李寶云 田川 周佳麗 李向光

（1. 中國石油工程設(shè)計(jì)有限公司華北分公司，河北 任丘 062552；2. 中國石油集團(tuán)華北石化公司，河北 任丘 062552）

大功率異步電動(dòng)機(jī)一般指幾百至幾千千瓦的電動(dòng)機(jī)，其一般采用 10kV配電。大功率電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)一般會對電網(wǎng)產(chǎn)生影響。

電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式有三種：直接起動(dòng)、軟起動(dòng)和變頻起動(dòng)?！冻笮碗妱?dòng)機(jī)起動(dòng)方法之比較》中對于不同電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，本文借鑒如下：

直接起動(dòng)簡便可靠，投資省，應(yīng)優(yōu)先采用，但由于起動(dòng)電流大，引起公用母線上的電壓波動(dòng)也大。大功率電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)有一系列危害，具體如下：

1）大型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流非常大，一般可達(dá)額定電流的7倍并且起動(dòng)過程中功率因數(shù)非常低，以致影響相鄰電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行，使其因電壓過低堵轉(zhuǎn)甚至停轉(zhuǎn)直至退出運(yùn)行，增加輸配電系統(tǒng)中的附加損耗，進(jìn)一步擴(kuò)大不良影響。同時(shí)過大的起動(dòng)電流還會使電動(dòng)機(jī)繞組發(fā)熱，加速絕緣老化，影響電動(dòng)機(jī)使用壽命。

2）直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大約為額定轉(zhuǎn)矩的2倍，巨大的力矩突然加在靜止的機(jī)械設(shè)備上，加速齒輪磨損甚至打、加速皮帶磨損甚至拉斷皮帶、加速風(fēng)葉疲勞甚至折斷風(fēng)葉等。

3）直接起動(dòng)產(chǎn)生的大電流會增加系統(tǒng)繼電保護(hù)整定和配合難度，并且會傷害電動(dòng)機(jī)絕緣，降低電動(dòng)機(jī)壽命。直接起動(dòng)還會造成電網(wǎng)頻率變化的變化，影響系統(tǒng)穩(wěn)定。

4）直接全壓起動(dòng)還會在高壓開關(guān)關(guān)合時(shí)產(chǎn)生很大的操作過電壓，造成定子繞組電壓分布不均勻，造成絕緣損害。

軟起動(dòng)和變頻起動(dòng)均不存在以上問題。軟起動(dòng)器，通過控制內(nèi)部晶閘管的導(dǎo)通角，使電動(dòng)機(jī)輸入電壓從零以預(yù)設(shè)函數(shù)關(guān)系逐漸上升，直至起動(dòng)結(jié)束，此時(shí)電動(dòng)機(jī)全電壓。軟起動(dòng)時(shí)電壓由零慢慢提升至額定電壓，這樣起動(dòng)過程中的起動(dòng)電流由過載沖擊電流不可控升級為可控制，并可根據(jù)需要調(diào)節(jié)起動(dòng)電流的大小，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)全過程不存在沖擊轉(zhuǎn)矩。待電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，起動(dòng)過程結(jié)束，利用旁路接觸器取代晶閘管，為電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行提供額定電壓，提高工作效率，避免諧波污染。

變頻起動(dòng)把電網(wǎng) 50Hz恒定頻率的交流電變成頻率可調(diào)的交流電，其主要特點(diǎn)是高效的驅(qū)動(dòng)性能和良好的控制特性。

本文通過國外某油田實(shí)際工程計(jì)算分析不同起動(dòng)方式對于系統(tǒng)的影響，利用軟件對實(shí)際工程應(yīng)用仿真，從而驗(yàn)證軟起動(dòng)及變頻起動(dòng)的優(yōu)越性，從而為軟起動(dòng)的選擇奠定理論基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)簡介及仿真

項(xiàng)目中應(yīng)用EDSA（Paladin Design Base）進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，EDSA是世界頂級的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真分析軟件平臺，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫，可以根據(jù)不同工況，進(jìn)行短路電流計(jì)算、潮流分析、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)計(jì)算、保護(hù)整定等仿真，用戶根據(jù)仿真結(jié)果對電力系統(tǒng)進(jìn)行各種分析和優(yōu)化，并幫助電氣工程師提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性，杜絕后續(xù)建設(shè)和維護(hù)中可能出現(xiàn)的損失和隱患。EDSA在石油化工等工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用，它是電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、模擬、分析、運(yùn)行、控制、優(yōu)化和自動(dòng)化的最全面的分析平臺，它能基于IEC等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果有很高的權(quán)威性。

筆者參與的乍得某油田中，配備5臺5.5MW內(nèi)燃發(fā)電組，電壓等級為11kV，主要負(fù)責(zé)給11kV電動(dòng)機(jī)、2臺11/33 kV 20000kVA升壓變壓器和2臺11/0.4kV 2500kVA降壓變壓器供電。其中中壓電動(dòng)機(jī)主要包括外輸泵（P-112240 3000kW）、注水泵（0140-P-3011A 700kW）、消防泵（0140-P-3008 200kW）、壓縮機(jī)（K-113210 800kW）等，最大一臺外輸泵電動(dòng)機(jī)功率為 3000kW。筆者利用 EDSA搭建系統(tǒng)模型，單線圖如圖1所示。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電站靠近油田建設(shè)，供電電纜采用 8.7/15 3Cx240mm2 Cu/XLPE/SWA/PVC電纜，供電距離 50m，由于本系統(tǒng)不接入外網(wǎng)，不用考慮功率因數(shù)問題，因此無中壓無功補(bǔ)償單元，為控制變壓器容量，只進(jìn)行低壓補(bǔ)償。

系統(tǒng)中，0.4kV，11kV和33kV，均采用單母線分段方式，正常運(yùn)行時(shí)，分段斷路器均處于斷開狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)不同的起動(dòng)方式對電動(dòng)機(jī)本身、母線及其他電氣設(shè)備影響是不同的。本計(jì)算均在系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下完成的。

圖1 系統(tǒng)單線圖

EDSA具有強(qiáng)大的軟件數(shù)據(jù)庫，在此運(yùn)用的是其中的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)分析，分析電動(dòng)機(jī)分別在直接起動(dòng)，軟起動(dòng)，變頻起動(dòng)等條件下的起動(dòng)電流大小，以及不同起動(dòng)方式對于母線壓降及其他設(shè)備壓降的影響。

按系統(tǒng)單線圖在軟件中搭建模型，工程中所涉及到的發(fā)電動(dòng)機(jī)組、變壓器、電動(dòng)機(jī)等元器件均采用材料庫中相對應(yīng)設(shè)備，各個(gè)參數(shù)設(shè)置參照實(shí)際工程中應(yīng)用。對于實(shí)際應(yīng)用中，供電距離較短的電動(dòng)機(jī)等負(fù)荷，由于供電電纜阻抗較小，對系統(tǒng)影響可忽略不計(jì)，因此此部分電纜可不設(shè)置。

33kV側(cè)下端負(fù)荷不是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)分析部分，在此對下游負(fù)荷選擇為一般負(fù)載，容量為變壓器容量的80%，其選擇界面如圖2所示。

圖2 33kV負(fù)載選擇

電動(dòng)機(jī)選擇及設(shè)置界面如圖3所示。

由于EDSA中對于軟起動(dòng)器和變頻器模塊的局限性，一般通過起動(dòng)電流倍數(shù)的設(shè)置來界定不同起動(dòng)方式。如圖3所示，EDSA中通過設(shè)置LRA/FLA來體現(xiàn)。電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流倍數(shù)一般為6.5倍，因此 LRA/FLA設(shè)置為 6.5；軟起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流倍數(shù)一般為 3.5倍，因此 LRA/FLA設(shè)置為3.5；變頻起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流倍數(shù)一般為1.0倍，因此LRA/FLA設(shè)置為1.0。其他參數(shù)可利用默認(rèn)參數(shù)或參照樣本選擇。

圖3 電動(dòng)機(jī)不同起動(dòng)方式設(shè)置及次暫態(tài)電抗選擇

在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的開始階段，電壓驟降會對附近的其他負(fù)載造成擾動(dòng)，這種干擾可能是：光線變化，X光照片的損失，高達(dá)15%的電壓驟降的通電線圈退出，如電腦等敏感設(shè)備的斷電，因此程序計(jì)算的目的就是給出一個(gè)可以查看的節(jié)點(diǎn)電壓變化，以便可以做出理論的判斷，并做出相應(yīng)的措施來減少電壓波動(dòng)的影響。工程中 0.4kV側(cè)電動(dòng)機(jī)容量均＜150kW，對系統(tǒng)影響較小，在此不予考慮。

本文應(yīng)用快速解耦法進(jìn)行計(jì)算，最大迭代次數(shù)默認(rèn)為1000，設(shè)置界面如圖4所示。

圖4 電動(dòng)機(jī)計(jì)算方式選擇

1.1 直接起動(dòng)

3000kW外輸泵電動(dòng)機(jī)（P-112240）直接起動(dòng)，系統(tǒng)計(jì)算壓降如圖5所示。

圖5 外輸泵電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)壓降

從圖5中，可以看出外輸泵電動(dòng)機(jī)（P-112240）直接起動(dòng)時(shí)壓降為7.98%，對11kV母線（11BS01）造成的壓降為7.23%，對33kV（33BS01）母線造成的壓降為9.92%，對0.4kV（0.4BS01）母線造成的壓降為7.63%，對相鄰壓縮機(jī)（K-113210 800kW）電動(dòng)機(jī)造成壓降為 7.3%，注水泵（0140-P-3011 700kW）電動(dòng)機(jī)造成壓降為7.31%。

1.2 軟起動(dòng)

所謂軟起動(dòng)，指按照預(yù)先制定的模式控制起動(dòng)過程中電壓，由較低值平滑上升到全壓，使電動(dòng)機(jī)軸上轉(zhuǎn)矩勻速增加，從而達(dá)到起動(dòng)特性變軟。系統(tǒng)計(jì)算壓降如圖6所示。

從圖6中，可以看出外輸泵電動(dòng)機(jī)（P-112240）軟起動(dòng)時(shí)壓降為 4.45%，對 11kV母線（11BS01）造成的壓降為4.04%，對33kV（33BS01）母線造成的壓降為6.63%，對0.4kV（0.4BS01）母線造成的壓降為4.32%，對相鄰壓縮機(jī)（K-113210 800kW）電動(dòng)機(jī)造成壓降為 4.11%，注水泵（0140-P-3011 700kW）電動(dòng)機(jī)造成壓降為4.12%。

1.3 變頻起動(dòng)

變頻起動(dòng)通過變頻器實(shí)現(xiàn)，可以將起動(dòng)電流控制在額定電流以內(nèi)，有效控制電流對電網(wǎng)的浪涌沖擊以及機(jī)械沖擊，為電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障，降低電動(dòng)機(jī)的維護(hù)成本。系統(tǒng)計(jì)算壓降如圖7所示。

圖7 外輸泵電動(dòng)機(jī)變頻起動(dòng)壓降

從圖7中，可以看出外輸泵電動(dòng)機(jī)（P-112240）變頻起動(dòng)時(shí)壓降為1.34%，對11kV母線（11BS01）造成的壓降為1.22%，對33kV（33BS01）母線造成的壓降為3.73%，對0.4kV（0.4BS01）母線造成的壓降為1.41%。對相鄰壓縮機(jī)（K-113210 800kW）電動(dòng)機(jī)造成壓降為 1.29%，注水泵（0140-P-3011 700kW）電動(dòng)機(jī)造成壓降為1.30%。

通過三種不同起動(dòng)方式，可以看出，直接起動(dòng)方式對電網(wǎng)沖擊最大，軟起動(dòng)方式次之，變頻起動(dòng)最小。

2 結(jié)論

通過計(jì)算數(shù)據(jù)，我們可以看出直接起動(dòng)雖然沒有造成系統(tǒng)的失穩(wěn)（規(guī)范規(guī)定，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，在配電系統(tǒng)中引起的壓降不能妨礙其他用電設(shè)備的工作，即電動(dòng)機(jī)頻繁起動(dòng)時(shí)配電母線上的電壓不能低于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的90%），但其起動(dòng)電流較大，對給電網(wǎng)帶來很大的沖擊，因此需要考慮采用軟起動(dòng)器或變頻器來降低電動(dòng)機(jī)起動(dòng)對電網(wǎng)的影響。變頻起動(dòng)產(chǎn)生的壓降最小，軟起動(dòng)器處于兩者之間，但變頻起動(dòng)一次性投入較高，且結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，維護(hù)費(fèi)用較高，變頻起動(dòng)用于短時(shí)的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，其一次投資與收益嚴(yán)重不平衡。軟起動(dòng)器可消除高次諧波穩(wěn)定線路電壓，且造價(jià)較低，對系統(tǒng)產(chǎn)生影響較小，并且可整定電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流，減小對設(shè)備的沖擊，降低母線電壓的下降程度，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，由于軟起動(dòng)啟停時(shí)間可調(diào)，對一般設(shè)備可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起停，因此對提高設(shè)備的穩(wěn)定性，減輕對電動(dòng)機(jī)及被拖動(dòng)設(shè)備的沖擊都有一定的作用。因此我們選擇軟起動(dòng)器作為 3000kW 中壓電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)裝置。

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