化工企业中大容量电动机配电截面和启动方式选择及校验

中海油石化工程有限公司 赵晓娟 济南轨道交通集团有限公司 崔 寅

1 工程概括

化工企业规模为：电源由厂区外进线均为110kV架空线，2回进线引自不同的110kV变电站，分别采用20km及19km

某长度线路，6kV和110kV分别采取分段式接线方式和内桥接线方式，110kV进线、6kV母线全部采取母线分列运行，具体系统接线情况详见图1。

图1 单线图

主变压器容量25MVA，双绕组110/6kV，短路阻抗10.5%；110进线两回进线，单母线分段接线，6kV出线为12回，每段电容器为3700kVar。电动机的最大容量为2000kW，电压6kV，电动机额定电流Irm=237.5A，电动机额定启动倍数kst=6，电动机的额定转速n0=375r/min，电动机转动机械的静阻转矩相对值ms=0.3, mmax=2,J=2kg/m2，而其平均阻转矩相对值ms=0.2，电动机间距配电室0.45km。以下是对大容量电动机电缆截面进行分析，选择合理的启动方式，并对结果进行校验。

2 短路电流计算

本文采用实用短路电流计算方法，忽略电阻影响（主电源系统、变压器、母排等电气设备各元件电阻明显小于电抗）假设基准容量为Sj= 100 MVA。

基准值系统标称电压0.38/110kV，基准电压0.4/115kV，基准电流144.3/0.5kA。

系统Ⅰ段电气设备阻抗值标幺值：

表1 短路点处的短路电流

系统Ⅱ段电气设备阻抗值标幺值：

X、R—线路每相电抗值、电阻值（Ω）；ukN%—变压器额定阻抗电压百分比；SNT—变压器额定容量（MVA）。

3 电动机电缆截面的选择

电动机的额定电流为Irm=237.5A，电动机电缆截面材质选择：电缆材质A级交联聚乙烯护套钢带阻燃电缆ZA-YJV22-6/10，该电缆沿全厂电缆桥架敷设：

由于此装置为爆炸危险环境，电缆的载流量要满足Iz＞1.25Irm，此查载流量表[1]得出截面150mm2的载流量时376A，考虑温度、敷设方式等因素，取电流综合修正系数为0.8，选择导体电流1.25×237.5/0.8=371A,即选择150mm2的电缆满足要求。

由上述可知短路电流为Ik=16.29kA,保护电流热稳定系数为137，计算电缆热稳定性：

其中，Qt—短路电流产生的热效应，kA2/s；C—电缆的热稳定系数，C=137。即选择150mm2的电缆满足要求。

计算150mm2电缆的电压偏差：

其中，P—电动机有功负荷（kW）；Q—电动机无功负荷（kVar）；R’、X’—三相线路单位长度的电阻和感抗（Ω/km）。

本项目选用ZA-YJV22-6/10-150mm2的电缆。

4 电动机电动机启动方式的选择及校验

4.1 电动机电动机启动方式选择

从启动方式来分，电动机的启动主要包括以下几种。

4.1.1 全压启动

在直接启动方式中，电动机为全电压直接启动，该情况下会出现较高的电流，通常为额定电流的5倍到7倍，发生较为明显的电压下降现象，显著地冲击供配电系统。工程中首先是考虑全压启动，要满足以下四点：

它的端子电压值需要满足拟拖动机械所提出的启动转矩要求；

ms—电动机转动机械的静阻转矩相对值，ms=0.3；mstM—电动机启动转矩相对值，mstM= 0.7；计算us’t’M=0.69。

配电系统产生压降的情况下，并不会对用电设备造成影响。如果电动机启动较为频繁，此时应保证母线电压大于90%额定电压；如果电动机启动频率不高，此时应保证母线电压在85%额定电压之上[2]。

在电机启动方式上，业主和厂家均未特出明确要求。对于大型电机而言，启动过程中，启动设备和电动机需处于足够的热稳定和动稳定状态，比如，符合电动机要求的降压启动条件或全压启动条件、启动设备的热稳定性、连续启动次数等。如果是同步电动机，其阻尼笼条应低于出厂要求值。

4.1.2 降压启动

未符合全压启动的情况下则采取降压启动的方式（由于晶闸管降压启动模式具有可调性，会对其进行单独讲解）。降压启动，启动电流小，但是启动转矩也小，故启动时间延长，进而电机绕组温度升高，启动设备回路复杂，启动过程中存在着二次冲击电流和冲击转矩，故经常使用与对于启动要求不高的场所。

降压启动主要分为延边三角形降压启动、自耦变压器降压启动、电阻降压启动、星形—三角形降压启动、电抗器降压启动等。

在星形—三角形降压启动中，启动过程中，定子绕组为星形连接，这就使得启动电流和启动电压有所下降，电机转速持续增加，达到额定值，就会切换绕组，采取三角形连接方式。此种模式下，需保证正常运行状态下，电动机绕组是采取三角形接线方式，需要是低压笼型电动机，出线端子为6个。

演变三角形降压启动模式是改进星形—三角形降压启动模式而来，在电机启动的过程中，电机绕组会分成两种形式，一部分为星形，一部分为三角形。此种方式适合低压电动机，出线头为9个。

电阻降压启动是降单相电阻或对称电阻接入到定子回路中，将其启动电流和启动电压，提升电机转速，待其处于额定值，变阻器退出运行，其特点是变阻器在启动时消耗电量较大，有较大的能耗，通常情况下会在低压笼形电动机的轻载状况下使用。

电抗器降重启动模式，主要是通过电抗器来实现辅助启动，对启动过程中的电流和电网压降进行有效限制，电动机启动子会后逐步进入到平稳运行状态，电流到达固定值，可将电抗器切除，来实现直接启动，其方式中产生的电流为额定电流值的3倍到4倍，该启动方式中，电机端也会出现电压降低的情况，可能会发生启动转矩不足的情况，此外，启动时还容易产生二次冲击。

自耦变压器降压启动是在自耦变压器的作用下，将电网的电压值控制到一定范围后再加载到定子绕组，电动机转速进行稳定状态后，在降电动机接入电网。自耦变压器抽头分别为80%额定电压，启动电流值为64%额定值；65%额定电压值，对应的启动转矩为42.3%额定电值，相对于电抗器降压启动，这种方式的优势十分明显，电动机定子绕组采取△接法或是Y接法都适用，但它的缺点是自耦变器的体积大、占用面积多、价格高、维护麻烦。自耦变压器随自耦减压启动控制柜成套供应。

4.1.3 软启动

软启动器启动所指的是当启动电机的过程中，通过三相反并联晶闸管和有关的电子控制电路（它们通常是被安装于电动机和电源间）来进行作用，对导通角进行有效的控制。由此，输入电压的值将会根据特定需要来进行变化，该过程将会持续至电机的启动过程完全结束，此时转动速度与启动转矩将会不断地增大，软启动设备体积小，启动过程中的冲击电流小，过程较为平稳，还可调节电流和转矩，可实现软停机，在之前几年有着广泛应用，但因出现晶闸管导致较为严重的高次谐波，对其应用范围有了较大影响。

4.1.4 变频启动

该方式是通过变频调速系统来实现变频启动，启动过程中通过改变供电频率来对定子绕组进行调节，以此实现转速调节的目的，通过可控硅元件起到通断作用，不会超过额定电流，相较于其他类型而言，其优势十分突出，较大的启动转矩和较小的启动电流，不会对上级电网和设备形成冲击力矩，且不会对同母线下的用电设备造成影响，又可以达到理想的启动，在技术不断地发展完善之后，逐渐地发展为一种极具应用前景的高压电机启动方式，也是目前业主用的最多的启动方式。

图2 电动机启动方式计算电路图

电动机启动方式特点：全压启动投资最省，应用最广，缺点是能频繁启动、启动电流大、启动转矩大；降压启动价格较高，应用较广，其缺点是不能频繁启动、启动电流小、启动转矩大；软启动价格较高，设备较复杂，但其能频繁启动、启动电流小、启动转矩大；变频启动价格昂贵，设备复杂，其能频繁启动、启动电流小、启动转矩大。

4.2 电动机全压启动方式校验

图中符号及计算如下：计算中取基准电压Uj=6.3kV,并采用系统在最小运行方式下的数据。

母线上的短路容SCB=163.83MVA；

母线标称电压：Un=6kV；

电动机功率因数：cosφ=0.9；

电动机额定启动倍数：kst=6；

电缆截面L=150mm2；电动机电缆敷设长度L=0.45km，电缆线路的电抗（忽略阻抗），XL=(0.08+6.1/S)L=0.054。

电动机启动容量：SstM=6xPrm/0.9=6x2/0.9=13.3MVA。

电动机启动回路输入容量：

母线上予以接入的无功负荷，根据供电系统图，正常运行在该段6kV母线上的负荷最多时如表2。

表2 接入负荷的无功功率

?

经过计算得出QL=11.727kVar。

电动机启动时母线上的电压：

电动机启动时的端子电压：

故us't'M≤ustM

启动时间计算如下：

以上计算结果表明，在最不利情况下最大容量2000kW电动机启动时6kV母线电压的下降小于10%，此电动机在本项目工艺流程中为不频繁启动，因此本项目此电动机可以直接启动，本项目中，此电动机没有调速要求，故不用变频调速，但业主要求用软启动方式，从而达到电动机启动平稳，高效节能目的。

5 结语

综合上述分析及验证表明，对于大容量电动机设备启动方式的选择，需要考虑各方面的制约因素，电网的短路容量、电缆截面的大小、母线所带其它负荷；同时也要考虑工艺设备对电动机的要求，设计出经济、合理、高效的启动方式。本文论述了具体项目中高压大容量电动机配电中电缆截面、启动方式的选择，先进行短路电流计算，再计算电缆截面大小，最后对启动方式合理选择并验证。为大家以后在具体设计项目中参考。