負責設計，并提供其110kV母線上的最小短路電流，作為下游變電所短路計算及電機起動計算的根據。全廠供電系統單線圖如圖1所示。

圖1 全廠供電系統單線圖

1.1 電網主要參數

（1）220kV變電所110kV母線處最小運行方式下的短路電流：I″k1=10.277kA；

（2）110kV變壓器電源電纜：ZA-YJLW03-Z-64/110kV-3*(1×800)mm2、1根、長度1.5km；

（3）35kV變壓器電源電纜：ZA-YJV22-26/35kV-3×240mm2、1根、長度0.87km；

（4）電動機動力電纜：ZA-YJV22-8/15kV-3×150+1x95mm2、2根、長度0.5km；

（5）110kV變壓器：額定容量150MVA、短路阻抗12%、容差5%、空載損耗49.5kW、負載損耗412kW；

（6）35kV變壓器：額定容量16MVA、短路阻抗8%、容差5%、空載損耗6.7kW、負載損耗59.2kW；

（7）中壓異步電動機：額定功率5000kW、額定電壓10kV、額定電流337.8A、功率因數0.88、效率0.971、起動電流倍數6、起動轉矩倍數0.6；

（8）動設備：反應貧胺液泵（離心式），靜阻轉矩相對值為0.3。

2 電動機的起動計算

根據《GB/T15544.1-2013三相交流系統短路電流計算第1部分：電流計算》及《工業與民用供配電設計手冊》計算出如下數據：

（1）最小運行方式下的短路電流

35kV母線處最小短路電流I″k2=12.150kA；35kV變壓器高壓側最小短路電流I″k3=11.467kA；10kV母線處最小短路電流I″k4=7.929kA；

（2）35kV變壓器高壓側最小運行方式下短路容量Ssc

Usc為變壓器高壓側系統電壓等級；

（3）各元件計算容量

ST為35kV變壓器計算容量；SrT為35kV變壓器額定容量；uk%為35kV變壓器阻抗電壓相對值；

S1為電動機線路計算容量；Uav為電動機所在系統電壓等級；X1為電動機線路電抗；

SstM為電動機額定起動容量；SrM為電動機額定容量；ksT為電動機額定起動電流倍數；

（4）10kV母線短路容量SscB

（5）電動機起動回路的計算容量Sst

（6）電動機全壓起動時10kV母線處的電壓相對值ustB

QL為預接負荷的無功功率；SL為預接負荷；cosφL為系統功率因數（本系統經無功補償后的功率因數為0.95）；

（7）電動機全壓起動時電動機端子處的電壓相對值ustM

2.1 ETAP軟件驗算

通過ETAP軟件對如上電動機的全壓起動進行驗算，提供兩種模型的構建方式。

方式一：依照全廠供電系統單線圖構建，將110kV母線上游系統作為等效電網。由110kV母線處的最小運行方式下的短路電流10.277kA計算出其短路容量為1958.0315MVA，以此作為配電系統的基礎數據進行ETAP模型的搭建。如圖2所示。

圖2 ETAP模型一

方式二：將35kV變壓器上游系統作為等效電網。由式（1）可知35kV變壓器高壓側最小運行方式下的短路容量為695.15MVA，以此作為配電系統的基礎數據進行ETAP模型的搭建。如圖3所示。

圖3 ETAP模型二

經ETAP軟件模擬電動機的全壓起動，得出結果如表1所示：

表1 模擬電動機的全壓起動結果

通過ETAP軟件構建兩種模型得出的結果，與手動計算結果相差無幾。

2.2 電動機的起動分析

根據《GB50055-2011通用用電設備配電設計規范》關于電動機起動要求對本項目電動機的起動進行分析校驗。

（1）電動機起動時應保證不妨礙其運行母線上其他用電設備的工作，本項目適用于電動機所在10kV母線的電壓不得低于額定電壓的85%。

由式（7）得知電動機全壓起動時10kV母線處的電壓相對值為81.03%<85%,不滿足母線電壓要求。

（2）電動機起動時應保證電動機的起動轉矩滿足其所拖動的機械要求

u·stM為滿足離心泵靜阻轉矩所需的電動機端最低起動電壓；ms為離心泵靜阻轉矩相對值（取0.3）；mstM為電動機起動轉矩相對值；

由式（9）得知全壓起動時電動機端子處的電壓相對值為80.38%>71.25%,滿足起動轉矩要求。

在全壓起動時，雖然起動轉矩可以滿足負載的要求，但其對配電母線造成的電壓降影響了其他用電設備的工作。所以，不建議在目前的電力系統配置下對此臺電動機采取直接起動。

2.3 電動機全壓起動方案

考慮到軟起動器和變頻器操作較為復雜，投資費用較高，且工藝專業并未提出調速要求，所以不將軟起動器及變頻器作為本項目的首選方案。

結合本項目實際情況仍考慮采用全壓起動，通過如下措施進行校驗。

2.3.1 方案一

（1）提高35kV變壓器電源電纜截面

因相鄰截面間電纜的阻抗值差異不大，且考慮到路由較遠，單純地增大電纜截面所產生的費用也較高，所以暫不在此方面進行調整。

（2）降低變壓器短路阻抗值

變壓器制造單位反饋若將短路阻抗降低至7%以下，不能保證1級能效的要求，且對鐵芯的材質要求較高，相應的經濟成本也會大幅度攀升，除特殊要求外，不建議使短路阻抗偏離標準值過多。

變壓器短路阻抗值按7%進行驗算，對比結果如表2所示：

表2 降低變壓器短路阻抗值

分別較之前提升了約1.5%，但不能滿足電動機全壓起動要求。

（3）提高變壓器額定容量

將變壓器額定容量提高一級至20MVA進行計算，對比結果如表3所示：

分別較之前提升了約2.5%，但也未能滿足電動機全壓起動的要求。

（4）提高變壓器額定容量并降低其短路阻抗值

即選用額定容量為20MVA、短路阻抗為7%、容差5%的變壓器進行校驗，對比結果如表4所示：

表4 提高變壓器額定容量并降低其短路阻抗值

分別較之前提升了約3.7%，仍不滿足電動機全壓起動要求。

（5）降低電動機起動電流倍數

經與電動機制造單位交流，得出將起動電流降至額定電流的5.5倍，從制造成本及技術難度方面均可接受。若調至5.5倍以下，不能保證電動機的起動轉矩可以維持目前的水平。

以電動機起動電流為5.5倍的額定電流進行驗算，對比結果如表5所示：

表5 降低電動機起動電流倍數

分別較之前提升了約1.3%，不能滿足電動機全壓起動的要求。

（6）提高變壓器額定容量、降低其短路阻抗值并降低電動機起動電流倍數

選用額定容量為20MVA、短路阻抗為7%、容差5%的變壓器、電動機起動電流為5.5倍，進行校驗的對比結果如表6所示：

表6 調整前后結果對比

此種方式下的配電母線電壓相對值及電動機端電壓相對值，均滿足電動機全壓起動的要求。

2.3.2 方案二

采用單獨的變壓器-電動機組。

根據《鋼鐵企業電力設計手冊》，由單獨變壓器供電的電動機，起動時電壓降的允許值由生產機械所要求的起動轉矩決定。

籠型異步電動機允許全壓起動的功率不大于變壓器額定容量的80%，則擬選用額定容量為10MVA的35kV變壓器，短路阻抗8%、容差5%、空載損耗4.8kW、負載損耗40.8kW。由此計算可得：

（1）35kV母線處的電壓相對值為96.51%>85%，滿足2.2第1條要求；

（2）電動機端子處的電壓相對值為73.75%>71.25%，滿足離心泵靜阻轉矩所需的電動機端最低起動電壓的要求。

該方案滿足各項設計要求。

3 結論

通過上述分析，2.3.1方案一中的第6種措施與2.3.2方案二均可滿足技術方面的要求，但考慮到經濟成本，“提高變壓器額定容量、降低其短路阻抗值并降低電動機起動電流倍數”的方式則更為合適。

隨著國家經濟的高速發展，電力系統的規模越來越大、復雜程度逐步升高。由此，對大型電力系統進行快速、準確的分析計算更能符合目前行業的發展需求。ETAP仿真計算軟件對于電力系統的配置、調整及分析對比，可發揮相當大的優勢，在今后的項目中可多多應用。