電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)壓降的計(jì)算與應(yīng)對措施

［摘 要］電動(dòng)機(jī)全壓啟動(dòng)電壓下降是電器啟動(dòng)和設(shè)計(jì)中必須注意的環(huán)節(jié)，關(guān)系到電網(wǎng)、電機(jī)壽命及電動(dòng)機(jī)機(jī)械設(shè)備的安全平穩(wěn)運(yùn)行。文章分析了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)壓降的產(chǎn)生原因、計(jì)算及危害，提出了優(yōu)化高壓同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、電網(wǎng)與用戶設(shè)備間加設(shè)緩沖設(shè)備及根據(jù)工況安裝動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器等應(yīng)對措施，能在一定程度上保護(hù)電網(wǎng)和和電動(dòng)機(jī)，延長電動(dòng)機(jī)壽命，保障系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行。

［關(guān)鍵詞］電壓下降；全壓啟動(dòng)；計(jì)算；應(yīng)對措施

［中圖分類號］TM714.2 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）04–0097–03

1 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)壓降產(chǎn)生的原因

電壓暫降是指電力系統(tǒng)中某點(diǎn)工頻電壓的均方根值突然降低至額定電壓的10%～90%（即幅值為0.1～0.9 p.u.），并在持續(xù)10 ms 至1 min 后恢復(fù)到正常水平的現(xiàn)象。通常情況下，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電壓降由3 部分組成，即變壓器端子的電壓降、配電母線電壓降，干線末端電壓降（當(dāng)有配電干線時(shí)） 。變壓器端子的電壓降主要由變壓器的阻抗通過電流產(chǎn)生，配電母線電壓降主要是母線的電阻、電抗通過電流產(chǎn)生的電壓損失，干線末端電壓降主要是配電線路的電阻、電抗通過電流產(chǎn)生的電壓損失。

2 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)壓降的計(jì)算

電動(dòng)機(jī)處于全壓啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，需要從電源端汲取的電流量是正常運(yùn)行時(shí)的5～8 倍，當(dāng)這種較大的電流通過系統(tǒng)阻抗時(shí)，就會(huì)造成線路電壓瞬時(shí)降低。在企業(yè)正常生產(chǎn)過程中，當(dāng)出現(xiàn)電壓瞬時(shí)降低時(shí)，極易造成設(shè)備故障或系統(tǒng)停電，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸事故的發(fā)生，故電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)壓降問題應(yīng)該引起足夠重視。通常情況下，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前的電壓均方根值U與啟動(dòng)時(shí)的電壓均方根值Ust 之差稱為電壓暫降，以系統(tǒng)標(biāo)稱電壓Un 的百分?jǐn)?shù)表示為：

Δust=（U–Ust）/Un×100% （ 1）

式中，U為啟動(dòng)前電壓均方根，Ust為啟動(dòng)時(shí)電壓均方根，Un為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓。

設(shè)定電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前的母線電壓與網(wǎng)絡(luò)標(biāo)稱電壓相等，通過試驗(yàn)總結(jié)，電動(dòng)機(jī)全壓啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，以銅芯電纜為例，母線與電動(dòng)機(jī)端子電壓的表達(dá)式如下。

（1）線路電抗X1 ：10 kV 以下電纜且截面積不大于150 mm2時(shí)：

式（2）～（10） 中，L 為電纜長度，km ；S 為電纜截面積，mm2 ；n 為電纜根數(shù)；PrM 為電機(jī)功率，kW ；Kst 為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流倍數(shù)；Ssc 為最小運(yùn)行方式下的系統(tǒng)短路容量，MVA ；Uav 為系統(tǒng)平均電壓，kV ；Uk 為變壓器電抗相對值（如0.045）；SrT 為變壓器額定容量，MVA ；cosφ 為功率因數(shù)；Us 為電源母線電壓相對值（如1或1.05等）；?B為變壓器負(fù)載率，%。

3 實(shí)例說明

某化工裝置內(nèi)新增1 臺低壓電動(dòng)機(jī)，數(shù)據(jù)如下：①電機(jī)功率為110 kW，啟動(dòng)電流倍數(shù)為7，功率因數(shù)0.8。②現(xiàn)場至變電所的距離是300 m，所內(nèi)變壓器額定容量是1.250 MVA，變壓器短路容量（最小運(yùn)行方式下）為150 MVA，變壓器電抗相對值是0.045，電源母線電壓相對值是1，變壓器負(fù)載率取0.5。

當(dāng)分別采用雙拼50 mm2、70 mm2、95 mm2 與120 mm2 銅芯電纜供電時(shí)，母線電壓相對值與電動(dòng)機(jī)端電壓相對值對比見表1。

由表1 推出表2 數(shù)據(jù)。

由表1 和表2 可以得出以下結(jié)論。

（1）電纜的截面積不同時(shí)，對母線電壓相對值的影響較小，但對電動(dòng)機(jī)端電壓相對值的影響較大。

（2）隨著電纜截面積的增加，對母線電壓相對值的影響逐漸降低且降低的幅度越來越小，對電動(dòng)機(jī)端電壓相對值的影響逐漸增加但增加的幅度越來越小。

因此，當(dāng)遇到電動(dòng)機(jī)端電壓過低時(shí)，在電動(dòng)機(jī)參數(shù)一定的情況下，可以通過增加電纜截面積的方法來提高電動(dòng)機(jī)端電壓的相對值。

4 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)壓降（全壓啟動(dòng)）的危害

4.1 對電網(wǎng)造成影響

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)壓降（全壓啟動(dòng)）使電網(wǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定、功率震蕩情況的發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電網(wǎng)的某些主開關(guān)跳閘，保護(hù)參數(shù)的破壞，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備異常停機(jī)。

4.2 降低電動(dòng)機(jī)壽命

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)壓降（全壓啟動(dòng)）會(huì)產(chǎn)生大量熱量，這會(huì)加速絕緣層的老化（嚴(yán)重時(shí)直接造成絕緣物的擊穿），使其壽命縮短。

4.3 對機(jī)械（或設(shè)備）的傷害

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)壓降（全壓啟動(dòng)）時(shí)的電流是額定值的5～8 倍，強(qiáng)大的沖擊力和啟動(dòng)電流會(huì)使電機(jī)出現(xiàn)松動(dòng)，同時(shí)也會(huì)沖擊電機(jī)的定子線圈，使線圈發(fā)生變形，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)燒壞啟動(dòng)器的交流接觸器。

5 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)壓降（全壓啟動(dòng)）的應(yīng)對措施

5.1 優(yōu)化高壓同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)

降壓啟動(dòng)或母線短路擴(kuò)容以解決啟動(dòng)壓降。

（1）降壓啟動(dòng)可以有效減少對電網(wǎng)的沖擊，對電動(dòng)機(jī)引起的電壓波動(dòng)的要求是 10% 以下，即使電動(dòng)機(jī)引起的電壓有波動(dòng)，最多也不會(huì)大于15%，并且電動(dòng)機(jī)降壓啟動(dòng)后可以有效降低電流，從而使電網(wǎng)電壓的波動(dòng)率有所降低。

（2）降壓起動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流降低了（特別是降低至額定電流范圍之內(nèi)），會(huì)減小對電動(dòng)機(jī)機(jī)械部分的傷害。此外，降壓啟動(dòng)可以降低電機(jī)的發(fā)熱量，使其壽命延長。

常見的降壓啟動(dòng)有Y/Δ 啟動(dòng)、自耦變壓器啟動(dòng)、晶閘管啟動(dòng)及變頻器啟動(dòng)等方式。非全壓啟動(dòng)需要增加同步電動(dòng)機(jī)專用的配電變壓器、高壓電抗器、自耦變壓器及高壓軟啟動(dòng)等設(shè)備，才能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)降壓啟動(dòng)的目的。

此外，由供電部門增加供電系統(tǒng)母線的短路容量也是一項(xiàng)很好的選擇措施，可以在不增加經(jīng)濟(jì)投入的情況下使電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

5.2 優(yōu)化電網(wǎng)，減少故障發(fā)生頻率，縮短故障切除時(shí)間來抑制電壓暫降的發(fā)生

減少故障頻率通常使用的方法有剪樹作業(yè)的嚴(yán)格管理、架空線路加設(shè)外絕緣、架空線路入地、增加維護(hù)頻率、附加的屏蔽導(dǎo)線架空、提高絕緣等級等。在縮短故障切除時(shí)間方面，通常使用的方法有：①采用反時(shí)延過電流繼電器的措施縮短故障清除時(shí)間；②采用有限流作用的熔斷器或采用快速故障限流器的措施來緩解跌落時(shí)間；③采用固態(tài)開關(guān)的固態(tài)切換的措施等。

優(yōu)化供電方式也可以在一定程度上降低電壓暫降的幅度，如在系統(tǒng)關(guān)鍵位置裝設(shè)限流線圈，在靈敏負(fù)荷處設(shè)1 臺電源或在高靈敏負(fù)荷處選擇更多電源，設(shè)配電站或采用母線分段來限制同一母線的饋線數(shù)等。

5.3 在供電網(wǎng)絡(luò)與用戶設(shè)備間加設(shè)緩解設(shè)備

在電網(wǎng)及各參數(shù)固定的情況下，供電系統(tǒng)與用戶間加設(shè)緩解設(shè)備是個(gè)不錯(cuò)的選擇。通常用的緩解設(shè)備有不間斷電源（如UPS、PLC、PC、DCS 等）、動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器（也稱電壓恢復(fù)器，如DVR）、固態(tài)切換開關(guān)（如SSTS 等）、電壓暫降保護(hù)器（如VSP）等。從使用的情況看，效果良好。

5.4 對特別靈敏的工藝和設(shè)備，根據(jù)需要安裝動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器

對于特別靈敏的工藝和設(shè)備，一旦出現(xiàn)波動(dòng)，停機(jī)或出現(xiàn)故障導(dǎo)致的后果無法預(yù)期。為消除電壓波動(dòng)帶來的影響，可以根據(jù)需要安裝動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器，如目前國內(nèi)使用的美國索奇科技公司的DYSC 系列產(chǎn)品（如MegaDYSC、ProDYSC、MiniDYSC 等）屬于高效節(jié)能且可靠性較高的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器，使用效果較好。

此外，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高設(shè)備對電能質(zhì)量問題的抵御能力，使用戶設(shè)備處的電壓擾動(dòng)最小。

6 結(jié)束語

電動(dòng)機(jī)全壓啟動(dòng)電壓下降是電器啟動(dòng)和設(shè)計(jì)中必須要注意的環(huán)節(jié)，通過較為周密的計(jì)算能夠?qū)航档漠a(chǎn)生和大小有清晰的認(rèn)識，從而在設(shè)計(jì)開始階段就可以從電纜選型、供電負(fù)荷、母線容量等多方面進(jìn)行控制，當(dāng)電網(wǎng)及其負(fù)荷固定之后，還可以在后期采用不同的電壓補(bǔ)償器進(jìn)行控制，這能夠在一定程度上對電網(wǎng)、電機(jī)壽命及電動(dòng)機(jī)的機(jī)械設(shè)備起到保護(hù)作用，使系統(tǒng)安全平穩(wěn)地運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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