石化项目低压大功率变频电动机的配电设计及现场问题处理

蔡奥克

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

石化项目低压大功率变频电动机的配电设计及现场问题处理

蔡奥克

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

对大型石油化工环保污水处理零排放项目中所采用的低压大功率变频电动机的配电设计，着重对电能质量有关的内容，如电动机启动、电缆载流量校验及谐波，进行讨论、计算和分析。同时针对项目在设计、施工过程中所碰到的电气专业相关的现场问题进行处理和分析。列出了比选方案，并提出了合理化建议。

低压大功率；变频电动机；电能质量；施工现场问题

在大型综合石化项目中，为了减少化工废弃物对环境的影响，环保零排放项目必不可少。所谓“零排放”是指无限地减少污染物和能源排放直至为零的活动：即利用清洁生产，3R（Reduce， Reuse，Recycle） 及生态产业等技术，实现对自然资源的完全循环利用，从而不给大气、水体和土壤遗留任何废弃物。

环保水处理浓缩及结晶项目中，大功率变频设备比较多。本文将对该项目中低压380V、250kW变频电动机的配电设计进行阐述，并对电能质量相关的内容，如变频电动机启动、电缆校验等进行相关计算，同时着重讨论在设计、施工过程中可能碰到的问题及解决问题的方法。最后针对该项目中变频设备多、谐波污染比较大的情况，进行谐波计算，并提出谐波治理的解决方案。

1 工程情况介绍

1.1 电源情况介绍

某石化总承包项目位于某公司煤炭深加工生产区。该项目两路供电电源引自上级变电所10kV系统开关侧，正常情况下，两路电源各承担50 ％的负荷，当其中一路电源出现故障时，另一路电源能满足全部一、二级负荷的供电要求。变配电所设2台10/0.4kV 2 000 kVA 的油浸式变压器，用于给本装置的380/220V用电设备供电。

1.2 负荷情况介绍

本项目中设有循环水泵房一座，共有三台循环水泵，由三台变频250kW电动机驱动。正常情况下根据循环水量大小开启1～2台水泵，另外一台水泵备用。该循环水泵房为非防爆区、戊类厂房。

2 变频电动机配电设计及易忽略的问题

变频电动机配电设计主要需要考虑的问题有：电缆的校验、电缆线路压降的考虑、电动机的起动等，并根据相关计算结果进行电缆选型、配电柜元器件选型、电缆敷设路径的设计等。以下将对变频电动机在配电设计过程中碰到的比较重要的几个环节进行计算，同时对容易忽略的问题进行分析。

2.1 变频电动机的电缆校验计算及不同结构动力电缆的比较

2.1.1 变频电动机的电缆校验计算

首先根据工作电流选择电缆，并根据GB 50217—2007对电缆载流量校正系数进行校验。

电缆沿电缆梯架无间距敷设，且梯架内电缆敷设层数不超过二层，取电缆载流量校正系数K1=0.65。

本项目所在地区月平均最高气温22.5℃，取载流量校正系数K2并根据公式（1）进行计算。

其中，θm为电缆导体最高工作温度，取90℃；θ1为对应于额定载流量的基础环境温度，取40℃；θ2为实际环境温度，取22.5℃。计算得出K2=1.16。

电缆实际载流量应满足 I=IrM/K=592.58 A。

交联聚氯乙烯铜芯三芯变频电缆120mm2电缆载流量为332 A，150mm2电缆载流量为383 A。则可采用双拼ZRA-BPYJVP22-0.6/1kV-3×120mm2+3×25mm2电缆，或双拼ZRA-BPYJVP22-0.6/1kV-3×150mm2+3×35mm2电缆满足载流量要求。

其次，再对选择的电缆进行线路压降的校验计算。

根据《工业与民用配电设计手册（第四版）》表9.4-3中的公式Ud％=IrM×∆ua％×L，最远一台循环水泵电动机，电缆敷设距离约为290m。经过查表9.4-19得出∆ua％取值。

当采用双拼ZRA-BPYJVP22-0.6/1kV-3×120mm2+3×25mm2电缆时，取电压损失率∆ua％=0.09/2=0.045；则 Ud％=IrM×∆ua％×L=420×0.045×0.29=5.48 ％。

当采用双拼ZRA-BPYJVP22-0.6/1kV-3×150mm2+3×35mm2电缆时，取电压损失率∆ua％=0.075/2=0.037 5； 则 Ud％=IrM× ∆ ua％×L=420×0.037 5×0.29=4.57 ％。

根据GB 50052—2009第5.0.4条第一款要求，正常运行情况下，用电设备端子处电压偏差允许值宜符合下列要求：电动机电压偏差不超过±5 ％。因此，采用双拼ZRA-BPYJVP22-0.6/1kV-3×150mm2+3×35mm2电缆满足要求。

2.1.2 不同结构的动力电缆

一般情况下，石化项目中选用的动力电缆采用的是3+1结构的电缆，如ZRA-YJVP22-0.6/1kV-3×150mm2+1×75mm2。而变频电动机则适宜采用3+3结构的电缆，如图1所示。

如果采用3+1结构的动力电缆作为变频电动机的供电电缆，当电动机变频运行时，主芯线和中性线不对称结构使得谐波电压不平衡，当高次谐波产生时，经过多次反射，会出现很多谐波的波峰与波峰、波谷与波谷的叠加，电缆越长，叠加的情况发生得越多；另外，高次谐波产生在中性线内的电流分量无相位差，如此，谐波电流将叠加成各次电流分量的数倍，电缆绝缘容易被击穿。

变频电缆在主线绝缘线和零线绝缘线外依次设置内绕包层、铜带层、外绕包层、铠装层和外护套层，形成3+3线芯结构，使电缆具有较强的耐电压冲击性，能经受高速频繁变频时的脉冲电压，对变频电器起到良好的保护作用。对称电缆结构由于导线的互换性，有更好的电磁相容性，对抑制电磁干扰起到一定的作用，能抵消高次谐彼中的奇次频率，提高变频电机专用电缆的抗干扰性，减少了整个系统中的电磁辐射。因此，在变频电动机配电中采用3+3线芯结构变频电缆，可以良好地改善电能质量。

图1 动力电缆Fig.1 Power cable

2.2 变频电动机的起动压降计算及容易忽略的问题

2.2.1 变频电动机的起动压降计算

根据《工业与民用配电设计手册（第四版）》表6.5-4中电动机起动的计算公式进行计算。

装置变电所0.4kV 母线上的短路容量为最小运行方式下的短路容量Ssc，即Ssc=26.94 MVA。

变电所0.4kV 母线预接负荷的无功功率为 QL=0.41 Mvar。

变电所10/0.4kV变压器容量SrT=2 MVA，阻抗ud ％=5.5 ％。

循环水泵额定参数：

额定容量 PrM=250kW

额定电压 UrM=0.4kV

功率因数 cosφ= 0.9

额定电流 IrM=420 A

采用变频器后，起动电流倍数 Kst=3

由变电所0.4kV 开关柜至循环水泵的电缆采用双拼ZRA-BPYJVP22-0.6/1kV-3×150mm2+3×35mm2电缆，电缆长度按L= 0.29km；计入电阻后的该线路电抗。

起动回路的额定输入容量：

母线短路容量：

电机起动时0.4kV 母线的电压降百分数：

电机起动时电动机端的电压降百分数：

根据规范及项目统一规定的要求，循环水泵变频起动时母线的电压水平不低于85 ％，电动机端的电压水平不低于80 ％，因此该电动机采用变频全压起动方式满足要求。

2.2.2 起动压降计算中容易忽略的问题

在设计过程中，容易忽略的问题：在石化项目的变频器设计中，通常会在低压变频器柜内装设交流输入、输出电抗器。根据选型的情况，输入电抗器按2 ％的压降考虑，输出电抗器按1 ％的压降考虑（2.3节有输入、输出电抗器的详细描述）。

在加装输入、输出电抗器后，重新校验电动机端电压的压降。按电抗器总压降3 ％计算。则校验后的母线电压降百分数为：

则校验后的电动机端电压降百分数为：

根据校验后的数据可以看到，在本项目中，起动时电压降仍可以满足要求。如果经过计算，电压降未能满足要求，则需要根据实际情况进行调整以满足要求，比如降低输入输出电抗器产生的压降、选择更大导体截面的电缆等等。

2.3 变频电动机的谐波计算

谐波对电力系统产生的危害非常大。针对石化项目而言，谐波的危害主要体现在以下几个方面[1]：

（1）对旋转电机的影响。负序谐波电流脉动转矩产生机械振动和噪声，引起电动机端过电压。

（2）对变压器的影响。可使变压器的磁滞及涡流损耗增加，使绝缘材料承受的电气应力增大；增加变压器的铜损。

（3）对输配电线路的影响。线路感抗随频率升高而增加，导体的直径越大，因集肤效应而使谐波频率下的感抗增加越明显，谐波产生的附加损耗增大。另外，如上文所说，采用3+1结构的动力电缆中，奇数倍谐波不能在中性线上相互叠加，会导致中性线过热甚至击穿、烧断。

（4）对继电保护装置的影响。谐波会引起电网各类保护装置误动或者拒动，严重危害电网的安全运行。

工业装置一般治理谐波的常用方法有：在变频器柜内加装电抗器及采用滤波器。

2.3.1 交流电抗器

针对变频器产生的谐波影响，在变电所变频器开关柜的设计过程中，一般会设置输入交流电抗器和交流输出电抗器。

交流输入电抗器能够有效限制电网电压突变及操作过电压等引起的电流冲击，提高输入端的功率因数，改善电能质量。同时，又可以有效减少变频器产生的谐波电流对电网的污染。输入电抗器选型时候主要考虑其电流应大于变频器输入电流，压降不要太大，一般取2 ％（压降过大会影响电动机的端电压偏低）。输入电抗器的电感量可按式（2）计算。

其中，∆UL为电抗器额定电压降，In为电抗器额定电流，f为电网频率。

由于变频器输出的是PWM波，在输出线缆上可测量到的电压波形为脉冲波，电流波形为近似正弦波（因电动机感抗的滤波作用）。由于PWM波的频率远比工频50 Hz高（根据功率不同一般为2k～10 kHz），长电缆上由于分布参数（LRC）及与电机阻抗不匹配等因素，会导致电机侧的过电压，影响电动机绝缘寿命。因此，在采用长电缆进行变频电机配电的情况下，应加装输出电抗器。输出电抗器主要作用能补偿分布电容的影响，抑制变频器输出的谐波，改善长线电缆时的电机侧过电压情况。一般按照压降1 ％选取。

变频电机配电电缆的长度由于跟PWM波的上升速率、电缆的分布参数（包括布线）及电机参数等都有关系，很难定量计算。一般变频器厂商给出的长度在50～150m，功率越小，电缆越短。在靠近变频器输出侧加装输出电抗器后，电缆长度可翻倍。表1为某公司提供的输出电抗器与允许导线长度数据。

表1 输出电抗器与允许导线长度Tab.1 Output reactor and permitted conductor length

根据本项目的情况，250kW变频电动机的配电电缆长度为290m，并设有输出电抗器，基本符合上表的要求。

2.3.2 谐波的计算及有源滤波器的选型

本项目中，由于变频电动机数量很多，对系统产生的谐波污染比较大，因此需要对谐波污染进行集中处理。这里，我们采用的方法是在变配电所低压柜两段母线上各安装一套75 A有源滤波器。下面就对谐波电流进行计算，并校验有源滤波器选型。

根据国家标准之规定，公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（方均根值），不应超过表2数据。

表2 谐波次数及谐波电流允许值Tab.2 Harmonic order and permitted harmonic current

根据GB/T 14549—1993附录B的要求，按公式（B1）进行谐波电流允许值校验。

其中，Sk1为公共连接点的最小短路容量，根据上文描述，为26.94 MVA；Sk2为基准短路容量，则经过换算后，谐波电流允许值为表3数据。

表3 计算后的谐波电流允许值Tab.3 Permitted harmonic current after calculation

根据变频电动机厂家提供的各次谐波含有率计算出每台电动机的各次谐波的电流值。即根据《工业与民用配电设计手册（第四版）》，公式（6.7-15）。

根据式（6.7-17）依次计算出所有变频电动机某次谐波的谐波电流叠加值：

其中α为计算系数，按表4选取。

表4 系数α取值Tab.4 Value of index α

计算结果如表5、表6所示。

由表中计算结果可以看出，I、II段母线上，5次谐波电流分别超过允许值57.62A及57.55A，需增设有源滤波器使其达到标准要求。

根据JB/T 11067—2011中的技术要求，有源滤波器的额定电流为45 A、75 A、100 A、150 A、200 A；总谐波补偿率≥85 ％。则I、II段母线有源滤波器的额定电流应大于67.79 A及67.71 A，选择75 A额定电流的有源滤波器满足要求。

有源滤波器的优点主要有：实现了动态滤波，可以滤掉频率和大小均时变的谐波；在动态滤波的同时，也可以对功率因数和无功功率进行动态补偿；基本不受电网阻抗和频率等电网参数变化的影响，因而电网产生并联谐振的风险小。

3 变频电动机现场电气施工过程中需要注意的问题

变频电动机的配电设计、施工涉及到很多专业，有些问题反映在设计过程中各专业协调配合出现了疏漏，应加以注意。同时在现场施工配合的过程中，还需仔细观察并收集现场所遇到的各种问题，尤其是过程中容易忽略的问题。

表5 变电所0.38kV开关柜I段母线谐波电流计算结果（仅列举典型设备）Tab.5 Result of harmonic current for bus-I 0.38kV switchgear in substation（only typical equipment）

表6 变电所0.38kV开关柜II段母线谐波电流计算结果（仅列举典型设备）Tab.6 Result of harmonic current for bus-II 0.38kV switchgear in substation（only typical equipment）

3.1 变频电动机的动力电缆进线口、不满足电缆敷设的要求

在本项目中，由于各专业之间沟通不够紧密，并且设备采购环节中厂家资料发生变更，泵、电动机基础宽度变大，由1 100mm增加至2 000mm，电动机接线盒进线口（下进线）距离基础仅400mm，距离电动机基础边约有600mm。具体情况见图2。

该电动机进线电缆选择的是双拼ZRABPYJVP22-0.6/1kV-3×150mm2+3×35mm2， 电 缆外径为60.5mm。根据GB 50168—2006中要求，电缆最小弯曲半径为20 D，则最小半径为1 210mm。很显然，电动机接线盒下空间无法满足电缆转弯进入接线盒。

按照图2中的设计，则需要在水泵—电动机的混凝土基础内预埋两根钢管，由于钢管较大，两根钢管之间的部分也无法进行混凝土灌浆，结构基础遭到一定的破坏，水泵运行时震动较大，这个设计思路对水泵、电动机长期运行不利。并且预埋钢管的位置必须非常精确（后期电动机吊装后，钢管与进线口位置基本一致），施工略有误差就可能导致大电缆无法接进主接线盒。

通常大功率电动机的动力电缆敷设难度较大，尤其当配电距离较远的时候，由于要考虑电压压降的因素，电缆截面大，弯曲半径大，敷设难度更大。因此有如下方案可供参考：

（1）另有其他项目的循环水泵房采用半地下式布置，或者水泵、电动机结构基础抬高，适用于大型水泵房，电动机比较庞大，一般不小于10（6）kV，500kW。如图3、图4所示。

但这个方案土建成本高，且本项目电动机并未达到500kW，不适合使用。

（2）采用电缆转接箱。适用于配电距离较长，敷设系数、电缆压降等因素导致电缆尺寸大的情况。电缆转接箱可设置在水泵房内，转接之后的电缆载流量校正系数计算：根据GB 50217—2007载流量校正系数，月平均最高气温22.5℃，取 K1=1.16；空气中单层多根并行敷设，取K2=0.9；因此，载流量校正系数 K=K1×K2=1.04。则电缆实际载流量应满足I=IrM/K=403 A 。

另外，转接箱距离电动机距离很近（均在循环水泵房内），无需考虑线路压降。

交联聚氯乙烯铜芯三芯电缆95mm2电缆载流量为252 A，则可采用双拼ZRA-BPYJVP22-0.6/1kV-3×95mm2+3×16mm2电缆，电缆外径45.5mm，转弯半径910mm。

图2 水泵-电动机基础与主接线盒示意立面、平面Fig.2 Side section & layout for pump-motor basement and main junction box

图3 厂房半地下式布置Fig.3 Semi-underground arrangement for plant

图4 水泵—电动机基础抬高Fig.4 Raise the basement of pump-motor

可见，经转接箱之后，电缆规格可以大幅缩小，配电距离越远，效果越明显。改善了主电机电缆敷设困难的问题。如果该电动机位于爆炸危险区域，则该转接箱及格栏均应采用防爆产品，价格比较高，或者根据防爆区域划分的情况将转接箱设置在爆炸危险区域外。可从现场操作合理性、经济性等方面综合考虑。

（3）主电机电缆接线盒进线口方向在电动机出厂前做调整（朝向电动机后部）。这个方法经济实用，节约投资。本项目中采取这种解决方案。一般最好在采购期间提前与电动机厂家联系，或者在技术澄清阶段要求厂家将接线盒进线口设计为朝向电动机后部。

需要注意的是，采用这种方案时，电缆进线的位置可能会占用两台泵之间的维修通道，应和相关主导专业确认是否满足要求。

3.2 电动机主接线盒内接地端子数量太少，不满足接线要求

主电机动力电缆采用双拼ZRA-BPYJVP22-0.6/1kV-3×150mm2+3×35mm2，其中，3×35mm2为零线绝缘线，需要接地。另外铠装屏蔽层也需要接地。则电缆进入主接线盒内需有8个点需要接地，至少需要4个接地端子。但是现场主接线盒里只有一个接地端子，完全无法满足要求。

在与电动机厂家沟通之后，决定采用如下方法解决问题：在原有接地螺栓的基础上增加一块接地铜排，铜排上设置3个接地端子。接地铜排及端子与电动机相线铜排间距应满足JB/T 10634—2006规范第3.8条之要求，即电气间隙不小于9.5mm，爬电间隙不小于9.5mm；另考虑现场海拔高度影响，要求接地排及端子距离相线铜排之间电气间隙不小于10mm，爬电间隙不小于10mm。如间隙不满足要求，在中间增加电工绝缘板隔离。接地铜排截面积不小于电动机相线铜排的1/2。

由于主接线盒内部为电动机厂家设计并制造，属于电动机整体的一部分，因此现场有任何改动需和电动机厂家进行沟通，避免擅自修改引发的责任纠纷。最好的办法是碰到类似的情况，在采购环节技术澄清时要求厂家增加接线盒内接地端子或者接地铜排，以满足变频电缆的接线要求。

4 结束语

本文从石化项目中低压大功率变频电动机的配电设计入手，介绍了电缆的选型及校验、电动机的起动及谐波电流的计算，同时根据设计中容易忽略的问题、现场配合施工过程中发现的安装问题进行分析和讨论，并列出比选方案，提出合理化建议，供读者参考。由于现场安装问题具有不可预见的特点，笔者所了解的情况不一定全面，希望广大电气同行集思广益，共同交流，提高设计水平。

[1]中国航空规划设计研究总院有限公司.工业与民用配电设计手册[M].第四版.北京：中国电力出版社，2016.

[2]天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册[M].第3 版.北京：机械工业出版社，2011.

[3]GB 50052，供配电系统设计规范[S].

[4]GB/T 14549，电能质量 公共电网谐波[S].

[5]JB/T 10634，中小型笼型三相异步电动机接线盒[S].

[6]GB 50168，电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范[S].

[7]GB 50217，电力工程电缆设计规范[S].

[8]JB/T 11067，低压有源电力滤波装置[S].

Distribution Design of Low Voltage and Large Power Frequency Conversion Motor Used in Petrochemical Industry and Treatment of Onsite Problems

Cai Aoke
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

In this article, the distribution design of low voltage and large power frequency conversion motor was introduced, which was focused on the enhancement of electric power quality, such as the startup of motor, cable carrying capacity adjustment and harmonic current. At the same times, with respect to the electrical problems encountered in design and construction and onsite treatment measures, the analysis was performed. Some compared schemes were listed, and then several proposals were presented.

low voltage and large power; frequency conversion motor; electric power quality; onsite problem in construction

TM 921.51

：A

：2095-817X（2017）04-0013-007

2017-05-02

蔡奥克（1985—），工程师，注册供配电电气工程师，主要从事石化项目电气专业设计。