调整变压器参数改善电动机起动的可行性分析

曾翔鹏

中国石化工程建设有限公司 北京 100101

摘要：一台直接起动引起配电系统电压暂降超出规范限值的电动机，常用的起动解决方案有限流软起、变频软起、电动机-变压器组起动、电抗器降压起动、自耦变压器降压起动等。本文对变压器容量或阻抗电压调整从而起到改善电动机直接起动的可行性进行讨论。

关键词：电压暂降 最小短路容量 变压器阻抗 电动机起动电流倍数 

在石油化工工厂配电系统中，大电机起动时引起的配电母线压降一直是备受关注的问题。在工程项目中，选择合适的大电机起动解决方案，需综合考虑各项成本，包括设备投资及后续维护、设备占地等。本文将主要讨论调节变压器容量或阻抗，结合降低电动机额定起动电流倍数，以此来改善电动机直接起动引起的电压暂降在工程项目中应用的可行性。1 三相异步电动机的起动

1.1 三相异步电动机的起动特性[1]

电动机起动时，旋转磁场以同步转速切割转子导体，在转子绕组中产生很大的感应电动势和电流，尽管转子电流很大，但其有功分量并不大，其无功分量很大。从而使与转子电流相平衡的定子电流无功分量也很大。过大的冲击电流会引起电网电压瞬间下降。如果电压降过大，会影响接在同一电网上的其他电机或其他电气设备的正常运行。在工程项目设计阶段，需要对配电母线上的大电机起动进行计算，以保证电动机起动时配电系统中的电压暂降满足规范要求。1.2 电动机起动时的电压偏差允许值

电动机起动时，机端电压应能保证被拖动机械要求的起动转矩，且在配电系统中引起的电压暂降不应妨碍其他用电设备的工作[2]。根据国标GB 50055-2011 《通用用电设备配电设计规范》[4]第2.2节，和石化标准SH/T 3038-2017 《石油化工装置电力设计规范》[3]第4.4.6条规定：在一般情况下，电动机频繁起动时不应低于系统标称电压的90%，电动机不频繁起动时，不宜低于系统标称电压的85%。1.3 三相异步电动机全压起动

全压起动也称直接起动，是最常用的起动方式，它是将电动机的定子绕组直接接入电源，在额定电压下起动，具有起动转矩大、起动时间短的特点，也是最简单、最经济和最可靠的起动方式[2]。对石油化工工程项目而言，可靠性对保证石油化工装置安全非常重要，因此，直接起动是石油化工装置中电动机最优先考虑的方案。对变压器的容量或阻抗电压进行调整，以改善下级系统短路容量，结合降低电动机额定起动电流倍数，从而满足系统中大电机全压起动需求也是一种电机起动解决方案。本文对此方案的可行性进行讨论。2 电动机起动时电压暂降的计算[2]

在工程项目中，对系统中的大电机，在工程设计阶段均需要进行电机起动压降核算，以确认电机的起 370

动方案。无限大容量电源系统供电的电动机起动时电压暂降计算[2]在石油化工工程中，遇到较多的情况是大电机由电源供电，此时电源视为无限大容量电源系统，典型的系统结构见图1：SscSrTUstBSscBQLUstMSstMMSrM图1 无限大容量电源系统结构

图中：Ssc—最小运行方式下系统短路容量，MVA；SscB—最小运行方式下母线短路容量，MVA； SrT—变压器额定容量，MVA；ST—变压器计算容量，MVA；ustb—电机起动时母线电压相对值；ustm—电机起动时机端电压相对值；Srm—电动机额定容量，MVA；SstM—电动机额定起动容量，MVA，其值为kstSrM；kst—电动机额定起动电流倍数；QL—预接负荷的无功功率（可取0.6（ST-0.75SrM））。改善电动机起动时母线电压暂降的理论依据由于系统预接负荷的无功功率QL相对固定，故增大最小运行方式下母线短路容量sscB和降低电动机起动时起动回路的计算容量Sst才是改善电动机起动的可行方案。增大最小运行方式下母线短路容量SscB根据公式1：由上式可知，增大最小运行方式下系统短路容量Ssc和增大变压器计算容量ST可以增大最小运行方式下母线短路容量SscB。在工程项目中，最小运行方式下电气系统短路容量Ssc受限于电气系统和运行方式，一般而言很难改2019年第9期善，因此考虑增大变压器计算容量ST。由上面的计算公式可知，增大变压器计算容量的方法有：增大变压器额定容量SrT降低变压器阻抗电压uk%降低电动机起动时起动回路的计算容量Sst根据公式2：由上面的计算公式可知，降低电动机起动时起动回路的计算容量的方法有：降低电动机额定起动容量SstM增大线路电抗X1中压系统的电缆截面需满足其热稳定校验的最小截面要求。采用减小电缆截面增大线路电抗的方法来降低起动回路的计算容量收效甚微。需要注意的是，根据公式5，增大线路电抗X1会使电动机起动时的机端压降更严重，从而引起起动时起动转矩的进一步下降。因此，不考虑使用减小配电电缆截面增大线路阻抗的方式。因此，降低电动机额定起动容量SstM才是降低电动机起动时起动回路的计算容量的可行方案。根据电动机额定起动容量SstM公式可知：在电动机额定容量不变的情况下，与电机制造厂协商降低电动机额定起动电流倍数kst可以有效降低电动机额定起动容量。3.3 理论可行方案

综上所述，在满足电动机起动端子电压要求的前提下，改善电动机起动造成的配电系统母线电压暂降，具备理论依据的可行方案有：1）增大变压器额定容量SrT2）降低变压器阻抗电压uk%3）降低电动机额定起动电流倍数kst4 工程实例

某石油化工装置10kV配电系统35/10.5kV进线变压器容量为25MVA，变压器阻抗电压10%。变压器35kV侧最小运行方式下稳态短路电流10kA，35kV侧最大运行方式下稳态短路电流15kA。10kV系统功率因数为0.9。该装置10kV配电系统接有2台5000kW电机（一用一备），额定电压10kV，鼠笼式异步电动机，不频繁起动；2台3000kW电机（一用一备）， 额定电压10kV，鼠笼式异步电动机，频繁起动。科学管理4.1 电机起动计算

起动母线短路容量：5000kW电机起动系统预接无功功率：5000kW电机起动回路计算容量：5000kW电机起动母线压降计算公式：（不频繁起动）5000kW电机起动机端压降计算公式：3000kW电机起动系统预接无功功率：3000kW电机起动回路计算容量：3000kW电机起动母线压降计算公式：（频繁起动）3000kW电机起动机端压降计算公式：4.2 方案分析

根据上一节的计算结果，该10kV系统中的2台不频繁起动的5000kW电机起动时配电母线电压低于额定电压85%，配电母线电压低于国标要求，机端电压低于厂家要求；2台频繁起动的3000kW电机起动时配电母线电压低于额定电压90%，配电母线电压低于国标要求。故4台电动机均无法实现全压直接起动。因为该装置的电动机为一级负荷，如果直接考虑使用限流软起动设备或者变频设备，至少需要4台软起设备或者变频设备。设备投资和变电所占地都将增加。因此，考虑调整配电35kV变压器的容量和/或阻抗电压以提高10kV系统的短路水平，降低电机额定起动电流倍数以减少电机的起动容量，从而实现电机全压起动。 371

科学管理4.3 方案验证

1）方案一验证结论采用方案一，5000kW和3000kW的电动机均可以全压起动，起动时配电母线压降满足规范要求，机端压降满足厂家对起动转矩的要求。调整变压器容量不会对高压电器设备和电缆选型造成影响，只会较多的增加变压器投资，而且运行时变压器负荷率较低，运行损耗大。2）方案二验证结论采用方案二，5000kW和3000kW的电动机均可以全压起动，起动时配电母线压降满足规范要求，机端压降满足厂家对起动转矩的要求。调整变压器阻抗不会对高压电器设备和电缆选型造成影响，会较少的增加变压器投资，而且运行时变压器运行损耗降低。2019年第9期的要求，也在一定程度上增加了电机的投资。5 结论

对变压器的容量或阻抗电压进行调整，以改善下级系统短路容量，结合对电动机起动电流倍数进行，从而满足系统中大电机全压起动需求是一种非常可行的电机起动解决方案。但是，需要特别注意的是，虽然增加变压器的容量和/或降低阻抗电压提高了系统最小运行方式下的短路容量，与此同时，系统最大运行方式下的配电母线短路容量也会增大。故在使用此方案核算大电机全压直接起动可能性时，需根据新的变压器容量或阻抗电压计算系统最大运行方式下短路电流，重新核算高压电器设备短路水平和电缆最小截面，避免由于变压器容量的增大、或变压器阻抗电压的降低，造成高压开关设备的短路水平提高和电缆最小截面的大幅提高，投资增加。如果出现增大变压器的容量和降低阻抗电压导致中压柜短路电流耐受水平或中压电缆最小截面大幅升高的情况，就需要根据整个供配电系统各类设备和材料的投资、变电所占地等进行综合比较，选取最优方案。4.4 方案选择

方案一和方案二均可以使电机满足直接起动的要求，由此可见调整变压器的容量或阻抗电压，结合调整电动机起动电流倍数是改善电机起动压降非常行之有效的方法。选用方案一或方案二，相对于选用限流软起或者变频器起动电机的方案，均能节省投资。对比方案一和方案二：方案一增大变压器容量，会增加两台变压器的投资，而且变压器负荷率降低，损耗增加；方案二降低变压器阻抗，会增加两台变压器投资，但是变压器负荷率还是维持不变，变压器损耗降低。相对而言，方案二是更优方案。同时，降低电动机的额定起动电流倍数和降低电机起动时的机端电压参考文献 

[1] 电机与拖动[M].北京：机械工业出版社，2012 .[2] 工业与民用配电设计手册[M].第4版.北京：中国电力出版社，2016 .

[3] SH/T 3038-2017.石油化工装置电力设计规范[S].[4] GB 50055-2011   通用用电设备配电设计规范[S].

（上接第365页）

养，积极的对其爱岗敬业的工作态度以及责任意识进行全面的培养，由此才可以进一步提升油田保卫人员梯队建设水平。针对刚刚上岗的油田保卫人员，能够让拥有较强工作经验积累的油田保卫人员帮助这些新入岗的工作者对作业环境以及作业内容进行充分的偶按揭，由此才可以提升新油田保卫人员的教育培训水平，促使其能够对自身工作职位与责任进行充分的了解。效率和质量提供良好的保障。4 结束语 

总而言之，在油田企业之中提升保卫人员教育培养力度，可以很好的提升保卫工作整体质量，让油田企业之内的政治更具稳定性，对我国各大油田企业的未来不断发展具有深远意义。油田企业必须积极借助更具科学性与合理性的手段，不断提升保卫人员对自身工作的了解，提高保卫人梯队建设力度，编制更具健全性的制度，对保卫人员进行深度培养，以此才可以让保卫人员整体综合素质获得进一步的提升，从而为油田企业的可持续战略发展提供良好的保障。3.3 建设健全的油田保卫工作机制

各大油田企业应该积极建设健全的油田保卫工作机制，并对油田保卫人员的作业内容以及行为活动予以全面的规范，由此不断提升其工作效果与质量。首先，应该针对油田保卫人员编制严格且健全的任职考核机制，通过考核且专业素质较强的油田保卫人员才可以到港入职，由此对提升油田保卫如年万元整体素质具有积极作用。其次，还应该就建设更具性且完善的内部监督部门，对油田保卫人员有无在常规工作中严格根据所编制的体质落实，有无存在徇私舞弊的问题进行严格的监督，以此为油田保卫人员的作业参考文献 

[1]周毅.浅析油田企业保卫人员的素质和培养[J].东方企业文化，2014，（16）：147-147.

[2]欧阳涛.油田企业内部保卫人员的素质和培养[J].中国高新技术企业（中旬刊），2011（5）：81-82.

[3]欧阳涛.油田企业内部保卫人员的素质和培养[J].中国高新技术企业（中旬刊），2011（2）：81-82.

作者简介

方敏（1988.12），男，汉，大专学历，研究方向：油田保卫。

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