電動機全壓啟動時電壓降的計算及校驗＊

周斌

（中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北武漢430010）

電動機全壓啟動時電壓降的計算及校驗＊

周斌

（中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北武漢430010）

基于電動機起動條件及起動壓降允許值指標，分析了基爾霍夫定律在電動機全壓啟動計算中的優(yōu)勢。并以泵站實例，驗證了該方法在電動機全壓起動電壓降計算和校驗工程實際應用中的可行性和準確性。

電動機；全壓起動；電壓降；短路容量

1 前言

電動機啟動方式的選擇十分關(guān)鍵，全壓啟動方式較為常用，其優(yōu)點主要表現(xiàn)為安全可靠、效率高，但也存在一定的不足，如：電壓波動過大、容易產(chǎn)生過負荷、導致傳動機構(gòu)出現(xiàn)損傷等［1］。因此，在選擇電動機啟動方式時，要結(jié)合電動機實際情況以及實際工作需要，通過詳細電壓降計算和校驗予以確定。

2 電動機起動條件及起動方式選擇

電動機回路的過電流保護啟動時要滿足一定的條件，在電動機啟動時不誤動，但是在線路末端發(fā)生短路的情況下，需要及時有效地將電源切斷，而且短路保護的靈敏度要滿足要求，即敏感度系數(shù)要在1.3以上。電動機啟動時，需要保證電動機回路的短路保護靈敏度符合要求，確認其符合標準規(guī)范后，再進行電動機起動電壓降的計算和校驗［2］。電動機啟動過程中，電動機的回路阻抗值越大，越有利于電壓降的校驗，但同時電動機回路阻抗值較大時，不利于電動機正常運行時短路的電壓降。在母線電壓無法滿足規(guī)范要求時，通常會采用降壓啟動的方式。

全壓啟動和降壓啟動是電動機啟動過程中常用的兩種啟動方式，兩種啟動方式各具特點，各自適用于相應的條件。全壓啟動的優(yōu)點是操作簡單、經(jīng)濟可靠，但是存在的不足之處是啟動電流較大，且產(chǎn)生較大的電壓降。而降壓啟動對電流要求不高，但其缺點表現(xiàn)為啟動時間較長，效率低［3］。在實際應用中，通常只有在全壓啟動不滿足要求時，才采用軟啟動等降壓啟動方式。因此，通過詳細計算分析，以檢驗全壓啟動是否滿足電壓降要求，對于電動機經(jīng)濟運行尤為重要。

3 電動機全壓啟動條件及指標要求

根據(jù)我國通用用電設(shè)備的相關(guān)標準規(guī)范規(guī)定，電動機啟動時，需要保證端子電壓滿足機械啟動轉(zhuǎn)矩的要求，且配電系統(tǒng)電壓波動要控制在一定范圍內(nèi)，以免影響配電系統(tǒng)中其它設(shè)備的正常工作與運行。電動機需要在一定時間內(nèi)頻繁多次啟動時，配電母線電壓要在額定電壓的90%以上；如果電動機的啟動次數(shù)相對不頻繁時，配電母線電壓要求不小于額定電壓的85%；如果配電母線上不存在照明以及其他可能受電壓波動影響的負荷時，對配電母線電壓要求是超過額定電壓大小的80%［4］。

電動機在全壓啟動的情況下，要保障配電母線電壓降和電動機端子電壓降滿足電動機正常起動的實際要求［5］。電動機全壓啟動時，會產(chǎn)生較大的沖擊轉(zhuǎn)矩，這個沖擊轉(zhuǎn)矩超過電動機的承受范圍就會影響電動機的正常運行，造成不利影響。

4 電動機全壓啟動電壓降分析

由于設(shè)計手冊提供的啟動公式具有一定的局限性，不能適用于所有電動機啟動時電壓降的計算，只可以在一級配電電動機啟動電壓降中計算。對于多級配電電動機，在進行全壓啟動電壓降計算時，可將各阻抗進行轉(zhuǎn)并聯(lián)后，利用基爾霍夫定律進行計算。電動機啟動需要滿足的要求為：

其中：ustM為電動機端子電壓相對值大??；Mj為電動機傳動機械靜阻轉(zhuǎn)矩相對值大??；MstM為電動機起動轉(zhuǎn)矩相對值大小。

4.1 電動機全壓啟動電壓降計算

假設(shè)電動機在投入運行前，母線電壓的值與網(wǎng)標稱電壓值大小相等，如圖1所示。

圖1 計算電路

根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》，母線短路容量Skm計算公式為：

式中：SrT為配電變壓器的額定容量，MV.A；xT為配電變壓器的短路阻抗百分值；SK為系統(tǒng)短路容量MV.A。

當電動機采用全壓啟動方式時，啟動回路額定輸入容量Srt可以用下列表達式表示，即：

式中：SstM為電動機額定啟動容量，MV.A，由電動機額定容量SrM和啟動電流倍數(shù)Kst決定，即：SstM＝Kst· SrM；xL為配電線纜阻抗，Ω。

電動機啟動時母線電壓相對值ustm為：

式中：Qfh為預接負荷的無功功率，MVar，其值為，cosφ為功率因數(shù)，電動機端子電壓絕對值ustM為：

4.2 電動機全壓啟動計算實例

泵站工程中，變電所距離水泵房80m。為確定變壓器低壓側(cè)導體截面積大小，需要了解系統(tǒng)短路流量、變壓器容量及線路長度等，并經(jīng)過一系列計算得到電動機啟動時配電箱母線上電壓變動情況及變電所母線電壓變化情況。將計算結(jié)果與標準規(guī)定值的進行對比分析，來判斷其是否符合設(shè)計規(guī)范的相關(guān)規(guī)定。工程特性參數(shù)為：SK是系統(tǒng)短路容量，其值為50MVA；SrT是變壓器容量，其值為2.5MVA，短路阻抗xT為4.5%；低壓配電柜距離變壓器長度10m；電動機現(xiàn)地起動柜距離低壓配電柜長度80m；電動機與現(xiàn)地起動柜間距離40m；除該電動機外，配電系統(tǒng)中還有75kW、55kW和15kW電動機各1臺，功率因數(shù)為0.8。

電動機△接線啟動電流約3.4kA，電動機Y接線啟動電流約1.089kA，電動機的額定電流大小為0.698kA，電動機額定功率大小為0.4MW，功率因數(shù)為0.87。

采用Y接線方式全壓啟動，計算出變壓器低壓側(cè)額定電流值，即：

母線截面選擇中，為滿足設(shè)計要求和電動機的正常啟動運行，需要滿足IkT≥IrT。L1截面積選擇為3×［2（125×10）］＋125×10，載流量大小約為4100A，查設(shè)計手冊得，每單位長度電抗值為0.147mΩ。

電動機采用星型接線，啟動倍數(shù)為：

電動機額定啟動容量為：

除上述的負荷功率之外，還需要計算出接在同一母線上的其它負荷功率大小，即：

在進行電纜選擇時，需要結(jié)合設(shè)計要求和工程實際需要進行綜合比選，最主要是要滿足IL3≥IrM條件。電纜截面積確定為2×（3×185＋1×95）。當選擇2×（3×185＋1×95）截面時，電纜單位長度電抗值大小為0.076mΩ／m，電阻值為0.095mΩ／m，則并聯(lián)線路L3電抗值和電阻值為：

從變電所母線接到水泵房配電箱的密集型母線L2的電阻值計算，即：

密集型母線校量值有較高要求，要求不應低于IL2，再結(jié)合施工過程中環(huán)境溫度情況做出相應調(diào)整，確定出載流量校正系數(shù)，最大限度滿足載流量對其要求。所選母線為1250A，L2段截面積大小為3×（80×8）＋63×6.3，載流量值大小在1320A左右，單位長度電抗值為0.050mΩ／m，電阻值為0.17mΩ／m。

線路L2電阻值和和電抗計算，即：

假設(shè)變壓器負載率為0.8，則低壓側(cè)母線視在功率為：

在滿足上述條件基礎(chǔ)上，計算得變壓器低壓側(cè)母線上的其它負荷無功功率為：

牟澤雄：你如何看待當代書法修身功能的式微？在專業(yè)書法家和學者之間，你更看重專業(yè)的書法家身份還是學者的身份？

假設(shè)L1段母線的電抗值和電阻值均為零，則△L＝L2＋L3＝80＋40＝120m，其中：40m采用2×（3× 185＋1×95）電纜，80m采用1250A密集型母線。XAL＝XL1＋XL2＝0.00152＋0.0136＝0.01512Ω，計算得電動機額定容量SstM＝0.736MVA，則電動機起動時起動回路的額定輸入容量Sst為：

母線短路容量Skm為：

電動機啟動時母線電壓相對百分值為：

電動機啟動時端子電壓相對百分值為：

校驗結(jié)果表明：由于水泵電動機屬于啟動頻率不太頻繁設(shè)備，其機端電壓為90.6%的額定電壓，即0.344kV，大于規(guī)范要求的機端電壓85%指標，滿足電動機啟動時電壓降要求，校驗通過。

5 結(jié)論

選擇電動機啟動方式時，要結(jié)合電動機實際情況及實際工作需要來確定。進行電壓降計算時，在做好充分調(diào)查和準備工作的基礎(chǔ)上，采用科學計算方法，避免由于計算錯誤而導致系統(tǒng)出現(xiàn)故障，最大限度確保電動機的安全穩(wěn)定運行。水泵屬于應用頻率不太頻繁設(shè)備，采用基爾霍夫定律算法，其結(jié)果能滿足電動機起動母線及端子電壓降計算要求。

［1］裴 雷，樊 燁.電動機全壓起動的討論及計算［J］.電氣應用，2014，33（16）：28－31.

［2］孫建設(shè)，張惠敏，史 磊.水泵電機的全壓起動及保護技術(shù)［J］.電機與控制應用，2006，（08）：55－58.

［3］機械電子工業(yè)部天津電氣傳動設(shè)計研究所.電氣傳動自動化技術(shù)手冊2版［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［4］戴圣偉，王 欣，李燕林，等.三相異步電機的智能軟起動［J］.電工技術(shù).2012，（10）：30－32.

［5］李耀輝，劉永新.綜合故障診斷及錄波系統(tǒng)在消弧線圈接地系統(tǒng)中的應用［J］.電氣時代，2013，（07）：62－64.

Calculation and verification of voltage drop of motor under full－voltage starting mode

ZHOU Bin
（Central and Southern China Municipal Engineering Design＆Research Institute Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Based on the starting conditions and the voltage drop allowable value for the motor starting，the advantages of the Kirchhoff law in the calculation of the starting voltage of the motor are analyzed.Taking the pump station as an example，the feasibility and the accuracy of the Kirchhoff law method in calculation and verification of the motor’s voltage drop under full－voltage starting mode are presented.

motor；full voltage starting；voltage drop；short circuit capacity

TM301.2

：A

1005—7277（2017）01—0047—03

2016－09－01

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項基金項目（22057803）

周 斌（1963－），男，漢族，湖北省武漢市人，本科，高級工程師，主要從事市政電氣及自動化的設(shè)計。