中压异步电动机的全压起动分析

李旭阳

（北京卓晟云峰科技有限公司，北京 102600）

电动机作为石化工程中常用的电气设备，其耗电量占到工业总用电量的60%到70%，尤其中压大功率电动机直接起动时，瞬时起动电流较大，会对系统稳定性造成影响，如电网电压下降，将影响其他用电设备的正常运行，可能使欠压保护动作，严重时有可能造成电源中断。故进行电动机的起动校验分析，合理地选择方案，对电力系统的安全稳定运行非常重要。

1 项目介绍

本项目渣油加氢处理装置中反应贫胺液泵配套的中压异步电动机为10kV、5000kW，其所在电网由1座220kV变电所作为全厂的总电源，带4座110kV变电所，其中一座含柴油发电机组。110kV网络下有11座35kV变电所，本电动机所在变电所即为其中一座。220kV总变由电力院负责设计，并提供其110kV母线上的最小短路电流，作为下游变电所短路计算及电机起动计算的根据。全厂供电系统单线图如图1所示。

图1 全厂供电系统单线图

1.1 电网主要参数

（1）220kV变电所110kV母线处最小运行方式下的短路电流：I″k1=10.277kA；

（2）110kV变压器电源电缆：ZA-YJLW03-Z-64/110kV-3*(1×800)mm2、1根、长度1.5km；

（3）35kV变压器电源电缆：ZA-YJV22-26/35kV-3×240mm2、1根、长度0.87km；

（4）电动机动力电缆：ZA-YJV22-8/15kV-3×150+1x95mm2、2根、长度0.5km；

（5）110kV变压器：额定容量150MVA、短路阻抗12%、容差5%、空载损耗49.5kW、负载损耗412kW；

（6）35kV变压器：额定容量16MVA、短路阻抗8%、容差5%、空载损耗6.7kW、负载损耗59.2kW；

（7）中压异步电动机：额定功率5000kW、额定电压10kV、额定电流337.8A、功率因数0.88、效率0.971、起动电流倍数6、起动转矩倍数0.6；

（8）动设备：反应贫胺液泵（离心式），静阻转矩相对值为0.3。

2 电动机的起动计算

根据《GB/T15544.1-2013三相交流系统短路电流计算第1部分：电流计算》及《工业与民用供配电设计手册》计算出如下数据：

（1）最小运行方式下的短路电流

35kV母线处最小短路电流I″k2=12.150kA；35kV变压器高压侧最小短路电流I″k3=11.467kA；10kV母线处最小短路电流I″k4=7.929kA；

（2）35kV变压器高压侧最小运行方式下短路容量Ssc

Usc为变压器高压侧系统电压等级；

（3）各元件计算容量

ST为35kV变压器计算容量；SrT为35kV变压器额定容量；uk%为35kV变压器阻抗电压相对值；

S1为电动机线路计算容量；Uav为电动机所在系统电压等级；X1为电动机线路电抗；

SstM为电动机额定起动容量；SrM为电动机额定容量；ksT为电动机额定起动电流倍数；

（4）10kV母线短路容量SscB

（5）电动机起动回路的计算容量Sst

（6）电动机全压起动时10kV母线处的电压相对值ustB

QL为预接负荷的无功功率；SL为预接负荷；cosφL为系统功率因数（本系统经无功补偿后的功率因数为0.95）；

（7）电动机全压起动时电动机端子处的电压相对值ustM

2.1 ETAP软件验算

通过ETAP软件对如上电动机的全压起动进行验算，提供两种模型的构建方式。

方式一：依照全厂供电系统单线图构建，将110kV母线上游系统作为等效电网。由110kV母线处的最小运行方式下的短路电流10.277kA计算出其短路容量为1958.0315MVA，以此作为配电系统的基础数据进行ETAP模型的搭建。如图2所示。

图2 ETAP模型一

方式二：将35kV变压器上游系统作为等效电网。由式（1）可知35kV变压器高压侧最小运行方式下的短路容量为695.15MVA，以此作为配电系统的基础数据进行ETAP模型的搭建。如图3所示。

图3 ETAP模型二

经ETAP软件模拟电动机的全压起动，得出结果如表1所示：

表1 模拟电动机的全压起动结果

通过ETAP软件构建两种模型得出的结果，与手动计算结果相差无几。

2.2 电动机的起动分析

根据《GB50055-2011通用用电设备配电设计规范》关于电动机起动要求对本项目电动机的起动进行分析校验。

（1）电动机起动时应保证不妨碍其运行母线上其他用电设备的工作，本项目适用于电动机所在10kV母线的电压不得低于额定电压的85%。

由式（7）得知电动机全压起动时10kV母线处的电压相对值为81.03%<85%,不满足母线电压要求。

（2）电动机起动时应保证电动机的起动转矩满足其所拖动的机械要求

u·stM为满足离心泵静阻转矩所需的电动机端最低起动电压；ms为离心泵静阻转矩相对值（取0.3）；mstM为电动机起动转矩相对值；

由式（9）得知全压起动时电动机端子处的电压相对值为80.38%>71.25%,满足起动转矩要求。

在全压起动时，虽然起动转矩可以满足负载的要求，但其对配电母线造成的电压降影响了其他用电设备的工作。所以，不建议在目前的电力系统配置下对此台电动机采取直接起动。

2.3 电动机全压起动方案

考虑到软起动器和变频器操作较为复杂，投资费用较高，且工艺专业并未提出调速要求，所以不将软起动器及变频器作为本项目的首选方案。

结合本项目实际情况仍考虑采用全压起动，通过如下措施进行校验。

2.3.1 方案一

（1）提高35kV变压器电源电缆截面

因相邻截面间电缆的阻抗值差异不大，且考虑到路由较远，单纯地增大电缆截面所产生的费用也较高，所以暂不在此方面进行调整。

（2）降低变压器短路阻抗值

变压器制造单位反馈若将短路阻抗降低至7%以下，不能保证1级能效的要求，且对铁芯的材质要求较高，相应的经济成本也会大幅度攀升，除特殊要求外，不建议使短路阻抗偏离标准值过多。

变压器短路阻抗值按7%进行验算，对比结果如表2所示：

表2 降低变压器短路阻抗值

分别较之前提升了约1.5%，但不能满足电动机全压起动要求。

（3）提高变压器额定容量

将变压器额定容量提高一级至20MVA进行计算，对比结果如表3所示：

分别较之前提升了约2.5%，但也未能满足电动机全压起动的要求。

（4）提高变压器额定容量并降低其短路阻抗值

即选用额定容量为20MVA、短路阻抗为7%、容差5%的变压器进行校验，对比结果如表4所示：

表4 提高变压器额定容量并降低其短路阻抗值

分别较之前提升了约3.7%，仍不满足电动机全压起动要求。

（5）降低电动机起动电流倍数

经与电动机制造单位交流，得出将起动电流降至额定电流的5.5倍，从制造成本及技术难度方面均可接受。若调至5.5倍以下，不能保证电动机的起动转矩可以维持目前的水平。

以电动机起动电流为5.5倍的额定电流进行验算，对比结果如表5所示：

表5 降低电动机起动电流倍数

分别较之前提升了约1.3%，不能满足电动机全压起动的要求。

（6）提高变压器额定容量、降低其短路阻抗值并降低电动机起动电流倍数

选用额定容量为20MVA、短路阻抗为7%、容差5%的变压器、电动机起动电流为5.5倍，进行校验的对比结果如表6所示：

表6 调整前后结果对比

此种方式下的配电母线电压相对值及电动机端电压相对值，均满足电动机全压起动的要求。

2.3.2 方案二

采用单独的变压器-电动机组。

根据《钢铁企业电力设计手册》，由单独变压器供电的电动机，起动时电压降的允许值由生产机械所要求的起动转矩决定。

笼型异步电动机允许全压起动的功率不大于变压器额定容量的80%，则拟选用额定容量为10MVA的35kV变压器，短路阻抗8%、容差5%、空载损耗4.8kW、负载损耗40.8kW。由此计算可得：

（1）35kV母线处的电压相对值为96.51%>85%，满足2.2第1条要求；

（2）电动机端子处的电压相对值为73.75%>71.25%，满足离心泵静阻转矩所需的电动机端最低起动电压的要求。

该方案满足各项设计要求。

3 结论

通过上述分析，2.3.1方案一中的第6种措施与2.3.2方案二均可满足技术方面的要求，但考虑到经济成本，“提高变压器额定容量、降低其短路阻抗值并降低电动机起动电流倍数”的方式则更为合适。

随着国家经济的高速发展，电力系统的规模越来越大、复杂程度逐步升高。由此，对大型电力系统进行快速、准确的分析计算更能符合目前行业的发展需求。ETAP仿真计算软件对于电力系统的配置、调整及分析对比，可发挥相当大的优势，在今后的项目中可多多应用。