電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電壓暫降問(wèn)題的應(yīng)對(duì)措施

丁 鶴

銅陵有色設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司機(jī)電加工工程室，安徽 銅陵 244000

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量的要求也逐步提高。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，當(dāng)輸配電系統(tǒng)中發(fā)生短路故障、同（異）步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、雷擊、開關(guān)操作、變壓器及電容器組的投切等事件時(shí)，都可能引起電壓暫降。其中，同（異）步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)是引起電壓暫降的最主要原因，而電力系統(tǒng)短路容量是同（異）步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電壓暫降最重要的一個(gè)影響因素。

1 電壓暫降概述

1.1 定義

電力系統(tǒng)電壓暫降可以引起短路故障，甚至影響敏感設(shè)備的正常運(yùn)行。電壓暫降是根據(jù)電壓幅值方均根的變化定義的，電壓暫降是指電壓下降[1]，持續(xù)時(shí)間為半個(gè)周波到幾秒。受電壓暫降影響最大的設(shè)備有工業(yè)流程控制器、可編程序控制器（PLC）、可調(diào)速驅(qū)動(dòng)器及機(jī)器人系統(tǒng)，電壓暫降可能會(huì)損壞基于微處理器的數(shù)字控制設(shè)備的數(shù)據(jù)。

1.2 原因

電壓暫降一般由電網(wǎng)和變電設(shè)施的故障或負(fù)荷突然出現(xiàn)大的變化（如大功率設(shè)備啟動(dòng)等）引起，在某些情況下，會(huì)出現(xiàn)2次甚至更多次的連續(xù)跌落或中斷[2]。電壓暫降的具體原因如下。

（1）自然原因：雷擊、閃電、暴雨、大風(fēng)及下雪等；

（2）電力系統(tǒng)原因：短路故障、大電機(jī)啟動(dòng)、線路切換、變壓器和電容器投切、配電裝置故障感應(yīng)電機(jī)（大功率）啟動(dòng)等；

（3）不可預(yù)知的偶然事件：交通事故、建筑施工造成輸電線損壞、人為操作失誤及一些小動(dòng)物進(jìn)入配電室等。

1.3 持續(xù)時(shí)間

針對(duì)電壓暫降的持續(xù)時(shí)間，SEMI中國(guó)信息控制標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)組織的電能質(zhì)量專題小組做了實(shí)驗(yàn)，在全美洲22站點(diǎn)進(jìn)行電能質(zhì)量研究，共記錄到1 076個(gè)電壓暫降事件。其中，在綠色線上方的電壓暫降的數(shù)量占總數(shù)的93%，僅有6個(gè)事件為斷電且都在1 s以內(nèi)，僅有3個(gè)事件超過(guò)2 s。

2 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)配電系統(tǒng)中的電壓允許值

依據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)（第四版）》[3]上冊(cè)第478～479頁(yè)的相關(guān)描述，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，其端子電壓應(yīng)能保證被拖動(dòng)機(jī)械要求的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，且在配電系統(tǒng)中引起的電壓暫降不應(yīng)妨礙其他用電設(shè)備的工作。即電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，配電母線上的電壓應(yīng)符合下列要求。

（1）在一般情況下，電動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)時(shí)，電壓不應(yīng)低于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的90%；電動(dòng)機(jī)不頻繁啟動(dòng)時(shí)，電壓不宜低于系統(tǒng)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)不頻繁啟動(dòng)時(shí)，電壓不應(yīng)低于系統(tǒng)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)的啟動(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。

3 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電壓暫降問(wèn)題的案例分析

3.1 工程概況

筆者作為電氣專業(yè)負(fù)責(zé)人于2019—2020年主持了銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司金冠銅業(yè)銅冶煉渣資源綜合利用項(xiàng)目施工圖的相關(guān)電氣專業(yè)設(shè)計(jì)工作，該工程的主要子項(xiàng)有渣包維修間、渣緩冷變電所、渣破碎及運(yùn)輸、磨浮工序、磨浮10 kV配變電所、脫水工序、脫水變電所、渣選礦循環(huán)水系統(tǒng)及廠區(qū)綜合管網(wǎng)等。

3.1.1 系統(tǒng)接線

根據(jù)工程的工藝流程、車間劃分、負(fù)荷大小及分布情況，在磨浮廠房東附跨設(shè)置1座磨浮10 kV配電所，采用單母線分段方式接線，兩回10 kV電源分別引自“雙閃”廠區(qū)110/10.5 kV總降壓變電站不同段10 kV母線。正常情況下，10 kV配電所單母線分段運(yùn)行；當(dāng)一回線路故障或檢修時(shí)，由另一回線路帶全部負(fù)荷。經(jīng)校驗(yàn)，每回10 kV電源線路供電能力及對(duì)應(yīng)總降所內(nèi)出線開關(guān)供電容量均能滿足該10 kV配電所全部負(fù)荷的用電需要[4]。

考慮到濕式溢流型球磨機(jī)容量較大（4 800 kW），其兩回10 kV電源直接引自“雙閃”廠區(qū)110/10.5 kV總降壓變電站不同段10 kV母線[5]。

3.1.2 系統(tǒng)配置

該工程在磨浮廠房東附跨設(shè)有1座10/0.4 kV車間變電所，內(nèi)設(shè)2臺(tái)電力變壓器，額定容量均為2 500 kVA，其10 kV電源分別引自磨浮10 kV配電所不同段10 kV母線，低壓側(cè)采用單母線分段方式接線。正常運(yùn)行時(shí)，2臺(tái)變壓器分列運(yùn)行，母聯(lián)斷開；當(dāng)一回10 kV電源或變壓器故障或檢修時(shí)，另一變壓器能承擔(dān)該變電所全部主要生產(chǎn)負(fù)荷，同時(shí)在該變電所低壓側(cè)設(shè)置電容器無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償裝置。車間變電所為附設(shè)式布置，并與低壓配電室合建。變壓器采用SCB11節(jié)能型干式變壓器，低壓配電柜選用MNS型抽屜式低壓開關(guān)柜，低壓接地系統(tǒng)采用TN-S系統(tǒng)[6]。

3.2 參數(shù)設(shè)置

為了研究濕式溢流型球磨機(jī)同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電壓暫降，需要計(jì)算原始參數(shù)[7]。

（1）電動(dòng)機(jī)額定功率：4 800 kW；額定功率因數(shù)：0.9（超前）；額定轉(zhuǎn)速：200 r/min；直接啟動(dòng)電流倍數(shù)：4倍；額定電壓：10 kV；額定電流：321 A；啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：0.42。

（2）系統(tǒng)預(yù)接負(fù)荷無(wú)功功率：3.77 Mvar；最小運(yùn)行方式下配電10 kV母線短路容量：120 MVA；供配電系統(tǒng)基準(zhǔn)短路容量：100 MVA。

（3）同步電動(dòng)機(jī)數(shù)量：1臺(tái)；同步電動(dòng)機(jī)供電電源電纜型號(hào)規(guī)格：ZR-YJV-8.7/10 kV-2（3×120）；線路電抗：0.095 Ω/km；供電距離：0.1 km。

3.3 同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電壓暫降的計(jì)算

依據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)（第四版）》上冊(cè)第482頁(yè)表6.5-4的全壓?jiǎn)?dòng)相關(guān)計(jì)算思路，進(jìn)行同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電壓暫降計(jì)算：

（1）額定啟動(dòng)容量=4×4 800÷0.9×10-3=21.33 MVA；

（2）啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)回路的計(jì)算容量=1÷[1÷21.33+（0.095×0.1）÷2÷10.52）]=21.277 MVA；

（3）配電10 kV母線電壓相對(duì)值=1.05×120÷（120+3.77+21.277）=0.868 7。

應(yīng)業(yè)主單位生產(chǎn)運(yùn)行要求，同步電動(dòng)機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中需要頻繁啟動(dòng)，其配電10 kV母線電壓相對(duì)值在電動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)時(shí)不應(yīng)低于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的90%（0.9）[8]，而0.868 7＜0.9，故此臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)在電力系統(tǒng)中不能全壓?jiǎn)?dòng)，否則會(huì)給整個(gè)供配電系統(tǒng)及其他用電設(shè)備（如照明等敏感負(fù)荷）帶來(lái)明顯干擾，使同一供配電系統(tǒng)中相關(guān)照明燈具照度降低，導(dǎo)致系統(tǒng)中電子控制器不能正常工作，生產(chǎn)過(guò)程中斷、服務(wù)器癱瘓、用戶端數(shù)據(jù)丟失和出錯(cuò)，以及低壓電動(dòng)機(jī)接觸器線圈的電壓低于釋放電壓等電氣故障。無(wú)論從安全還是經(jīng)濟(jì)方面，都會(huì)給用電企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和用電安全隱患，大大降低了電能質(zhì)量，極大地增加了業(yè)主的電能使用成本。

4 電壓暫降問(wèn)題的應(yīng)對(duì)措施

根據(jù)上述分析，高壓同步電動(dòng)機(jī)采用安全合理的啟動(dòng)方式顯得尤為重要。若供配電系統(tǒng)的外部供電電網(wǎng)短路容量不夠大，就要從供電部門、用戶與用電設(shè)備廠商等多方面考慮應(yīng)對(duì)措施。

4.1 優(yōu)化高壓同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)

4.1.1 現(xiàn)有啟動(dòng)方式的不足

采用變壓器-電動(dòng)機(jī)組啟動(dòng)、串聯(lián)電抗器降壓?jiǎn)?dòng)、自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)及高壓軟啟動(dòng)等啟動(dòng)方式都可以有效降低同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流，從而明顯減小同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)回路計(jì)算容量，使其頻繁啟動(dòng)時(shí)配電10 kV母線電壓相對(duì)值不低于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的90%。雖然可以提高電能質(zhì)量，且滿足電力系統(tǒng)電壓暫降相關(guān)的正常運(yùn)行要求，保障供配電系統(tǒng)各用電設(shè)備的正常運(yùn)行，但各種非全壓?jiǎn)?dòng)方式增加了業(yè)主的用電成本。例如，需要新增采購(gòu)?fù)诫妱?dòng)機(jī)專用配電變壓器、高壓電抗器、自耦變壓器及高壓軟啟動(dòng)裝置等，從經(jīng)濟(jì)性考慮，不能當(dāng)作最理想的啟動(dòng)方案。

4.1.2 啟動(dòng)優(yōu)化：增加母線短路容量

為了滿足經(jīng)濟(jì)全壓?jiǎn)?dòng)的同步電動(dòng)機(jī)安全使用要求，在企業(yè)相關(guān)10 kV供配電設(shè)備繼電保護(hù)正確使用動(dòng)作的前提下，筆者通過(guò)業(yè)主單位聯(lián)系了該企業(yè)的相關(guān)供電部門。經(jīng)業(yè)主單位同意，相關(guān)供電部門適當(dāng)?shù)卦黾恿斯╇娤到y(tǒng)的短路容量，使最小運(yùn)行方式下企業(yè)的同步電動(dòng)機(jī)配電的10 kV母線短路容量增加到了180MVA。

此時(shí)，配電系統(tǒng)10 kV母線電壓相對(duì)值為1.05×180÷（180+3.77+21.277）=0.921 7＞0.9，同步電動(dòng)機(jī)配電的10 kV母線電壓相對(duì)值在電動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)時(shí)可以大于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的90%，使得此臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)在電力系統(tǒng)中可以全壓?jiǎn)?dòng)。

4.2 減少故障數(shù)量

可以通過(guò)減少故障數(shù)量解決電壓暫降問(wèn)題。為了減少故障數(shù)量，需要增加對(duì)電力系統(tǒng)的維護(hù)強(qiáng)度。例如，在架空線入地、架空線外加絕緣；對(duì)剪樹作業(yè)嚴(yán)加管理；架設(shè)附加的屏蔽導(dǎo)線以提高絕緣水平；增加維護(hù)和巡視的頻率；提高用電設(shè)備的抗電壓暫降等干擾的能力等。

4.3 縮短故障清除時(shí)間

除了減少故障數(shù)量，也可以通過(guò)縮短故障清除時(shí)間來(lái)控制電壓暫降問(wèn)題。例如，采用有限流作用的熔斷器和快速故障限流器、高速固態(tài)切換開關(guān)、快速電流斷路器等裝置；通過(guò)縮小繼電保護(hù)分級(jí)區(qū)域的方法，以犧牲選擇性為代價(jià)來(lái)縮短故障清除時(shí)間；采用速動(dòng)后備保護(hù)等。

4.4 改變供電方式

為了改變供電方式，提高供電穩(wěn)定性，可以在敏感負(fù)荷附近加設(shè)供電電源；可以采用母線分段或多設(shè)配電站的方式來(lái)限制同一供電母線上的饋線數(shù)，以縮小故障的影響范圍等。此外，需要選擇合適的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式，以確保電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)造成的電壓降在允許的范圍內(nèi)。

4.5 安裝附加設(shè)備

可以在供電系統(tǒng)與用電設(shè)備的接口處安裝附加設(shè)備，如不間斷電源（UPS）、動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器（DVR）及配電型靜止補(bǔ)償器（DSTATCOM）等。常用的附加設(shè)備是UPS和DVR，具體分析如下。

4.5.1 UPS

UPS作為敏感負(fù)荷的備用電源，可有效清除系統(tǒng)電壓驟降或瞬時(shí)中斷對(duì)負(fù)荷的干擾。UPS的容量有限，一般不超過(guò)兆瓦級(jí)，對(duì)于提高大型敏感工業(yè)用戶的供電質(zhì)量有局限性。此外，UPS造價(jià)較高，在很大程度上制約了UPS的應(yīng)用范圍。

4.5.2 DVR

DVR是用來(lái)補(bǔ)償電壓暫降、提高下游敏感負(fù)荷供電質(zhì)量的串聯(lián)補(bǔ)償裝置，通常安裝在電源與重要負(fù)荷的饋電線路之間。在正常供電狀態(tài)下，DVR處于低損耗備用狀態(tài)；在供電電壓發(fā)生突變時(shí)，DVR可在幾毫秒內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)與電網(wǎng)同步的三相交流電壓，該電壓與源電網(wǎng)電壓相串聯(lián)，可以補(bǔ)償故障電壓與正常電壓之差，從而讓饋線電壓恢復(fù)到正常值。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，各用電企業(yè)在實(shí)際條件允許的情況下，應(yīng)該盡量用更大短路容量的供電電網(wǎng)對(duì)企業(yè)供電。這不僅可以使企業(yè)各供配電設(shè)備的繼電保護(hù)正確動(dòng)作，也可以避免或減少企業(yè)對(duì)于各用電設(shè)備（如電動(dòng)機(jī)降壓?jiǎn)?dòng)裝置）的投入，極大地減少企業(yè)電能使用維護(hù)的相關(guān)費(fèi)用，在一定程度上降低企業(yè)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)成本，從而保證企業(yè)供配電系統(tǒng)長(zhǎng)久、平穩(wěn)、安全、可靠地運(yùn)行。