石油化工行業(yè)低壓電動(dòng)機(jī)起動(dòng)分析

王 志 南

（中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧 撫順 113006）

石油化工行業(yè)低壓電動(dòng)機(jī)起動(dòng)分析

王 志 南

（中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧 撫順 113006）

首先對(duì)石化行業(yè)低壓電動(dòng)機(jī)起動(dòng)分析的意義和起動(dòng)方式的選擇做了闡述；然后通過電氣計(jì)算軟件ETAP分析實(shí)例結(jié)合理論研究對(duì)影響電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的主要因素做了具體分析，并提出相應(yīng)問題的解決方案；最后就電動(dòng)機(jī)起動(dòng)相關(guān)問題提出一些建議。

低壓電動(dòng)機(jī)； 起動(dòng)； 壓降

電動(dòng)機(jī)作為主要的動(dòng)力設(shè)備，是石油化工生產(chǎn)裝置中用量最大的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，主要用于驅(qū)動(dòng)石油化工行業(yè)中的泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和其他傳動(dòng)機(jī)械等?？梢哉f電動(dòng)機(jī)是石化裝置的動(dòng)力源泉。盡管電動(dòng)機(jī)通常由機(jī)械設(shè)備配套，電氣設(shè)計(jì)人員僅在少數(shù)情況下參與選擇或校核，但對(duì)電動(dòng)機(jī)的性能、常用參數(shù)和選擇要點(diǎn)有所了解，還是很有必要的。

中國寰球工程公司遼寧分公司 2007年引進(jìn)了國際權(quán)威的計(jì)算軟件 ETAP，使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)計(jì)算更加便利，準(zhǔn)確。結(jié)合幾年來對(duì)軟件的使用情況，筆者主要針對(duì)設(shè)計(jì)人員在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)分析方面存在的一些誤區(qū)發(fā)表一些自己的觀點(diǎn)和看法。

1 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)分析

1.1 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)分析的意義

隨著石油化工裝置規(guī)模的擴(kuò)大，石化企業(yè)中異步電動(dòng)機(jī)的單機(jī)功率逐漸增大，電機(jī)起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的沖擊電流不管是對(duì)電力系統(tǒng)還是對(duì)設(shè)備本身都存在很大影響。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)作為電力系統(tǒng)分析的一個(gè)重要環(huán)節(jié)直接影響供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，合理的選擇起動(dòng)方式，對(duì)提高電動(dòng)機(jī)功效、節(jié)約成本、優(yōu)化供配電系統(tǒng)均有重要意義。

1.2 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式

交流低壓電動(dòng)機(jī)通常采用三種起動(dòng)方式：

（1）直接啟動(dòng)（全壓起動(dòng)）

作為石化行業(yè)低壓電機(jī)的主要起動(dòng)方式，直接起動(dòng)是直接給電機(jī)加額定電壓，起動(dòng)速度快；接線簡單；操作方便。現(xiàn)今石化企業(yè)變壓器容量較大，滿足大部分中小型低壓電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)要求。

（2）降壓起動(dòng)

低壓電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)方式包括自耦變壓器降壓起動(dòng)、星-三角降壓起動(dòng)和變壓器-電動(dòng)機(jī)組起動(dòng)，降壓起動(dòng)電流小，對(duì)母線沖擊小。但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，起動(dòng)時(shí)間長，起動(dòng)過程不平滑，電動(dòng)機(jī)繞組溫升高?；谝陨先秉c(diǎn)，傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)方式正逐漸被軟起動(dòng)方式所取代。

（3）變頻起動(dòng)

只有當(dāng)負(fù)載運(yùn)行有變頻要求時(shí)，才需要做電機(jī)變頻處理。如果僅僅作為起動(dòng)方式的選擇，由于其成本較高，不提倡采用變頻起動(dòng)方式。

作為石油化工行業(yè)最主要的起動(dòng)方式—全壓起動(dòng)，本文主要針對(duì)它進(jìn)行分析。

1.3 全壓起動(dòng)分析

全壓起動(dòng)作為最簡單、最可靠、最經(jīng)濟(jì)的起動(dòng)方式，應(yīng)優(yōu)先考慮；只有當(dāng)全壓起動(dòng)條件不允許時(shí)，才考慮其他起動(dòng)方式。

電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)過程中，我們主要考慮的主要有以下幾方面影響：

（1）配電母線電壓波動(dòng)；

（2）機(jī)端電壓降；

（3）對(duì)電機(jī)本身及拖動(dòng)設(shè)備的沖擊。

配電母線電壓波動(dòng)影響母線上其他設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；機(jī)端電壓決定能否保證拖動(dòng)設(shè)備的正常起動(dòng)及電動(dòng)機(jī)溫升的影響；電機(jī)及拖動(dòng)設(shè)備本身的抗沖擊能力決定電機(jī)的起動(dòng)方式，屬于電機(jī)本身內(nèi)在的因素，而對(duì)于電機(jī)本身及設(shè)備的沖擊，如制造廠商無特殊要求，一般不作考慮。因此只考慮前兩點(diǎn)因素的影響：配電母線電壓的波動(dòng)和機(jī)端電壓降。

1.3.1 配電母線電壓波動(dòng)

根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第三版），電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，配電母線上電壓應(yīng)符合下列要求[2]:

（1）在一般情況下，電動(dòng)機(jī)頻繁起動(dòng)時(shí)配電母線電壓不應(yīng)低于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的90%；電動(dòng)機(jī)不頻繁起動(dòng)時(shí)，不低于標(biāo)稱電壓的85%。

（2）配電母線上未接照明負(fù)荷或其他對(duì)電壓下降敏感的負(fù)荷且電動(dòng)機(jī)不頻繁起動(dòng)時(shí)，不應(yīng)低于標(biāo)稱電壓的80%。

（3）配電母線上未接其他用電設(shè)備時(shí)，可按保證電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的條件決定；對(duì)于低壓電動(dòng)機(jī)，還應(yīng)保證接觸器線圈的電壓不低于釋放電壓。

由此可以看出，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)對(duì)于母線波動(dòng)的影響，設(shè)計(jì)手冊(cè)都做了比較明確的界定。石油化工行業(yè)中的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)一般都不頻繁，可按第一條中不頻繁起動(dòng)情況考慮，即不低于標(biāo)稱電壓的85%。實(shí)際設(shè)計(jì)中，只要不是特殊情況，我們均可按85%這個(gè)界線執(zhí)行。再此，就不做過多闡述。

1.3.2 機(jī)端電壓降

接著分析全壓起動(dòng)的另一方面影響—機(jī)端電壓降，設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)機(jī)端壓降的影響沒有明確的界定標(biāo)準(zhǔn)，只是指出機(jī)端電壓的下降要能夠保證傳動(dòng)機(jī)械要求的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。這就導(dǎo)致很多設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行起動(dòng)分析時(shí)容易對(duì)機(jī)端壓降的概念發(fā)生混淆，比如起動(dòng)機(jī)端壓降和運(yùn)行機(jī)端壓降。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置電力設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》指出：正常運(yùn)行情況下，用電設(shè)備端子處電壓應(yīng)按下列偏差允許值（額定電壓的百分比）進(jìn)行驗(yàn)算[1]：

a. 正常情況下 ±5%；

b. 特殊情況下 +5%、-10%；

c. 經(jīng)常起動(dòng) -10%；

d. 不經(jīng)常起動(dòng) -15%。

以上允許值指的是電動(dòng)機(jī)在平穩(wěn)運(yùn)行情況下，機(jī)端壓降的允許值（包括母線電壓波動(dòng)及配電線路壓降等因素的影響），而不是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中機(jī)端壓降的允許值。很多設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行壓降計(jì)算時(shí)，如果機(jī)端壓降低于70%或80%時(shí)就感覺機(jī)端壓降已經(jīng)很低了，而草率的認(rèn)為電動(dòng)機(jī)無法起動(dòng)。這是錯(cuò)誤的，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中機(jī)端電壓可能下降到一個(gè)很小的值，但是如果電動(dòng)機(jī)帶的設(shè)備起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求不高或是空載起動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)仍能夠起動(dòng)成功。

為了打消認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)，下面對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程機(jī)端壓降允許值做一個(gè)簡單的計(jì)算。機(jī)端電壓的下降要能夠保證傳動(dòng)機(jī)械要求的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即[2]

式中：ustm—起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)端子相對(duì)值；

Mstm—電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩相對(duì)值；

Mj—電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)械的靜阻轉(zhuǎn)矩相對(duì)值。

常用電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)械所需轉(zhuǎn)矩相對(duì)值見表1。

表1 常用電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)械所需轉(zhuǎn)矩相對(duì)值[2]Table 1 Required torque relative value of common motor’s mechanical transmission

石油化工企業(yè)中采用的主要泵和風(fēng)機(jī)一般為離心式，采用的壓縮機(jī)一般為往復(fù)式壓縮機(jī)。查表1得離心泵的起動(dòng)靜阻轉(zhuǎn)矩相對(duì)值為0.3，往復(fù)式壓縮機(jī)的起動(dòng)靜阻轉(zhuǎn)矩相對(duì)值為0.4。而鼠籠式電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和制造工藝有關(guān)，一般為額定轉(zhuǎn)矩的0.8到2.2倍[3]。

石油化工行業(yè)低壓電動(dòng)機(jī)主要采用的是YB系列鼠籠電動(dòng)機(jī)，因各個(gè)制造廠家生產(chǎn)工藝的不同，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩相對(duì)值也存在很大差異，但基本上都能夠達(dá)到1.5以上，按最不利情況考慮，靜阻轉(zhuǎn)矩相對(duì)值取0.3；電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩相對(duì)值取1.5，按公式（1）計(jì)算如下：

通過以上計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)：如電動(dòng)機(jī)本身無特殊要求，在僅考慮機(jī)端電壓的影響時(shí)，機(jī)端電壓甚至低于50%時(shí)，電動(dòng)機(jī)仍可正常啟動(dòng)。但實(shí)際情況中機(jī)端電壓也不能無限的降低，因?yàn)闄C(jī)端電壓的降低肯定會(huì)導(dǎo)致電機(jī)線圈溫升的加劇，這同樣是一個(gè)值得考慮的因素。

設(shè)計(jì)手冊(cè)中只對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)溫升做了計(jì)算上的說明，而并未對(duì)低壓電動(dòng)機(jī)起動(dòng)溫升做明確的闡述。也是出于考慮電動(dòng)機(jī)溫升計(jì)算比較復(fù)雜，同時(shí)低壓電動(dòng)機(jī)容量較??；起動(dòng)時(shí)間較短，溫升的影響基本上可以忽略，不用特別進(jìn)行算。

YB系列低壓電動(dòng)機(jī)一般采用F級(jí)絕緣，溫升按B級(jí)考核，即允許溫升為80 ℃。由此，理論上可以認(rèn)為：只要電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中溫升不超過 80℃，機(jī)端壓降不低于45%，電動(dòng)機(jī)可以起動(dòng)成功。實(shí)際工程應(yīng)用中，機(jī)端壓降一般確定為65%左右，實(shí)踐證明，無論是滿足拖動(dòng)設(shè)備的靜阻轉(zhuǎn)矩，還是電動(dòng)機(jī)溫升的要求，此數(shù)值都是比較合理的。

解決機(jī)端電壓過低的方法包括增大電纜截面和提高電動(dòng)機(jī)本身的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。而我們通常采用的軟起動(dòng)方式是解決母線電壓降過大的方法，而并不是解決機(jī)端電壓過低的方法。

2 ETAP軟件分析實(shí)例

ETAP軟件是一款國際通用的電氣計(jì)算軟件，在計(jì)算短路電流、大電機(jī)起動(dòng)方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和權(quán)威性。使用ETAP軟件進(jìn)行電機(jī)起動(dòng)分析計(jì)算能大大節(jié)省時(shí)間，提高準(zhǔn)確性。

首先利用軟件建立一個(gè)簡單的電機(jī)起動(dòng)模型，配電變壓器及電動(dòng)機(jī)的具體參數(shù)如圖1、2。

圖1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)Fig. 1 Motor parameters

圖2 變壓器參數(shù)Fig.2 Transformer parameters

根據(jù)以上參數(shù)建立的系統(tǒng)單線圖如圖3。

圖3 系統(tǒng)單線圖Fig.3 System single line diagram

計(jì)算過程中主要關(guān)注的是電動(dòng)機(jī)1全壓起動(dòng)時(shí)母線1及電動(dòng)機(jī)端電壓下降的情況。具體計(jì)算結(jié)果如圖4。

圖4 150 kW電動(dòng)機(jī)起動(dòng)分析結(jié)果圖Fig.4 Analysis results of 150 kW motor startup

由上圖計(jì)算結(jié)果可以看出：電動(dòng)機(jī)1起動(dòng)時(shí)，母線1電壓為89.07%，滿足電壓降要求；電動(dòng)機(jī)端電壓為 69.4%，滿足機(jī)端電壓降要求，電動(dòng)機(jī)可以采用全壓起動(dòng)方式。但機(jī)端電壓偏低，可以增大電纜截面來改善。

下面把電動(dòng)機(jī)1功率增大到250 kW，其他負(fù)荷容量改為100 kVA，再次進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖5。

圖5 250 kW電動(dòng)機(jī)起動(dòng)分析結(jié)果圖Fig.5 Analysis results of 250 kW motor startup

可以看出：電動(dòng)機(jī)1起動(dòng)時(shí)，母線1電壓降為83.52%，不滿足母線電壓降要求；電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)條件不滿足。可轉(zhuǎn)為采用軟起動(dòng)或其他降壓起動(dòng)方式，但采用降壓起動(dòng)方式，電動(dòng)機(jī)端子電壓必須滿足傳動(dòng)機(jī)械的起動(dòng)要求。因此，在全壓起動(dòng)條件不滿足，而機(jī)端電壓又比較低的情況下，降壓起動(dòng)方式并不能解決起動(dòng)問題，相反還會(huì)雪上加霜，這種情況下最好的解決方案就是提高電動(dòng)機(jī)的電壓等級(jí)，從而減小起動(dòng)電流和母線電壓降。

4 結(jié)束語

綜上所述，母線壓降和機(jī)端壓降是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)分析中需要認(rèn)真對(duì)待的兩個(gè)重要因素，設(shè)計(jì)人員對(duì)分析過程要嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致，不能簡單的憑經(jīng)驗(yàn)或感覺做出判斷，要對(duì)計(jì)算結(jié)論有充分的理論依據(jù)和實(shí)踐基礎(chǔ)。同時(shí)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式的選擇也應(yīng)綜合考慮人員操作簡便性、經(jīng)濟(jì)合理性、起動(dòng)可靠性等多方面因素。

[1] SH 3038-2000,石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置電力設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].3版.北京:中國電力出版社,2000.

[3] 林良養(yǎng).電機(jī)學(xué)與拖動(dòng)基礎(chǔ)[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,2004.

Analysis on Startup of Low-voltage Motors in the Petrochemical Industry

WANG Zhi-nan
(China Huanqiu contracting & Engineering Corporation Liaoning Branch Company，Liaoning Fushun 113006, China）

Firstly, significance of analysis on startup of low voltage motors in petrochemical industry was introduced as well as choice of startup modes. Then, main factors to influence motor startup were analyzed through examples analysis with electrical calculation software ETAP and combining with theoretical study，and solutions were proposed. Finally, some suggestions about motor startup problems were put forward.

LOW voltage motor; Startup; Voltage drop

TM 301

A

1671-0460（2011）02-0150-03

2011-01-08

王志南（1982-），男，河北唐山人，助理工程師，2005年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)，從事公企電氣設(shè)計(jì)工作。E-mail：wzn_1982@yahoo.com.cn，電話：0413-7593606。