ETAP软件在工厂低压大功率电动机起动校验方面的应用分析

刘森，汪洋，李思，田哲

在工厂供配电设计时，大功率电动机起动时引起的电压降对车间变压器的选型和大功率电动机的起动方式选择都有很大的影响。传统大功率电动机的起动是按照《工业与民用配电手册》中表6-16的计算公式计算校验，但这种手工计算的计算量较大且每次设计时都要校验结果。同时手册中的公式仅有全压起动、电抗器降压起动和自耦变压器降压起动的公式，对目前常用的软起动器起动并未描述，没有可使用的公式。ETAP软件的电动机起动模块能自定义软起动器的特性，我们使用该软件搭建了一个典型电动机起动模型，通过改变电动机功率、变压器容量等参数，得到了不同参数时的起动压降，且形成了一个速查表，使用此表即可轻松查到符合不同设计要求的电压降，方便快捷。

1 建模思路的理论基础

根据《工业与民用配电手册》及国家标准GB 50055《通用用电设备配电设计规范》，电动机起动时在配电系统中会引起电压下降，这种电压偏差将影响工厂配电系统的电能质量。国家标准中对这种电动机起动时在配电系统中引起的电压下降规定了电压允许值，即“电动机起动时，其端子电压应能保证所拖动的机械要求的起动转矩，且在配电系统中引起的电压波动不应妨碍其他用电设备的工作”。这包含两方面具体要求：

（1）电动机起动时的端电压满足电动机的起动转矩。

（2）电动机所在的配电母线电压需要满足下列要求：

a在一般情况下，电动机频繁起动时，不宜低于额定电压的90%；电动机非频繁起动时，不宜低于额定电压的85%。

b配电母线上未接照明或其他对电压波动较敏感的负荷，且电动机非频繁起动时，不宜低于额定电压的80%。

从实际经验上看，电动机自身起动的问题并不大，最重要的就是大功率电动机起动时对所在配电母线的影响是否满足国家标准的要求。在GB 50055标准“条文说明”中可以找到类似的阐述：“仅需在电动机末段线路很长且重载起动时，才需要校验起动转矩；同时仅在电动机功率达到电源容量的一定比例（如20%或30%）或配电线路很长时，才需要校验配电母线的电压，而不必对各个系统的各级母线进行校验”。但“条文说明”仅仅给出了一个经验限值“20%或30%”，当接近这个限值时，还是需要通过计算来校验电压降是否满足要求。通过ETAP软件可以搭建一个典型的“等效电网+变压器+大功率电动机+其他等效负荷”的电动机起动模型，通过输入不同参数，最终能够准确得出这个临界点。

2 ETAP软件介绍

ETAP是由美国OTI公司开发的一款全图形界面的电力系统仿真计算软件[1]。在美国，ETAP确立了电力系统设计和分析软件的标准，是全美第一个特许提供给核电站进行电力系统分析的商用软件[2]，目前已广泛应用于全球工程设计咨询行业。

对比目前国内广泛应用的电气仿真计算软件[3]，MATLAB广泛应用在高校的理论科研中，而ETAP在面向工程应用时更有优势。ETAP拥有各种应用在实际工程中的设备模型库（如ABB、施耐德、西门子等产品），方便用户快捷建模；可以生成标准化的分析报告，使用户一目了然；计算速度更快，能满足庞大的仿真计算工作量。

3 ETAP软件在电动机起动分析方面的应用

ETAP软件电动机起动分析模块功能全面，可以起动一台电动机，也可以转换系统状态，还可以分析一组电动机的起动。同时，该模块还提供了直观的单线图图形显示，使用户能够了解电动机起动过程中系统的参数变化。

系统模型一旦建立，即可便捷、高效、精确和全面地分析不同起动模式、选择不同负载模型、设置不同起动类型、选择不同系统连接方式等各种情况，根据分析结果做出正确的设计选型。

3.1 ETAP电动机起动分析模块介绍

ETAP提供了两种电动机起动计算方法：动态电动机加速和静态电动机起动。在动态电动机加速计算中，以动态模型模拟发动机，用程序模拟电动机的整个加速过程。用这种方法来确定电动机是否可以采用该形式起动，电动机需要多长时间达到额定速率，以及确定电压降对系统的影响。在静态电动机起动方法中，在加速期间，用堵转的方法起动电动机，模拟对正常运行负荷最坏的影响。这种方法适合于在不能用动态模型起动电动机的情况下检测电动机起动对系统的影响。

本文主要研究大功率电动机起动时对配电母线电压的影响，采用静态电动机起动方法即可。

3.2 典型电动机起动模型的搭建

本文根据工厂常见的配电方案，建立了由10kV电网给车间变压器供电，低压母线上考虑一台最大功率电动机，其他电动机和负载通过一个等效负荷模型等效，进行ETAP软件建模仿真。

图1 ETAP仿真系统图

图3 变压器容量参数设置界面

如图1所示，10kV电源的短路容量按100MVA设置（如图2，参数可调整），10/0.4kV车间变压器容量按630kVA设置（如图3，参数可调整），大功率电动机按90kW设置（可调整），电动机电缆长度按100m设置（可调整），电缆截面按电动机功率选择（可调整），等效负荷按照变压器容量70%设置（可调整）。

在填写大功率电动机参数时，除了需要添加铭牌页数据外，还需要起动计算的数据。对于静态起动，起动数据包括模型页（如图4所示）的起动电流倍数（LRC）和起动功率因数、负载模型页的起动时间以及起动类型页。

3.3 电动机起动分析

图2 电源短路容量参数设置界面

图4 电机模型参数设置界面

静态电动机起动方法，假定电动机总是可以起动的。在“电动机编辑器”中设定电动机在空载和满载情况下的加速时间，程序在这两个值的基础上根据负荷改写加速时间。在加速过程中，用堵转转子阻抗表示电动机，它可以从系统中获得最大电流，对系统中其他负荷运行的影响也最大。一旦加速过程结束，电动机就是一个恒定功率负荷。ETAP根据在电动机编辑器中设定的起动和最终负荷来模拟负荷的斜坡增长过程。

启动电动机起动分析后，从单线图（如图5所示）中可以直观地看到电动机起动过程中电动机端的电压百分比87.4%和低压配电母线的电压百分比92.97%及瞬时的起动容量等。如果需要，ETAP软件还可以生成电动机起动分析报告并绘出所需要的参数曲线（如母线电压、电机电流等）。

图5 起动压降结果

3.4 电动机起动分析结论

针对不同变压器容量、不同大功率电动机功率，通过使用ETAP软件进行了大量仿真计算试验，并将所得到的结果生成为一个速查表（如图6所示）。仿真的情况包括了直接起动和软起动、单传动和双传动电机、功率从90kW到200kW的大电机等各种多变量的情况。从表中可以轻松查到在何种情况下大功率电动机起动会对低压母线造成严重影响，超过了国家标准的要求。

图6 电动机起动分析速查表

4 结语

通过ETAP软件电动机起动分析模块搭建了一个典型电动机起动模型并进行了大量的仿真计算，将得出的结果形成了一个速查表，方便选择不同功率电动机的起动方式和变压器容量，包括直接起动和软启动方式，省去了大量的手工计算工作，设计更加快速、准确、省时。该速查表在我公司项目设计时已经被广泛使用，极大提高了设计效率。

[1]美国OTI公司.ETAP用户手册7.1.0[M].Irvine.USA：Operation Technology,Incorporation,2009.

[2]冯煜理，王雷，陈陈.电力系统仿真软件ETAP的特性与功能简介[J].供用电，2005，22（5）：23-26.

[3]李升.MATLAB和ETAP电力系统仿真比较研究[J].南京工程学院学报：自然科学版，2006，4（2）：50-55.

[4]刘森，汪洋，周莹莹，张柳.ETAP软件在水泥厂短路计算及继电保护整定的应用[J].中国水泥，2012，6：70-72.

[5]任元会主编.工业与民用配电设计手册[M].北京：中国电力出版社，2005.■