石油化工行业低压电动机起动分析

王 志 南

（中国寰球工程公司辽宁分公司，辽宁 抚顺 113006）

石油化工行业低压电动机起动分析

王 志 南

（中国寰球工程公司辽宁分公司，辽宁 抚顺 113006）

首先对石化行业低压电动机起动分析的意义和起动方式的选择做了阐述；然后通过电气计算软件ETAP分析实例结合理论研究对影响电动机起动的主要因素做了具体分析，并提出相应问题的解决方案；最后就电动机起动相关问题提出一些建议。

低压电动机； 起动； 压降

电动机作为主要的动力设备，是石油化工生产装置中用量最大的驱动设备，主要用于驱动石油化工行业中的泵、风机、压缩机和其他传动机械等。可以说电动机是石化装置的动力源泉。尽管电动机通常由机械设备配套，电气设计人员仅在少数情况下参与选择或校核，但对电动机的性能、常用参数和选择要点有所了解，还是很有必要的。

中国寰球工程公司辽宁分公司 2007年引进了国际权威的计算软件 ETAP，使电动机起动计算更加便利，准确。结合几年来对软件的使用情况，笔者主要针对设计人员在电动机起动分析方面存在的一些误区发表一些自己的观点和看法。

1 电动机起动分析

1.1 电动机起动分析的意义

随着石油化工装置规模的扩大，石化企业中异步电动机的单机功率逐渐增大，电机起动时所产生的冲击电流不管是对电力系统还是对设备本身都存在很大影响。电动机起动作为电力系统分析的一个重要环节直接影响供配电系统的稳定性，合理的选择起动方式，对提高电动机功效、节约成本、优化供配电系统均有重要意义。

1.2 电动机起动方式

交流低压电动机通常采用三种起动方式：

（1）直接启动（全压起动）

作为石化行业低压电机的主要起动方式，直接起动是直接给电机加额定电压，起动速度快；接线简单；操作方便。现今石化企业变压器容量较大，满足大部分中小型低压电动机的直接起动要求。

（2）降压起动

低压电动机降压起动方式包括自耦变压器降压起动、星-三角降压起动和变压器-电动机组起动，降压起动电流小，对母线冲击小。但起动转矩小，起动时间长，起动过程不平滑，电动机绕组温升高。基于以上缺点，传统的降压起动方式正逐渐被软起动方式所取代。

（3）变频起动

只有当负载运行有变频要求时，才需要做电机变频处理。如果仅仅作为起动方式的选择，由于其成本较高，不提倡采用变频起动方式。

作为石油化工行业最主要的起动方式—全压起动，本文主要针对它进行分析。

1.3 全压起动分析

全压起动作为最简单、最可靠、最经济的起动方式，应优先考虑；只有当全压起动条件不允许时，才考虑其他起动方式。

电动机全压起动过程中，我们主要考虑的主要有以下几方面影响：

（1）配电母线电压波动；

（2）机端电压降；

（3）对电机本身及拖动设备的冲击。

配电母线电压波动影响母线上其他设备的正常运转；机端电压决定能否保证拖动设备的正常起动及电动机温升的影响；电机及拖动设备本身的抗冲击能力决定电机的起动方式，属于电机本身内在的因素，而对于电机本身及设备的冲击，如制造厂商无特殊要求，一般不作考虑。因此只考虑前两点因素的影响：配电母线电压的波动和机端电压降。

1.3.1 配电母线电压波动

根据《工业与民用配电设计手册》（第三版），电动机起动时，配电母线上电压应符合下列要求[2]:

（1）在一般情况下，电动机频繁起动时配电母线电压不应低于系统标称电压的90%；电动机不频繁起动时，不低于标称电压的85%。

（2）配电母线上未接照明负荷或其他对电压下降敏感的负荷且电动机不频繁起动时，不应低于标称电压的80%。

（3）配电母线上未接其他用电设备时，可按保证电动机起动转矩的条件决定；对于低压电动机，还应保证接触器线圈的电压不低于释放电压。

由此可以看出，电动机起动对于母线波动的影响，设计手册都做了比较明确的界定。石油化工行业中的电动机起动一般都不频繁，可按第一条中不频繁起动情况考虑，即不低于标称电压的85%。实际设计中，只要不是特殊情况，我们均可按85%这个界线执行。再此，就不做过多阐述。

1.3.2 机端电压降

接着分析全压起动的另一方面影响—机端电压降，设计手册对机端压降的影响没有明确的界定标准，只是指出机端电压的下降要能够保证传动机械要求的起动转矩。这就导致很多设计人员在进行起动分析时容易对机端压降的概念发生混淆，比如起动机端压降和运行机端压降。行业标准《石油化工企业生产装置电力设计技术规范》指出：正常运行情况下，用电设备端子处电压应按下列偏差允许值（额定电压的百分比）进行验算[1]：

a. 正常情况下 ±5%；

b. 特殊情况下 +5%、-10%；

c. 经常起动 -10%；

d. 不经常起动 -15%。

以上允许值指的是电动机在平稳运行情况下，机端压降的允许值（包括母线电压波动及配电线路压降等因素的影响），而不是电动机起动过程中机端压降的允许值。很多设计人员在进行压降计算时，如果机端压降低于70%或80%时就感觉机端压降已经很低了，而草率的认为电动机无法起动。这是错误的，因为电动机在起动过程中机端电压可能下降到一个很小的值，但是如果电动机带的设备起动转矩要求不高或是空载起动时，电动机仍能够起动成功。

为了打消认识上的误区，下面对电动机起动过程机端压降允许值做一个简单的计算。机端电压的下降要能够保证传动机械要求的起动转矩，即[2]

式中：ustm—起动时电动机端子相对值；

Mstm—电动机起动转矩相对值；

Mj—电动机传动机械的静阻转矩相对值。

常用电动机传动机械所需转矩相对值见表1。

表1 常用电动机传动机械所需转矩相对值[2]Table 1 Required torque relative value of common motor’s mechanical transmission

石油化工企业中采用的主要泵和风机一般为离心式，采用的压缩机一般为往复式压缩机。查表1得离心泵的起动静阻转矩相对值为0.3，往复式压缩机的起动静阻转矩相对值为0.4。而鼠笼式电动机的起动转矩和制造工艺有关，一般为额定转矩的0.8到2.2倍[3]。

石油化工行业低压电动机主要采用的是YB系列鼠笼电动机，因各个制造厂家生产工艺的不同，电动机的起动转矩相对值也存在很大差异，但基本上都能够达到1.5以上，按最不利情况考虑，静阻转矩相对值取0.3；电动机起动转矩相对值取1.5，按公式（1）计算如下：

通过以上计算可以发现：如电动机本身无特殊要求，在仅考虑机端电压的影响时，机端电压甚至低于50%时，电动机仍可正常启动。但实际情况中机端电压也不能无限的降低，因为机端电压的降低肯定会导致电机线圈温升的加剧，这同样是一个值得考虑的因素。

设计手册中只对高压电动机的起动温升做了计算上的说明，而并未对低压电动机起动温升做明确的阐述。也是出于考虑电动机温升计算比较复杂，同时低压电动机容量较小；起动时间较短，温升的影响基本上可以忽略，不用特别进行算。

YB系列低压电动机一般采用F级绝缘，温升按B级考核，即允许温升为80 ℃。由此，理论上可以认为：只要电动机起动过程中温升不超过 80℃，机端压降不低于45%，电动机可以起动成功。实际工程应用中，机端压降一般确定为65%左右，实践证明，无论是满足拖动设备的静阻转矩，还是电动机温升的要求，此数值都是比较合理的。

解决机端电压过低的方法包括增大电缆截面和提高电动机本身的起动转矩。而我们通常采用的软起动方式是解决母线电压降过大的方法，而并不是解决机端电压过低的方法。

2 ETAP软件分析实例

ETAP软件是一款国际通用的电气计算软件，在计算短路电流、大电机起动方面有着独特的优势和权威性。使用ETAP软件进行电机起动分析计算能大大节省时间，提高准确性。

首先利用软件建立一个简单的电机起动模型，配电变压器及电动机的具体参数如图1、2。

图1 电动机参数Fig. 1 Motor parameters

图2 变压器参数Fig.2 Transformer parameters

根据以上参数建立的系统单线图如图3。

图3 系统单线图Fig.3 System single line diagram

计算过程中主要关注的是电动机1全压起动时母线1及电动机端电压下降的情况。具体计算结果如图4。

图4 150 kW电动机起动分析结果图Fig.4 Analysis results of 150 kW motor startup

由上图计算结果可以看出：电动机1起动时，母线1电压为89.07%，满足电压降要求；电动机端电压为 69.4%，满足机端电压降要求，电动机可以采用全压起动方式。但机端电压偏低，可以增大电缆截面来改善。

下面把电动机1功率增大到250 kW，其他负荷容量改为100 kVA，再次进行计算，结果如图5。

图5 250 kW电动机起动分析结果图Fig.5 Analysis results of 250 kW motor startup

可以看出：电动机1起动时，母线1电压降为83.52%，不满足母线电压降要求；电动机全压起动条件不满足。可转为采用软起动或其他降压起动方式，但采用降压起动方式，电动机端子电压必须满足传动机械的起动要求。因此，在全压起动条件不满足，而机端电压又比较低的情况下，降压起动方式并不能解决起动问题，相反还会雪上加霜，这种情况下最好的解决方案就是提高电动机的电压等级，从而减小起动电流和母线电压降。

4 结束语

综上所述，母线压降和机端压降是电动机起动分析中需要认真对待的两个重要因素，设计人员对分析过程要严谨、细致，不能简单的凭经验或感觉做出判断，要对计算结论有充分的理论依据和实践基础。同时电动机起动方式的选择也应综合考虑人员操作简便性、经济合理性、起动可靠性等多方面因素。

[1] SH 3038-2000,石油化工企业生产装置电力设计技术规范[S].

[2] 中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册[M].3版.北京:中国电力出版社,2000.

[3] 林良养.电机学与拖动基础[M].广州:华南理工大学出版社,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，助理工程师，2005年毕业于中国石油大学（华东）应用物理学专业，从事公企电气设计工作。E-mail：wzn_1982@yahoo.com.cn，电话：0413-7593606。