李旭陽(yáng)

（北京卓晟云峰科技有限公司，北京 102600）

電動(dòng)機(jī)作為石化工程中常用的電氣設(shè)備，其耗電量占到工業(yè)總用電量的60%到70%，尤其中壓大功率電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)，瞬時(shí)起動(dòng)電流較大，會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響，如電網(wǎng)電壓下降，將影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行，可能使欠壓保護(hù)動(dòng)作，嚴(yán)重時(shí)有可能造成電源中斷。故進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)校驗(yàn)分析，合理地選擇方案，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行非常重要。

1 項(xiàng)目介紹

本項(xiàng)目渣油加氫處理裝置中反應(yīng)貧胺液泵配套的中壓異步電動(dòng)機(jī)為10kV、5000kW，其所在電網(wǎng)由1座220kV變電所作為全廠的總電源，帶4座110kV變電所，其中一座含柴油發(fā)電機(jī)組。110kV網(wǎng)絡(luò)下有11座35kV變電所，本電動(dòng)機(jī)所在變電所即為其中一座。220kV總變由電力院負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，并提供其110kV母線上的最小短路電流，作為下游變電所短路計(jì)算及電機(jī)起動(dòng)計(jì)算的根據(jù)。全廠供電系統(tǒng)單線圖如圖1所示。

圖1 全廠供電系統(tǒng)單線圖

1.1 電網(wǎng)主要參數(shù)

（1）220kV變電所110kV母線處最小運(yùn)行方式下的短路電流：I″k1=10.277kA；

（2）110kV變壓器電源電纜：ZA-YJLW03-Z-64/110kV-3*(1×800)mm2、1根、長(zhǎng)度1.5km；

（3）35kV變壓器電源電纜：ZA-YJV22-26/35kV-3×240mm2、1根、長(zhǎng)度0.87km；

（4）電動(dòng)機(jī)動(dòng)力電纜：ZA-YJV22-8/15kV-3×150+1x95mm2、2根、長(zhǎng)度0.5km；

（5）110kV變壓器：額定容量150MVA、短路阻抗12%、容差5%、空載損耗49.5kW、負(fù)載損耗412kW；

（6）35kV變壓器：額定容量16MVA、短路阻抗8%、容差5%、空載損耗6.7kW、負(fù)載損耗59.2kW；

（7）中壓異步電動(dòng)機(jī)：額定功率5000kW、額定電壓10kV、額定電流337.8A、功率因數(shù)0.88、效率0.971、起動(dòng)電流倍數(shù)6、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)0.6；

（8）動(dòng)設(shè)備：反應(yīng)貧胺液泵（離心式），靜阻轉(zhuǎn)矩相對(duì)值為0.3。

2 電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)計(jì)算

根據(jù)《GB/T15544.1-2013三相交流系統(tǒng)短路電流計(jì)算第1部分：電流計(jì)算》及《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》計(jì)算出如下數(shù)據(jù)：

（1）最小運(yùn)行方式下的短路電流

35kV母線處最小短路電流I″k2=12.150kA；35kV變壓器高壓側(cè)最小短路電流I″k3=11.467kA；10kV母線處最小短路電流I″k4=7.929kA；

（2）35kV變壓器高壓側(cè)最小運(yùn)行方式下短路容量Ssc

Usc為變壓器高壓側(cè)系統(tǒng)電壓等級(jí)；

（3）各元件計(jì)算容量

ST為35kV變壓器計(jì)算容量；SrT為35kV變壓器額定容量；uk%為35kV變壓器阻抗電壓相對(duì)值；

S1為電動(dòng)機(jī)線路計(jì)算容量；Uav為電動(dòng)機(jī)所在系統(tǒng)電壓等級(jí)；X1為電動(dòng)機(jī)線路電抗；

SstM為電動(dòng)機(jī)額定起動(dòng)容量；SrM為電動(dòng)機(jī)額定容量；ksT為電動(dòng)機(jī)額定起動(dòng)電流倍數(shù)；

（4）10kV母線短路容量SscB

（5）電動(dòng)機(jī)起動(dòng)回路的計(jì)算容量Sst

（6）電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)時(shí)10kV母線處的電壓相對(duì)值ustB

QL為預(yù)接負(fù)荷的無(wú)功功率；SL為預(yù)接負(fù)荷；cosφL為系統(tǒng)功率因數(shù)（本系統(tǒng)經(jīng)無(wú)功補(bǔ)償后的功率因數(shù)為0.95）；

（7）電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)端子處的電壓相對(duì)值ustM

2.1 ETAP軟件驗(yàn)算

通過(guò)ETAP軟件對(duì)如上電動(dòng)機(jī)的全壓起動(dòng)進(jìn)行驗(yàn)算，提供兩種模型的構(gòu)建方式。

方式一：依照全廠供電系統(tǒng)單線圖構(gòu)建，將110kV母線上游系統(tǒng)作為等效電網(wǎng)。由110kV母線處的最小運(yùn)行方式下的短路電流10.277kA計(jì)算出其短路容量為1958.0315MVA，以此作為配電系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行ETAP模型的搭建。如圖2所示。

圖2 ETAP模型一

方式二：將35kV變壓器上游系統(tǒng)作為等效電網(wǎng)。由式（1）可知35kV變壓器高壓側(cè)最小運(yùn)行方式下的短路容量為695.15MVA，以此作為配電系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行ETAP模型的搭建。如圖3所示。

圖3 ETAP模型二

經(jīng)ETAP軟件模擬電動(dòng)機(jī)的全壓起動(dòng)，得出結(jié)果如表1所示：

表1 模擬電動(dòng)機(jī)的全壓起動(dòng)結(jié)果

通過(guò)ETAP軟件構(gòu)建兩種模型得出的結(jié)果，與手動(dòng)計(jì)算結(jié)果相差無(wú)幾。

2.2 電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)分析

根據(jù)《GB50055-2011通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)要求對(duì)本項(xiàng)目電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)進(jìn)行分析校驗(yàn)。

（1）電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)應(yīng)保證不妨礙其運(yùn)行母線上其他用電設(shè)備的工作，本項(xiàng)目適用于電動(dòng)機(jī)所在10kV母線的電壓不得低于額定電壓的85%。

由式（7）得知電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)時(shí)10kV母線處的電壓相對(duì)值為81.03%<85%,不滿足母線電壓要求。

（2）電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)應(yīng)保證電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩滿足其所拖動(dòng)的機(jī)械要求

u·stM為滿足離心泵靜阻轉(zhuǎn)矩所需的電動(dòng)機(jī)端最低起動(dòng)電壓；ms為離心泵靜阻轉(zhuǎn)矩相對(duì)值（取0.3）；mstM為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩相對(duì)值；

由式（9）得知全壓起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)端子處的電壓相對(duì)值為80.38%>71.25%,滿足起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求。

在全壓起動(dòng)時(shí)，雖然起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以滿足負(fù)載的要求，但其對(duì)配電母線造成的電壓降影響了其他用電設(shè)備的工作。所以，不建議在目前的電力系統(tǒng)配置下對(duì)此臺(tái)電動(dòng)機(jī)采取直接起動(dòng)。

2.3 電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)方案

考慮到軟起動(dòng)器和變頻器操作較為復(fù)雜，投資費(fèi)用較高，且工藝專業(yè)并未提出調(diào)速要求，所以不將軟起動(dòng)器及變頻器作為本項(xiàng)目的首選方案。

結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際情況仍考慮采用全壓起動(dòng)，通過(guò)如下措施進(jìn)行校驗(yàn)。

2.3.1 方案一

（1）提高35kV變壓器電源電纜截面

因相鄰截面間電纜的阻抗值差異不大，且考慮到路由較遠(yuǎn)，單純地增大電纜截面所產(chǎn)生的費(fèi)用也較高，所以暫不在此方面進(jìn)行調(diào)整。

（2）降低變壓器短路阻抗值

變壓器制造單位反饋若將短路阻抗降低至7%以下，不能保證1級(jí)能效的要求，且對(duì)鐵芯的材質(zhì)要求較高，相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)成本也會(huì)大幅度攀升，除特殊要求外，不建議使短路阻抗偏離標(biāo)準(zhǔn)值過(guò)多。

變壓器短路阻抗值按7%進(jìn)行驗(yàn)算，對(duì)比結(jié)果如表2所示：

表2 降低變壓器短路阻抗值

分別較之前提升了約1.5%，但不能滿足電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)要求。

（3）提高變壓器額定容量

將變壓器額定容量提高一級(jí)至20MVA進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比結(jié)果如表3所示：

分別較之前提升了約2.5%，但也未能滿足電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)的要求。

（4）提高變壓器額定容量并降低其短路阻抗值

即選用額定容量為20MVA、短路阻抗為7%、容差5%的變壓器進(jìn)行校驗(yàn)，對(duì)比結(jié)果如表4所示：

表4 提高變壓器額定容量并降低其短路阻抗值

分別較之前提升了約3.7%，仍不滿足電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)要求。

（5）降低電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流倍數(shù)

經(jīng)與電動(dòng)機(jī)制造單位交流，得出將起動(dòng)電流降至額定電流的5.5倍，從制造成本及技術(shù)難度方面均可接受。若調(diào)至5.5倍以下，不能保證電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以維持目前的水平。

以電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流為5.5倍的額定電流進(jìn)行驗(yàn)算，對(duì)比結(jié)果如表5所示：

表5 降低電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流倍數(shù)

分別較之前提升了約1.3%，不能滿足電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)的要求。

（6）提高變壓器額定容量、降低其短路阻抗值并降低電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流倍數(shù)

選用額定容量為20MVA、短路阻抗為7%、容差5%的變壓器、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流為5.5倍，進(jìn)行校驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果如表6所示：

表6 調(diào)整前后結(jié)果對(duì)比

此種方式下的配電母線電壓相對(duì)值及電動(dòng)機(jī)端電壓相對(duì)值，均滿足電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)的要求。

2.3.2 方案二

采用單獨(dú)的變壓器-電動(dòng)機(jī)組。

根據(jù)《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)》，由單獨(dú)變壓器供電的電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)時(shí)電壓降的允許值由生產(chǎn)機(jī)械所要求的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩決定。

籠型異步電動(dòng)機(jī)允許全壓起動(dòng)的功率不大于變壓器額定容量的80%，則擬選用額定容量為10MVA的35kV變壓器，短路阻抗8%、容差5%、空載損耗4.8kW、負(fù)載損耗40.8kW。由此計(jì)算可得：

（1）35kV母線處的電壓相對(duì)值為96.51%>85%，滿足2.2第1條要求；

（2）電動(dòng)機(jī)端子處的電壓相對(duì)值為73.75%>71.25%，滿足離心泵靜阻轉(zhuǎn)矩所需的電動(dòng)機(jī)端最低起動(dòng)電壓的要求。

該方案滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

通過(guò)上述分析，2.3.1方案一中的第6種措施與2.3.2方案二均可滿足技術(shù)方面的要求，但考慮到經(jīng)濟(jì)成本，“提高變壓器額定容量、降低其短路阻抗值并降低電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流倍數(shù)”的方式則更為合適。

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模越來(lái)越大、復(fù)雜程度逐步升高。由此，對(duì)大型電力系統(tǒng)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的分析計(jì)算更能符合目前行業(yè)的發(fā)展需求。ETAP仿真計(jì)算軟件對(duì)于電力系統(tǒng)的配置、調(diào)整及分析對(duì)比，可發(fā)揮相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，在今后的項(xiàng)目中可多多應(yīng)用。