低启动电流电动机在海洋平台的应用

张晓宇，许建奎，李长伟，刘树慰，杜银昌

(海洋石油工程股份有限公司，天津　300451)

海洋石油开采、生产远离陆地，为解决开采、生产所需要的电力供应，通常在海洋石油平台设置独立的主电站(孤岛电站)，海洋平台电站具有以下特点：①电站容量小。电站通常由2台或2台以上并联运行的同型式发电机组成，1台发电机容量约为几兆瓦或十几兆瓦，其中1台作为备用。②负荷主要为三相鼠笼电动机。平台各类生产、公用负荷，普遍采用三相鼠笼异步电动机驱动，如原油外输泵、注水泵、电动吊机等。三相鼠笼异步电动机，具有结构简单、费用低、维护工作量小的特点，约占平台各类总负荷的80%以上。③单一负荷容量大。平台上一些大的负荷，如注水泵、天然气压缩机等驱动电动机功率往往较大，可达1兆瓦以上或者几兆瓦，有的甚至与主发电机的容量相接近。

普通三相鼠笼异步电动机启动时，启动电流约为额定电流的6～8倍，将在线路和母线上产生较大的电压降，尤其是大容量电动机启动时造成电压的大幅跌落，影响平台设备的正常运行。较高的启动冲击电流还会产生大量的热量，损伤电动机绕组绝缘，减少电动机的使用寿命。

根据中国船级社《浅海固定平台建造与检验规范》要求，海上油气田电力系统电压跌落瞬时值不应大于15%。如电动机启动引起的电压跌落超过15%，则应采用降压启动方式。

1　海洋平台电动机常用启动方式

海洋平台电动机最常用的启动方式为全压启动，全压启动不需要额外配置启动设备，是最经济的启动方式。同时全压启动具有启动转矩高、启动时间快等特点，也是理想的启动方式。但是，对电网而言，全压启动电流大，在母线和线路中引起的电压降较高。在海洋平台电力系统设计时，需要进行大电动机启动压降计算，如电动机全压启动电压降超过15%，就应该选择降压启动方式。

海洋平台常用的降压启动方式包括：Y-△启动、自耦变压器降压启动、软启动等，其中软启动方式又分为固态晶闸管软启动和变频调速软启动2种。变频调速软启动在不需要调速的场合下使用是一种相对昂贵的启动方式，因此使用受到一定的限制。

Y-△方式：适用于定子绕组采用△接法的电动机(三相绕组首尾6个端子均需要引出)。电动机启动时采用Y接方式，启动电流为直接启动的1/3，启动完毕后切换至△接方式运行。

自耦变压器：一次绕组(高压侧)接于电网，二次绕组(低压侧)接于电动机，通过调节自耦变压器二次输出电压以实现电动机降压启动。

软启动器：由反向并联晶闸管组成，通过调节晶闸管导通和关断时间，晶闸管软启动器输出电压可实现自零至额定电压连续平滑调节，使电动机平稳启动。

变频启动：采用电力电子技术，通过整流和逆变技术，矢量控制或DTC等控制技术，使变频器输出电压(或电流)和频率连续可调，在降低电动机启动电流的同时仍能够保持足够高的启动转矩。

各种启动方式对比如表1所示。

表1　启动方式对比表

2　低启动电流电动机主要原理

随着大功率电动机在海上应用不断增加，低启动电流电动机也逐渐在海洋平台投入使用。根据电动机T型等效模型，在启动t=0时刻，电动机转速n=0，转差s=1，电动机启动电流Ist计算公式如下：

与普通三相鼠笼异步电动机相比，低启动电流电动机启动电流约为额定电流的3～4倍。低启动电流电动机的转子设计为深槽笼型结构，其转子槽既深且窄，槽深与槽宽比值为10～12，如图1所示。越靠近槽底，各单元导体漏抗越大，流过电流越小；越靠近槽口，各单元导体漏抗越小，流过的电流越大。于是，造成了如图2所示的电流密度分布曲线，这种现象称为趋肤效应。由于趋肤效应，流过电流的导体高度和有效截面积小了，转子电阻变大。一般深槽笼型异步电动机在堵转时转子电阻可达到额定运行时的3倍，好像转子回路串入了一个电阻一样，获得较大的启动转矩。随着电动机转速升高，转子电流频率逐渐降低，电流分布渐趋均匀，转子电阻自动减小。当转子达到额定转速时，趋肤效应基本消失，转子电流均匀分布。[1]

图1　转子深槽结构

图2　电流密度分布

与普通三相鼠笼异步电动机相比，低启动电流电动机具有启动电流小、启动转矩高的特点，对比参数详见表2，采用全压启动即可满足大功率负载启动转矩需求和电网电压跌落要求，不需要配置专门的启动设备，因此具有较好的经济性能。

表2　电动机参数对比表

3　低启动电流电动机在海洋平台应用

海洋石油某气田主电站由3台22 MW透平发电机组成，2用1备。平台设计9台中压大功率电驱天然气压缩机(变速运行)，其中3台干气压缩机(2用1备)，单台额定功率5 400 kW；3台湿气压缩机(2用1备)和3台湿气预增压压缩机(2用1备)，单台额定功率均为7 500 kW。

根据仿真计算，在负荷高峰年份启动湿气压缩机或湿气预增压压缩机时，电网瞬时电压降超过15%，电网末端设备电压降甚至超过20%，不满足有关规范要求。如采用变频调速软启动方式，虽可同时解决电动机启动和压缩机调速运行问题，但是由于中压大容量变频器包括变频器本体和前端移相变压器两部分，尺寸极大，大大增加平台房间面积和总图设计难度，且中压变频器价格昂贵。该项目经多次技术论证和经济对比，最终设计采用低启动电流电动机(同时配置液力耦合器用于压缩机调速)。根据大电动机启动仿真计算，设计采用4.5倍额定电流的低启动电流电动机即可满足启动要求，启动曲线详见图3～图5。

图3　压降曲线

图4　电动机转矩曲线

图5　负荷转矩曲线

与变频调速软启动相比，低启动电流电动机在节约成本上有明显的优势，以1台压缩机为例，采用低启动电流电动机可节省变频器配置费用数百万元，同时节省变频器布置房间面积约50 m2，节省平台投资费用约100万元人民币。

4　使用低启动电流电动机应注意的问题

使用低启动电流电动机应注意以下3点问题。

1)根据国外某大型电动机厂家样本介绍，其低启动电流电动机启动电流最低至额定电流的2.4倍。但是，电动机的启动电流并非设计的越低越好。异步电动机的启动转矩与启动电流成正比关系，降低异步电动机启动电流后，电动机输出转矩也会降低。通常，为保证电动机足够高的启动输出转矩和安全裕量，低启动电流电动机启动电流设计为额定电流的3～3.5倍，更低启动电流的异步电动机启动转矩往往难以保证，如确需采用，应仔细校核启动曲线和负载曲线、确保电动机可成功拖动负载后方可设计选用。

2)使用低启动电流电动机，虽可降低启动电流减少对电网的冲击，但是启动时间延长，多次启动会造成电动机温升增加，加速电动机绕组绝缘老化，降低电动机使用寿命。

3)由于采用深槽结构，低启动电流电动机正常运行时转子漏电抗增大，功率因数和最大转矩比普通鼠笼型电动机要低。低启动电流电动机降低启动电流实质是靠牺牲正常运行时的一部分性能获得的。

5　结束语

采用低启动电流电动机在全压下启动，具有启动电流低、对电网冲击小、启动转矩高的特点，既可满足电网和负载对启动的要求，又可节省启动器及其布置空间，在海洋平台空间紧凑并且为孤岛电站这一特殊场合下具有显著的经济和技术优势。随着海上油气田开发规模的增大，各类负载驱动电动机功率不断增加，低启动电流电动机在海洋平台中的应用将会越来越多。