石化企業(yè)電機(jī)分批再啟動(dòng)計(jì)算的分析與研究

李杰 劉平

1. 中石化海南煉油化工有限公司 海南 儋州 578101

2. 廣東茂化建集團(tuán)有限公司洋浦分公司 海南 儋州 578101

石化企業(yè)內(nèi)部供配電系統(tǒng)時(shí)常出現(xiàn)“晃電”現(xiàn)象，引起“晃電”的典型原因多為電網(wǎng)故障（故障發(fā)生-故障清除-電源重合）、變壓器投運(yùn)及大電機(jī)啟動(dòng)，見(jiàn)圖1。不同類(lèi)型原因作用于“晃電”的深度和持續(xù)時(shí)間也各不相同，但都可能會(huì)出現(xiàn)接觸器失壓跳停、變頻器低電壓失電等故障，造成現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)機(jī)失速停運(yùn)。為了解決該項(xiàng)問(wèn)題，有些企業(yè)摸索了以抗晃電模塊為代表的抗晃電技術(shù)和以分批再啟動(dòng)柜為代表的再啟動(dòng)技術(shù)，如圖2，大多基于變壓器容量百分比的工程近似計(jì)算。比如，依靠抗晃電技術(shù)，以保證在晃電期間仍維持運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)的總?cè)萘?，?yīng)不超過(guò)10%配電變?nèi)萘?；?duì)于采用再啟動(dòng)控制的電動(dòng)機(jī)群，應(yīng)采用分批再啟動(dòng)方案，保證每批次的啟動(dòng)容量不超過(guò)20%的配電變?nèi)萘堪踩珮O限。該方式實(shí)際應(yīng)用效果不理想，時(shí)常出現(xiàn)再啟動(dòng)異常、啟動(dòng)過(guò)程電網(wǎng)波動(dòng)的情況，其根本原因在于技術(shù)人員未能深入研究電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程對(duì)實(shí)際電網(wǎng)造成的沖擊影響，未有效組織實(shí)際電網(wǎng)抗負(fù)荷啟動(dòng)沖擊能力核校及計(jì)算。

圖1 典型電壓“晃電”深度與持續(xù)時(shí)間

圖2 分批再啟動(dòng)技術(shù)壓降

基于此，結(jié)合石化新建裝置工程案例，采用電壓、電流鉗制法[1]對(duì)電機(jī)再啟動(dòng)計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)探討。通過(guò)電力系統(tǒng)仿真軟件（Digsilent）進(jìn)行系統(tǒng)建模及仿真分析，實(shí)例計(jì)算與仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了電壓、電流鉗制法指導(dǎo)電機(jī)分批再啟動(dòng)計(jì)算合理性及可行性。

1 供配電網(wǎng)電機(jī)再啟動(dòng)機(jī)理

裝置現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)再啟動(dòng)是電機(jī)由一個(gè)不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過(guò)程。當(dāng)電網(wǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，系統(tǒng)電壓瞬間跌落，受其影響電機(jī)機(jī)端電壓和轉(zhuǎn)速開(kāi)始下滑，電動(dòng)機(jī)電流與轉(zhuǎn)矩陡增，隨即開(kāi)始走向振蕩衰減，待電壓恢復(fù)后，電動(dòng)機(jī)電流與轉(zhuǎn)矩又快速陡增，隨即振蕩衰減，經(jīng)過(guò)短時(shí)振蕩后從怠速恢復(fù)到了運(yùn)行轉(zhuǎn)速。

1.1 系統(tǒng)故障造成影響

供配電系統(tǒng)內(nèi)外部故障都會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)供電回路產(chǎn)生影響，不同故障類(lèi)型和故障切除快慢對(duì)旋轉(zhuǎn)負(fù)荷終端設(shè)備影響程度各不相同，直接影響電機(jī)再啟動(dòng)處理方法。

（1）故障類(lèi)型。電力系統(tǒng)故障主要分為斷相（單相、兩相）、短路（相相、相地）故障。前者屬于縱向故障，后者屬于橫向故障，兩者表象的基本特征是電壓下降、電流增加。而直接影響低壓電機(jī)跳停的是反映到0.4kV的電壓，若接入到控制回路的220V相電壓（一般為A相或C相）大幅度跌落，將導(dǎo)致控制回路接觸器線(xiàn)圈釋放，主回路接觸器斷開(kāi)。

（2）故障切除時(shí)間。裝置現(xiàn)場(chǎng)感應(yīng)電機(jī)在電壓跌落瞬間，轉(zhuǎn)子磁鏈不能突變，仍然有電流存在，并感應(yīng)于轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)電壓。如果此時(shí)電源重新投入，將會(huì)造成較大的啟動(dòng)電流及轉(zhuǎn)矩，其大小由合閘瞬間感應(yīng)的電壓大小及相位所決定，而感應(yīng)電壓大小及相位又由切除故障時(shí)間所影響。

1.2 系統(tǒng)大容量設(shè)備投切造成影響

石化企業(yè)供電主網(wǎng)結(jié)構(gòu)經(jīng)改造或升級(jí)后較為完善合理，供電系統(tǒng)容量大，大容量電機(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)始逐漸替代透平驅(qū)動(dòng)，多為全壓直啟設(shè)計(jì)。電機(jī)定子繞組通電瞬間，相對(duì)靜止的轉(zhuǎn)子繞組，定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將以最大的切割速度切割轉(zhuǎn)子繞組，轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)及感應(yīng)電流。定子自然增大電流激發(fā)抵消或補(bǔ)償轉(zhuǎn)子引起磁通變化，為額定電流的5～8 倍。同時(shí)大電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，持續(xù)時(shí)間基本在15s以上，降低電機(jī)群起外部條件。

2 電網(wǎng)抗負(fù)荷啟動(dòng)沖擊的能力核校及計(jì)算依據(jù)

電網(wǎng)抗負(fù)荷啟動(dòng)沖擊核校應(yīng)結(jié)合工藝需求和母線(xiàn)電壓恢復(fù)條件，對(duì)參與再啟動(dòng)的電機(jī)進(jìn)行分組、分批及分期計(jì)算。計(jì)算應(yīng)按不利啟動(dòng)的苛刻條件進(jìn)行分析，但不能過(guò)度苛刻，避免分批再啟動(dòng)技術(shù)不能有效發(fā)揮其作用。

2.1 電機(jī)分批再起采用電壓、電流鉗制法計(jì)算

（1）電流鉗制—感應(yīng)電機(jī)怠速群起或跳停再起的非周期沖擊電流應(yīng)躲過(guò)電源側(cè)相關(guān)間隔繼電保護(hù)誤動(dòng)作，避免誤動(dòng)，擴(kuò)大事故。

（2）電壓鉗制—保證電動(dòng)機(jī)所在母線(xiàn)電壓與機(jī)端電壓水平，避免電機(jī)群起再起后電機(jī)機(jī)端電壓顯著下降，導(dǎo)致電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩低于負(fù)載的阻力轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)失敗。

（3）容量鉗制—上級(jí)電網(wǎng)容量限制，可以支持多大的啟動(dòng)容量，保證配電變壓器、電源電纜線(xiàn)路等的絕緣與熱穩(wěn)定。

2.2 電機(jī)分批再起外部條件簡(jiǎn)化及等效策略

（1）控制回路安裝抗晃電模塊的電機(jī)按“0”批次啟動(dòng)，即不參與電機(jī)分批再起，電壓暫降過(guò)程電機(jī)為怠速運(yùn)行，不失電。

（2）對(duì)于變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)，變頻器暫降深度，隨著頻率降低，耐受電壓暫降深度增加；暫降拐點(diǎn)時(shí)間與負(fù)載率相關(guān)，負(fù)載輕暫降時(shí)間長(zhǎng)，負(fù)載重暫降時(shí)間短[2]。變頻器低頻率低負(fù)載率工況，可以通過(guò)設(shè)置變頻器參數(shù)來(lái)完成“0”批次設(shè)定，比如通過(guò)設(shè)定故障自復(fù)位模式、更改掉電停車(chē)類(lèi)型、修改欠壓低限值或降低欠壓故障等級(jí)等方式，盡量長(zhǎng)時(shí)間維持直流母線(xiàn)電壓，保證變頻器能躲過(guò)電壓暫降時(shí)限，自復(fù)位平滑自啟。高頻率重負(fù)載工況，按電壓恢復(fù)再啟動(dòng)方式進(jìn)行后續(xù)批次設(shè)定，不管某種方式，變頻拖動(dòng)電機(jī)的啟動(dòng)電流遠(yuǎn)小于工頻電機(jī)啟動(dòng)電流。

（3）再啟動(dòng)需求調(diào)研。

①結(jié)合生產(chǎn)工藝部門(mén)實(shí)際需求，明確哪些負(fù)荷需要參加分批啟動(dòng)，并按1、2、3…列出負(fù)荷重要性排名，以某公司重整裝置為例，詳見(jiàn)表1。

表1 某公司重整裝置電機(jī)供電可靠性要求排名

②結(jié)合供電系統(tǒng)配置和運(yùn)行方式，優(yōu)化繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置參數(shù)，以支持分批再啟動(dòng)技術(shù)充分應(yīng)用。石化企業(yè)35kV及以下電力網(wǎng)一般為單母分段接線(xiàn)，分列運(yùn)行。中壓配置快切裝置，低壓配備自投，為減小外部故障對(duì)系統(tǒng)影響，快切將實(shí)現(xiàn)保護(hù)起和失壓起兩種方式，且失壓方式下，快切和備自投裝置做了時(shí)差配合。一旦上級(jí)快切未成功，備自投將失壓段切換到正常段，失壓段未跳停電機(jī)將會(huì)隨切換一同群起。此時(shí)正常段變壓器容量大小，分期再起時(shí)間設(shè)定及進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)值應(yīng)納入群起電機(jī)影響。系統(tǒng)配有完善的主、后（近后、遠(yuǎn)后）備保護(hù)，最大程度快切切除故障，若后備保護(hù)啟動(dòng)會(huì)延緩電壓恢復(fù)，系統(tǒng)連接的怠速電機(jī)會(huì)一同群起。

（4）計(jì)算依據(jù)。根據(jù)《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)范》GB50055—2011要求，配電母線(xiàn)上接有照明或其他對(duì)電壓波動(dòng)較敏感的負(fù)荷，電動(dòng)機(jī)不頻繁啟動(dòng)時(shí)，不宜低于額定電壓的85%[3]。由于無(wú)法預(yù)估每一次電壓暫降時(shí)電動(dòng)機(jī)跳閘數(shù)量，則按照較苛刻條件—即全所或母線(xiàn)段無(wú)跳閘電動(dòng)機(jī)工況考慮，在選用分批再啟動(dòng)技術(shù)作為防晃電措施的前提下，將電動(dòng)機(jī)不斷電群起時(shí)0.4kV母線(xiàn)低壓降的考核指標(biāo)及后續(xù)再起批次低壓降按85%Un校核。

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)（第四版）》，計(jì)算電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)母線(xiàn)電壓。

電動(dòng)機(jī)額定啟動(dòng)容量：

式中：SstM代表電機(jī)啟動(dòng)容量，MVA；SrM代表電機(jī)額定容量，MVA；Kst代表電機(jī)啟動(dòng)電流倍數(shù)，高效能電機(jī)一般按8～12考慮。

根據(jù)DL-T5153《火力發(fā)電廠(chǎng)廠(chǎng)用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[4]，快速切換（切換總時(shí)間小于0.8s）時(shí)電機(jī)啟動(dòng)倍數(shù)Kst取2.5，變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)倍數(shù)Kst取2.5，慢速切換時(shí)（切換總時(shí)間大于0.8s）電機(jī)啟動(dòng)倍數(shù)Kst取5。

啟動(dòng)回路的額定輸入容量：

式中：Sst代表啟動(dòng)回路的額定輸入容量，MVA；SstM代表電機(jī)啟動(dòng)容量，MVA；Xl代表線(xiàn)路電抗，Ω；Uav代表系統(tǒng)平均電壓，kV。

啟動(dòng)過(guò)程中母線(xiàn)電壓：

式中：ust%代表母線(xiàn)電壓壓降百分?jǐn)?shù)，無(wú)量綱；us代表電源母線(xiàn)電壓相對(duì)值，取1.05；Skm代表母線(xiàn)短路容量，MVA；Qfh代表預(yù)接無(wú)功負(fù)荷，Mvar；Sst代表啟動(dòng)回路的額定輸入容量，MVA。

為簡(jiǎn)化分析，電機(jī)饋出電纜忽略不計(jì)，啟動(dòng)回路的額定輸入容量等于電動(dòng)機(jī)額定啟動(dòng)容量，啟動(dòng)前6kV母線(xiàn)電壓為1.05p.u。0.4kV“0”批次啟動(dòng)母線(xiàn)電壓設(shè)定以中壓電壓降為參考，“1” 批次啟動(dòng)母線(xiàn)電壓設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)為0.9p.u ，“2”、“3”批次啟動(dòng)母線(xiàn)電壓設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)為0.95p.u；中壓功率因數(shù)按0.85核準(zhǔn)。

3 計(jì)算實(shí)例

以某公司重整裝置為列，采用電壓、電流鉗制法對(duì)電機(jī)分批再啟動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

（1）通過(guò)Digsilent建模，核算重整裝置變電所中低壓側(cè)系統(tǒng)短路容量及6kV、 0.4kV各進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)保護(hù)定值，如表2、表3。

表2 高低壓母線(xiàn)短路容量

表3 繼電保護(hù)定值參數(shù)

（2）重整裝置系統(tǒng)參數(shù)，變電所設(shè)35/6 20000kVA變壓器2臺(tái)，6kV母線(xiàn)Ⅰ母和Ⅱ母單母線(xiàn)分段。變電所設(shè)8段0.4kV母線(xiàn)，其中Ⅰ、Ⅱ母線(xiàn)變壓器容量2×1250kVA，Ⅲ、Ⅳ母線(xiàn)變壓器2×2000kVA，Ⅴ、Ⅵ母線(xiàn)變壓器容量2x1600kVA，Ⅶ、Ⅷ母線(xiàn)變壓器2×2000kVA。Ⅰ、Ⅱ，Ⅲ、Ⅳ，Ⅴ、Ⅵ，Ⅶ、Ⅷ母線(xiàn)各為單母線(xiàn)分段，如圖3。

圖3 重整裝置變電所高低壓負(fù)荷示意圖

3.2 壓降計(jì)算（以I 段系統(tǒng)為例）

仿真設(shè)置：1s線(xiàn)路發(fā)生三相故障；1.35s進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)跳閘，故障切除，6kV快切動(dòng)作，1.4s分段開(kāi)關(guān)合閘，低壓備自投未動(dòng)作，低壓電機(jī)除“0”批次未跳停外，其它電機(jī)均跳停，跳停電機(jī)按2.35s 1批次，3.35s 2批次，4.35s 3批次啟動(dòng)。

（1）高壓母線(xiàn)。

再啟動(dòng)容量SstM=Kst×SrM，Kst快速切換取2.5，SrM電動(dòng)機(jī)總的額定功率/功率因數(shù)。

I段啟動(dòng)容量：SstM= Kst×SrM=2.5×4.64=11.6（MVA）。

I段母線(xiàn)壓降：

（2）低壓母線(xiàn)。

I段低壓母線(xiàn)壓降（除本段“0”批次電機(jī)外其它電機(jī)均跳停）：

ust%（0低）=92.7%×23.83/（23.83+0.15+0.69）=89.7%

I段第一批啟動(dòng)母線(xiàn)壓降：

ust%（1低）=90%×23.83/（23.83+0.24+5×X1×1.25）≥85%

其中X1為第一批啟動(dòng)電機(jī)總?cè)萘浚に囈笠慌螁?dòng)電機(jī)總?cè)萘繛?50kVA，ust%（1低）=86%，若滿(mǎn)足壓降要求，X1≤188 kVA。

I段第二批啟動(dòng)母線(xiàn)壓降：

ust%（2低）=95%×23.83/（23.83+0.32+5×X2×1.25）×100≥85%

其中X2為第二批啟動(dòng)電機(jī)總?cè)萘?，工藝要求二批次啟?dòng)電機(jī)總?cè)萘繛?32kVA，ust%（2低）=91%，若滿(mǎn)足壓降要求，X1≤400 kVA。

ust%（3低）=95%×23.83/（23.83+0.32+5×X3×1.25）×100≥85%

其中X3為第三批啟動(dòng)電機(jī)總?cè)萘浚に囈笕螁?dòng)電機(jī)總?cè)萘繛?kVA，ust%（3低）=94.4%，若滿(mǎn)足壓降要求，X1≤450 kVA。

根據(jù)以上計(jì)算，將計(jì)算最大啟動(dòng)容量與工藝要求啟動(dòng)容量數(shù)據(jù)共同列于表4，比便于比較。

表4 I 段計(jì)算最大啟動(dòng)容量與工藝要求啟動(dòng)容量對(duì)比

根據(jù)工藝要求啟動(dòng)容量，核算分批次啟動(dòng)過(guò)程中的啟動(dòng)電流，均躲過(guò)進(jìn)線(xiàn)電流過(guò)流值，如表5。

表5 中低壓各批次最大啟動(dòng)電流

4 計(jì)算結(jié)果與Digsilent 仿真模型數(shù)據(jù)對(duì)比

為驗(yàn)證3.2結(jié)果正確性，根據(jù)工藝要求啟動(dòng)負(fù)荷容量進(jìn)行Digsilent仿真。

在系統(tǒng)電壓為1.05倍額定電壓情況下，6kV及0.4kV I段母線(xiàn)電壓波動(dòng)情況如圖4。發(fā)現(xiàn)利用電壓電流鉗制法計(jì)算結(jié)果和Digsilent仿真結(jié)果存在一定誤差，見(jiàn)表6。主要原因如下：

表6 計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果比較

圖4 分批啟動(dòng)中低壓I段電壓波動(dòng)

（1）“0”批次，計(jì)算值高于仿真值，在于計(jì)算值僅考慮故障后機(jī)組啟動(dòng)引起壓降，而仿真值為帶三相故障模擬母線(xiàn)電壓壓降，故障下連續(xù)擾動(dòng)，故障清除后母線(xiàn)電壓并未恢復(fù)到正常電壓，故障壓降苛刻于啟動(dòng)壓降。

（2）1、2、3批次，計(jì)算值低于仿真值，在于計(jì)算值核算批次啟動(dòng)時(shí)電壓初始值為前一批次壓降值，而不是實(shí)際電壓恢復(fù)值，啟動(dòng)電壓條件較仿真模擬苛刻。

5 結(jié)束語(yǔ)

石化企業(yè)不僅要加強(qiáng)供電系統(tǒng)安全可靠管理，同時(shí)應(yīng)考慮電機(jī)再啟動(dòng)技術(shù)作為系統(tǒng)故障后最直接、有效的應(yīng)急補(bǔ)救措施。電機(jī)分批再啟動(dòng)科學(xué)計(jì)算分析尤為重要，很大程度上決定啟動(dòng)方法和技術(shù)是否成功，采用電壓、電流鉗制法對(duì)電機(jī)分批再啟動(dòng)進(jìn)行核校計(jì)算，思路清晰，核校簡(jiǎn)單，不失為一種高效的工程實(shí)用算法，為分批再啟動(dòng)技術(shù)研究提供理論基礎(chǔ)，且有效提供了可操作的工程實(shí)踐，發(fā)揮其應(yīng)有價(jià)值。