肖建

（中石油大港石化公司，天津 300280）

1 引言

企業(yè)中電動機為主要負荷，占總負荷的80%以上，當電力系統(tǒng)發(fā)生波動的時候，對電動機的運行會造成很大的影響。電動機在正常運轉過程中，如果遇到電網短時（＜3 s）電壓消失或降低，會造成電動機轉速下降，當電壓正常后，電動機又自行加速進入再啟動狀態(tài)，但電動機的再啟動狀態(tài)不同于靜止起動，靜止起動是從轉速為零的狀態(tài)下開始的。電動機再啟動電流就是電動機再啟動過程中，流過電動機定子繞組的線電流。

2 電動機再啟動過程的分析

2.1 異步電動機的等效電路分析

異步電動機定子繞組接三相電源時，定子繞組中流過三相對稱電流，從而在氣隙中產生基波旋轉磁場，其同步轉速n1決定于電網頻率f1和 繞組的極對數(shù)p。異步電動機基本工作原理見圖1。

圖1 異步電動機基本工作原理Fig.1 The basic principle of asynchronous motor

這個基波旋轉磁場在短路的轉子繞組（若是籠型繞組則其本身就是短路的，若是繞線式轉子則通過電刷短路）中感應電動勢并在轉子繞組中產生相應的電流，該電流與氣隙中的旋轉磁場相互作用而產生電磁轉矩Tem。額定功率PN為電動機在額定情況下運行，由軸端輸出的機械功率。額定電壓UN為電動機在額定情況下運行，施加在定子繞組的線電壓。額定頻率f為我國電網頻率為50 Hz。額定電流IN為電動機在額定電壓、額定頻率下軸端輸出額定功率時，定子繞組的線電流。額定轉速nN為電動機在額定電壓、額定頻率、軸端輸出額定功率時，轉子的轉速，單位為r/min。

對三相異步電動機，額定功率

式中：ηN為額定運行時效率，COSφN為額定運行時的功率因數(shù)。

異步電動機等效電路見圖2。

圖2 異步電動機等效電路Fig.2 The equivalent circuit of motor

等效電路

電磁功率

電磁轉矩

式中：R1，R2分別為定、轉子電阻；X1σ，分別為定、轉子漏電抗；s為轉子轉差；Rm，Xm分別為勵磁電阻和勵磁電抗；U1為機端電壓；m為定子相數(shù)。

由電磁功率Pem（或電磁轉矩Tem）的表達式可知：Pem（或Tem）正比于電動機端電壓U1的平方，當端電壓U1下降時，電磁功率或電磁轉矩將急劇下降。

2.2 異步電動機轉矩與電壓、轉速的關系

異步電動機轉矩與電壓、轉速的關系見圖3。

圖3 異步電動機轉矩與電壓、轉速的關系Fig.3 Torque，speed and voltage relationship of motor

圖3 中，Me*為轉軸上輸出的驅動轉矩；Mm為恒定負載轉矩；Memax為最大驅動轉矩。

如果U*下降到某一數(shù)值時，恰好使電動機的最大轉矩等于額定負載轉矩，則此電壓稱為臨界電壓Ucr*，即

于是

對廠用電動機，規(guī)定電動機正常起動時，廠用母線電壓的最低允許值為額定電壓的80%；電動機端電壓最低值為額定電壓的70%。再啟動時雖然電動機的電磁轉矩隨電壓的下降而立即下降，而由于慣性，電動機的轉速在短時間內未有很大降低，故再啟動時，廠用母線電壓的最低限值規(guī)定得比正常起動時稍低一些。

2.3 異步電動機再啟動過程的分析

當發(fā)生短路故障時，電動機端電壓降低，電動機電磁轉矩平方倍下降，電機轉速降低是這時的主要特點，電機逐漸降速的過程稱為“惰行”。如果電壓不恢復，電動機將停轉；如果電壓恢復，電動機可能恢復到額定轉速，也可能繼續(xù)降速而停轉。只要恢復供電后的電壓還能保持使電動機的電磁轉矩大于負載轉矩水平，電動機就能夠順利的再啟動，一直恢復到額定轉速，繼續(xù)正常運轉。

3 電動機再啟動對系統(tǒng)電流、電壓的影響

3.1 電動機起動電流與轉速的關系

電動機電流與轉速的關系見圖4。其中1 為單鼠籠；2 為深槽鼠籠；3 為雙鼠籠。

圖4 電動機電流與轉速的關系

1）當電壓恢復時，電動機相當于重新起動，將流過再啟動電流。而再啟動電流的大小與重新加上電壓的瞬間電動機的轉差以及此時電壓的大小有關。

2）再啟動時，電動機轉速低，轉差大，由異步電動機等值電路可知：此時電動機總阻抗小，因而再啟動時電流大。

3）電壓恢復時間越長，電動機惰行時間越長，轉速降低越多，再啟動電流越大。

3.2 電動機再啟動電流的計算

當異步電動機直接投入電網起動時，在t=0時刻，n=0，s=1。異步電動機對電網呈現(xiàn)短路阻 抗Zk，流過它的穩(wěn)態(tài)電流稱為起動電流。利用簡化等效電路，并忽略勵磁支路，則異步電動機的起動電流（相電流）為

一般籠型異步電動機Zk*=0.14～0.25，在額定電壓（U1*=1）下直接起動，Ist*=4～7，即起動電流倍數(shù)

異步電動機的起動電流（靜止起動）約為額定電流的4～7 倍，再啟動電流小于靜止起動電流，再啟動的起動電流約為靜止起動電流的60%～70%，當電網電壓降低或消失時間小于3s 時，電動機再啟動的沖擊電流可按2～4 倍額定電流計算。

3.3 石化企業(yè)電動機再啟動對母線電壓的影響

石化企業(yè)的電力系統(tǒng)是一個典型的受端電網，隨著石化企業(yè)受電功率和受電比率的不斷增加，動態(tài)無功電源缺乏日趨嚴重。在電網的電壓穩(wěn)定問題上，首先要分析一下石化企業(yè)的負荷特性：電網中工業(yè)電動機負荷占的比率大于80%，當母線電壓恢復至80%額定電壓以上時，1.6 倍以上起動轉矩倍數(shù)的電動機可恢復運行，但啟動電流較大，啟動沖擊電流約為額定電流的2～4 倍。事故低電壓時，電動機負荷易引起低電壓釋放，這對電網提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平有一定幫助。

以某石化電力系統(tǒng)為例，計算在電網晃電時電機再啟動的沖擊電流造成電網的電壓降：

系統(tǒng)參數(shù)：主變?yōu)? 卷變壓器：110 kV/35 kV/6 kV，容量63 000 kV?A/110 kV，63 000 kV?A/35 kV，63 000 kV?A/6 kV；35 kV 固有負荷為12 000 kW，再啟動負荷18 000 kW；6 kV 固有負荷為4 000 kW，再啟動負荷6 000 kW。

35 KV、6 KV 側母線電壓降計算：

式中：Uqm為電機啟動時母線電壓；SKM為母線短路容量；S"為供電變壓器一次側短路容量；SrT為供電變壓器額定容量（取63 000 kV?A）；ST為變壓器額定容量（取63 000 kV?A）；Qfh為預接負荷的無功功率，Mvar；Srm為電動機額定容量側P：18 MW；6 kV 側P：6 MW；cosΦ：0.88）；Sq為電動機啟動時，啟動回路的輸入容量；Sqm為電動機額定容量 MV?ASqm=Kq×Srm（Kq啟動倍數(shù)取2 倍）；XL為電纜及導線電抗銅（0.07+6.3/S）L（XL取0.08）；Um為母線標稱電壓 37 kV /6.3 kV；XT為供電變壓器的電抗相對值（35 kV：14%；6 kV：22%）。

通過上式計算可知：2 倍起動時，35 kV 母線壓降：

2 倍起動時，6 kV 母線壓降：

當電力系統(tǒng)晃電時，電動機群起造成系統(tǒng)電壓下降，35 kV 系統(tǒng)電壓下降最低為81.2%＞80%，由圖3 可知，能夠滿足電動機轉矩與電壓的平衡關系，可以保證電動機的順利再啟動。

圖5 為某石化110 kV 線路晃電1.3 s，電動機群起產生的電流電壓波形圖。

圖5 系統(tǒng)晃電過程35 kV/6 kV 電壓、電流波形Fig.5 System shaking process35 kV/6 kV voltage,current waveform

110 kV 側全部負荷為20 000 kW；6 kV 側再啟動負荷約為5 000 kW； 35kV 側再啟動負荷約為10 000 kW。表1 為系統(tǒng)來電后，不同時限各母線段電壓、電流比。

表1 系統(tǒng)來電后，不同時限各母線段電壓、電流比Tab.1 System recovery in different time of voltage，current ratio

4 結論

通過以上分析可知，石化企業(yè)屬于負荷密集型企業(yè)，電力系統(tǒng)的波動會造成企業(yè)負荷的大量損失，同時大量電動機的再啟動產生較大的沖擊電流，電流中的無功分量比例較大，約占總電流的60% 以上。由于無功功率的大量缺失，造成系統(tǒng)電壓的降低，電壓下降量的多少，又決定了系統(tǒng)中電動機再啟動的最大容量，當再啟動容量過大，再啟動過程中造成系統(tǒng)電壓過低，會造成電動機電磁轉矩小于負荷的額定轉矩，導致電動機轉速繼續(xù)下降以致停運。對于石化類企業(yè)計算電機再啟動時的電壓降至關重要，以母線電壓80%～85%Un為基準，反推可計算出電力系統(tǒng)在晃電時最大再啟動容量，以此來保證石化企業(yè)電力系統(tǒng)在晃電過程的平穩(wěn)過渡和安穩(wěn)運行。

［1］尹克寧.電力工程.北京：水利電力出版社，1987.

［2］中國航空工業(yè)規(guī)劃設計研究院.工業(yè)與民用配電設計手冊，北京.中國電力出版社，2005.

［3］張修正.化工廠電氣手冊.北京：化學工業(yè)出版社，1994

［4］化工部電氣設計技術中心.煉油化工電力設計手冊（試用稿），北京：化學工業(yè)出版社，1989.

［5］手冊編委會.電氣工程師手冊.北京:機械工業(yè)出版社，1987.