EDSA在油田大功率异步电动机起动计算中的应用

李宝云 田川 周佳丽 李向光

（1. 中国石油工程设计有限公司华北分公司，河北 任丘 062552；2. 中国石油集团华北石化公司，河北 任丘 062552）

大功率异步电动机一般指几百至几千千瓦的电动机，其一般采用 10kV配电。大功率电动机的起动一般会对电网产生影响。

电动机起动方式有三种：直接起动、软起动和变频起动。《超大型电动机起动方法之比较》中对于不同电动机起动方式的优缺点进行了比较，本文借鉴如下：

直接起动简便可靠，投资省，应优先采用，但由于起动电流大，引起公用母线上的电压波动也大。大功率电动机直接起动有一系列危害，具体如下：

1）大型电动机起动电流非常大，一般可达额定电流的7倍并且起动过程中功率因数非常低，以致影响相邻电动机正常运行，使其因电压过低堵转甚至停转直至退出运行，增加输配电系统中的附加损耗，进一步扩大不良影响。同时过大的起动电流还会使电动机绕组发热，加速绝缘老化，影响电动机使用寿命。

2）直接起动时的起动转矩大约为额定转矩的2倍，巨大的力矩突然加在静止的机械设备上，加速齿轮磨损甚至打、加速皮带磨损甚至拉断皮带、加速风叶疲劳甚至折断风叶等。

3）直接起动产生的大电流会增加系统继电保护整定和配合难度，并且会伤害电动机绝缘，降低电动机寿命。直接起动还会造成电网频率变化的变化，影响系统稳定。

4）直接全压起动还会在高压开关关合时产生很大的操作过电压，造成定子绕组电压分布不均匀，造成绝缘损害。

软起动和变频起动均不存在以上问题。软起动器，通过控制内部晶闸管的导通角，使电动机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，此时电动机全电压。软起动时电压由零慢慢提升至额定电压，这样起动过程中的起动电流由过载冲击电流不可控升级为可控制，并可根据需要调节起动电流的大小，电动机起动全过程不存在冲击转矩。待电动机达到额定转速时，起动过程结束，利用旁路接触器取代晶闸管，为电动机正常运行提供额定电压，提高工作效率，避免谐波污染。

变频起动把电网 50Hz恒定频率的交流电变成频率可调的交流电，其主要特点是高效的驱动性能和良好的控制特性。

本文通过国外某油田实际工程计算分析不同起动方式对于系统的影响，利用软件对实际工程应用仿真，从而验证软起动及变频起动的优越性，从而为软起动的选择奠定理论基础。

1 系统简介及仿真

项目中应用EDSA（Paladin Design Base）进行仿真模拟计算，EDSA是世界顶级的电力系统设计和仿真分析软件平台，具有强大的数据库，可以根据不同工况，进行短路电流计算、潮流分析、电动机起动计算、保护整定等仿真，用户根据仿真结果对电力系统进行各种分析和优化，并帮助电气工程师提升设计质量，兼顾安全性和经济性，杜绝后续建设和维护中可能出现的损失和隐患。EDSA在石油化工等工程设计领域具有很好的应用，它是电力系统设计、模拟、分析、运行、控制、优化和自动化的最全面的分析平台，它能基于IEC等标准进行计算，计算结果有很高的权威性。

笔者参与的乍得某油田中，配备5台5.5MW内燃发电组，电压等级为11kV，主要负责给11kV电动机、2台11/33 kV 20000kVA升压变压器和2台11/0.4kV 2500kVA降压变压器供电。其中中压电动机主要包括外输泵（P-112240 3000kW）、注水泵（0140-P-3011A 700kW）、消防泵（0140-P-3008 200kW）、压缩机（K-113210 800kW）等，最大一台外输泵电动机功率为 3000kW。笔者利用 EDSA搭建系统模型，单线图如图1所示。燃气轮机发电站靠近油田建设，供电电缆采用 8.7/15 3Cx240mm2 Cu/XLPE/SWA/PVC电缆，供电距离 50m，由于本系统不接入外网，不用考虑功率因数问题，因此无中压无功补偿单元，为控制变压器容量，只进行低压补偿。

系统中，0.4kV，11kV和33kV，均采用单母线分段方式，正常运行时，分段断路器均处于断开状态。电动机不同的起动方式对电动机本身、母线及其他电气设备影响是不同的。本计算均在系统正常运行状态下完成的。

图1 系统单线图

EDSA具有强大的软件数据库，在此运用的是其中的电动机起动分析，分析电动机分别在直接起动，软起动，变频起动等条件下的起动电流大小，以及不同起动方式对于母线压降及其他设备压降的影响。

按系统单线图在软件中搭建模型，工程中所涉及到的发电动机组、变压器、电动机等元器件均采用材料库中相对应设备，各个参数设置参照实际工程中应用。对于实际应用中，供电距离较短的电动机等负荷，由于供电电缆阻抗较小，对系统影响可忽略不计，因此此部分电缆可不设置。

33kV侧下端负荷不是电动机起动分析部分，在此对下游负荷选择为一般负载，容量为变压器容量的80%，其选择界面如图2所示。

图2 33kV负载选择

电动机选择及设置界面如图3所示。

由于EDSA中对于软起动器和变频器模块的局限性，一般通过起动电流倍数的设置来界定不同起动方式。如图3所示，EDSA中通过设置LRA/FLA来体现。电动机直接起动时，起动电流倍数一般为6.5倍，因此 LRA/FLA设置为 6.5；软起动时，起动电流倍数一般为 3.5倍，因此 LRA/FLA设置为3.5；变频起动时，起动电流倍数一般为1.0倍，因此LRA/FLA设置为1.0。其他参数可利用默认参数或参照样本选择。

图3 电动机不同起动方式设置及次暂态电抗选择

在电动机起动的开始阶段，电压骤降会对附近的其他负载造成扰动，这种干扰可能是：光线变化，X光照片的损失，高达15%的电压骤降的通电线圈退出，如电脑等敏感设备的断电，因此程序计算的目的就是给出一个可以查看的节点电压变化，以便可以做出理论的判断，并做出相应的措施来减少电压波动的影响。工程中 0.4kV侧电动机容量均＜150kW，对系统影响较小，在此不予考虑。

本文应用快速解耦法进行计算，最大迭代次数默认为1000，设置界面如图4所示。

图4 电动机计算方式选择

1.1 直接起动

3000kW外输泵电动机（P-112240）直接起动，系统计算压降如图5所示。

图5 外输泵电动机直接起动压降

从图5中，可以看出外输泵电动机（P-112240）直接起动时压降为7.98%，对11kV母线（11BS01）造成的压降为7.23%，对33kV（33BS01）母线造成的压降为9.92%，对0.4kV（0.4BS01）母线造成的压降为7.63%，对相邻压缩机（K-113210 800kW）电动机造成压降为 7.3%，注水泵（0140-P-3011 700kW）电动机造成压降为7.31%。

1.2 软起动

所谓软起动，指按照预先制定的模式控制起动过程中电压，由较低值平滑上升到全压，使电动机轴上转矩匀速增加，从而达到起动特性变软。系统计算压降如图6所示。

从图6中，可以看出外输泵电动机（P-112240）软起动时压降为 4.45%，对 11kV母线（11BS01）造成的压降为4.04%，对33kV（33BS01）母线造成的压降为6.63%，对0.4kV（0.4BS01）母线造成的压降为4.32%，对相邻压缩机（K-113210 800kW）电动机造成压降为 4.11%，注水泵（0140-P-3011 700kW）电动机造成压降为4.12%。

1.3 变频起动

变频起动通过变频器实现，可以将起动电流控制在额定电流以内，有效控制电流对电网的浪涌冲击以及机械冲击，为电动机的稳定运行提供保障，降低电动机的维护成本。系统计算压降如图7所示。

图7 外输泵电动机变频起动压降

从图7中，可以看出外输泵电动机（P-112240）变频起动时压降为1.34%，对11kV母线（11BS01）造成的压降为1.22%，对33kV（33BS01）母线造成的压降为3.73%，对0.4kV（0.4BS01）母线造成的压降为1.41%。对相邻压缩机（K-113210 800kW）电动机造成压降为 1.29%，注水泵（0140-P-3011 700kW）电动机造成压降为1.30%。

通过三种不同起动方式，可以看出，直接起动方式对电网冲击最大，软起动方式次之，变频起动最小。

2 结论

通过计算数据，我们可以看出直接起动虽然没有造成系统的失稳（规范规定，电动机起动时，在配电系统中引起的压降不能妨碍其他用电设备的工作，即电动机频繁起动时配电母线上的电压不能低于系统标称电压的90%），但其起动电流较大，对给电网带来很大的冲击，因此需要考虑采用软起动器或变频器来降低电动机起动对电网的影响。变频起动产生的压降最小，软起动器处于两者之间，但变频起动一次性投入较高，且结构相对复杂，维护费用较高，变频起动用于短时的电动机起动，其一次投资与收益严重不平衡。软起动器可消除高次谐波稳定线路电压，且造价较低，对系统产生影响较小，并且可整定电动机起动电流，减小对设备的冲击，降低母线电压的下降程度，从而提高系统运行稳定性，由于软起动启停时间可调，对一般设备可实现平稳起停，因此对提高设备的稳定性，减轻对电动机及被拖动设备的冲击都有一定的作用。因此我们选择软起动器作为 3000kW 中压电动机的起动装置。

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