海洋平臺(tái)大電機(jī)動(dòng)態(tài)啟動(dòng)分析研究

孔凡旭 于祥春 王樹達(dá)

海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司，天津塘沽 300451

海洋平臺(tái)大電機(jī)動(dòng)態(tài)啟動(dòng)分析研究

孔凡旭 于祥春 王樹達(dá)

海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司，天津塘沽 300451

海洋平臺(tái)作為一種典型的獨(dú)立小型電力系統(tǒng)，在其設(shè)計(jì)過程中，準(zhǔn)確的大電機(jī)啟動(dòng)計(jì)算對(duì)于發(fā)電機(jī)容量選擇、電機(jī)啟動(dòng)方式選擇、繼電保護(hù)整定具有重要意義。相對(duì)靜態(tài)啟動(dòng)分析，動(dòng)態(tài)分析可以準(zhǔn)確詳細(xì)地描述大電機(jī)啟動(dòng)的整個(gè)過程。本文結(jié)合項(xiàng)目實(shí)例，介紹了使用ETAP軟件進(jìn)行大電機(jī)動(dòng)態(tài)啟動(dòng)的分析方法，并進(jìn)行了大電機(jī)啟動(dòng)方式選擇。

海洋平臺(tái)；大電機(jī)啟動(dòng)；動(dòng)態(tài)分析，ETAP

文獻(xiàn)標(biāo)示碼:A

Offshore platform；Motor acceleration；Dynamic analysis；ETAP

引言

異步電動(dòng)機(jī)是海上油氣田開發(fā)工程設(shè)施上使用最多的用電設(shè)備，異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，短時(shí)較大的啟動(dòng)電流會(huì)使發(fā)電機(jī)的輸出電壓短時(shí)大幅下降，對(duì)發(fā)電機(jī)和運(yùn)行著的用電設(shè)備，以及整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行，都是很不利的。嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置動(dòng)作，斷開配電系統(tǒng)或主發(fā)電機(jī)的開關(guān)，造成供電和生產(chǎn)的中斷。因此，在進(jìn)行電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電站選型時(shí)，必須考慮大電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)是否會(huì)對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成不利影響。

在工程實(shí)踐中，大電機(jī)啟動(dòng)的分析計(jì)算在海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、改造等過程中都是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。大電機(jī)啟動(dòng)分析計(jì)算的目的主要有兩個(gè)，一是分析電機(jī)能否在運(yùn)行條件下成功地啟動(dòng)，另一個(gè)是看電機(jī)啟動(dòng)時(shí)是否嚴(yán)重影響系統(tǒng)中其它負(fù)荷的正常運(yùn)行。

利用ETAP軟件的電機(jī)啟動(dòng)計(jì)算程序，可以方便地進(jìn)行電機(jī)啟動(dòng)的仿真計(jì)算，得到精確、直觀的曲線和報(bào)告。ETAP軟件提供了兩種電機(jī)啟動(dòng)計(jì)算方法：靜態(tài)電機(jī)啟動(dòng)和動(dòng)態(tài)電機(jī)啟動(dòng)。靜態(tài)電機(jī)啟動(dòng)方法設(shè)定電機(jī)是一直都可以啟動(dòng)的，用堵轉(zhuǎn)的方法啟動(dòng)電機(jī)，模擬對(duì)正常運(yùn)行負(fù)荷最壞的影響。這種方法適合于在不能用動(dòng)態(tài)模型模擬電機(jī)的情況下，檢測電機(jī)啟動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，而不能分析電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間和電機(jī)能否啟動(dòng)。動(dòng)態(tài)電機(jī)啟動(dòng)計(jì)算以動(dòng)態(tài)模型模擬電動(dòng)機(jī)，用程序模擬電機(jī)的整個(gè)加速過程。動(dòng)態(tài)啟動(dòng)可以確定電機(jī)是否可以以這種形式啟動(dòng)，電機(jī)要用多長時(shí)間達(dá)到它的額定速率，以及確定電壓降對(duì)系統(tǒng)的影響。

1 ETAP軟件的電機(jī)動(dòng)態(tài)啟動(dòng)分析程序

1.1 感應(yīng)電機(jī)動(dòng)態(tài)模型

ET A P中共有五種不同的感應(yīng)電機(jī)模型，分別是電路模型 (Single1、Single2、DBL1、DBL 2) 和特性曲線模型。總的來說，Single1、Single2、DBL1和 DBL2 都屬于 CKT回路模型，他們都用等值電路來代表感應(yīng)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子繞組，特性曲線模型是用離散點(diǎn)的電機(jī)性能曲線來代表感應(yīng)電機(jī)。

Single1模型是單籠感應(yīng)電機(jī)最簡單的一種模型，沒有深槽。它使用一個(gè)戴維南等值電路來代表電機(jī)。定子電路電阻和電抗認(rèn)為是常量，但內(nèi)部電壓會(huì)隨電機(jī)速率而改變。

Single2模型是感應(yīng)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)模型，用勵(lì)磁支路，定子和轉(zhuǎn)子回路代表電機(jī)，并考慮到深槽效應(yīng)。轉(zhuǎn)子電阻和電抗隨著電機(jī)速率作線性變化。

DBL1模型代表了有集成槽的雙籠電機(jī)。每個(gè)鼠籠的轉(zhuǎn)子電阻和電抗都是恒值；然而，兩個(gè)轉(zhuǎn)子電路的等值電路阻抗相對(duì)電機(jī)速率來說是非線性函數(shù)。

DBL2模型是另一種有獨(dú)立轉(zhuǎn)子槽的雙籠感應(yīng)電機(jī)，與DBL 1模型有不同的特性。

特性曲線模型直接在制造商所提供的電機(jī)特性曲線的基礎(chǔ)上模擬感應(yīng)電機(jī)。

1.2 機(jī)械負(fù)荷模型

在電機(jī)動(dòng)態(tài)啟動(dòng)分析中，需分析相連接的機(jī)械負(fù)荷，以計(jì)算電機(jī)的加速和減速特性。機(jī)械負(fù)荷分析基于負(fù)荷力矩曲線，可表示為一個(gè)3次一般多項(xiàng)式：

其中，T為負(fù)荷力矩和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定力矩的百分比；ω為負(fù)荷的單位速度；A0，A1，A2,A3為系數(shù)。

1.3 電動(dòng)機(jī)參數(shù)估計(jì)

有時(shí)候很難從電機(jī)供應(yīng)商處獲得電機(jī)動(dòng)態(tài)模型，ETAP參數(shù)估計(jì)程序提供了一個(gè)估算電機(jī)等效電路模型參數(shù)的途徑。該計(jì)算基于先進(jìn)的數(shù)學(xué)估計(jì)和曲線擬合技術(shù)，它只需要電機(jī)特性的特征數(shù)據(jù)。估計(jì)的模型參數(shù)包括表示電機(jī)定子，轉(zhuǎn)子的電阻和電抗以及勵(lì)磁支路特性。

圖1 電機(jī)回路模型

如圖1所示為感應(yīng)電機(jī)回路模型，算法從一個(gè)忽略了勵(lì)磁支路的簡化等效電路入手。采用這種簡化模型，首先估計(jì)模型參數(shù)。然后使用更加細(xì)化的等效電路模型根據(jù)這些估計(jì)的參數(shù)來得到更加準(zhǔn)確的值。在這個(gè)階段，使用一個(gè)迭代過程來實(shí)施敏感度分析，該迭代過程連續(xù)地調(diào)整估計(jì)參數(shù)直到偏差百分?jǐn)?shù)降到根據(jù)輸入?yún)?shù)計(jì)算的值和實(shí)際輸入的值之間規(guī)定的容許偏差值之內(nèi)。

1.4 大電機(jī)動(dòng)態(tài)啟動(dòng)仿真計(jì)算過程

電機(jī)動(dòng)態(tài)啟動(dòng)仿真計(jì)算過程如圖2所示，其中，Ilr為定轉(zhuǎn)子電流，Is為靜態(tài)負(fù)荷，If為最終負(fù)荷，tacc為加速時(shí)間，ts為加速后負(fù)荷開始改變的時(shí)刻， 電機(jī)負(fù)荷改變結(jié)束的時(shí)刻。

圖2 電機(jī)動(dòng)態(tài)啟動(dòng)仿真計(jì)算過程

2 工程實(shí)例

本文針對(duì)渤海某平臺(tái)項(xiàng)目，使用ETAP軟件進(jìn)行電動(dòng)液壓吊機(jī)的動(dòng)態(tài)啟動(dòng)分析研究。吊機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)包括有兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓泵，分別用于吊機(jī)垂直定位與旋轉(zhuǎn)定位，兩臺(tái)電機(jī)均為160kW。兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)勢必對(duì)平臺(tái)電力系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響，本文對(duì)電機(jī)不同啟動(dòng)方式進(jìn)行比較分析，選擇了對(duì)系統(tǒng)影響最小并且切實(shí)可行的方案。

2.1 系統(tǒng)建模

使用ETAP軟件建立平臺(tái)電力系統(tǒng)的單線圖如圖3所示，本平臺(tái)為無人井口平臺(tái)，由油田電力系統(tǒng)通過海底電纜供電，平臺(tái)低壓系統(tǒng)變壓器容量為1250k VA。

圖3 平臺(tái)電力系統(tǒng)ETAP模型

電機(jī)參數(shù)見表1所示。使用ETAP電機(jī)參數(shù)估計(jì)程序估計(jì)電機(jī)動(dòng)態(tài)模型如圖4所示。由于是電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵，可以認(rèn)為電機(jī)為空載啟動(dòng)。負(fù)載模型采用ETAP通用負(fù)荷模型。

表1 電機(jī)參數(shù)

圖4 電機(jī)動(dòng)態(tài)模型

2.2 結(jié)果分析

本文分別對(duì)兩臺(tái)電機(jī)不同的啟動(dòng)方式進(jìn)行分析。

（1）兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，在ETA P中設(shè)置兩臺(tái)電機(jī)在2s時(shí)啟動(dòng)，10s時(shí)電機(jī)逐步加載至滿載狀態(tài)，各母線的電壓降如圖5所示。

圖5 兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)時(shí)母線電壓降

（2）兩臺(tái)電機(jī)間隔8s啟動(dòng)，在ETAP中設(shè)置一臺(tái)電機(jī)在2s時(shí)啟動(dòng)，另一臺(tái)電機(jī)在10s時(shí)啟動(dòng)，20s時(shí)電機(jī)逐步加載至滿載狀態(tài)，各母線的電壓降如圖6所示。

圖6 兩臺(tái)電機(jī)間隔8s啟動(dòng)時(shí)母線電壓降

（3）兩臺(tái)電機(jī)間隔8s星三角啟動(dòng)，在ETAP中設(shè)置兩臺(tái)電機(jī)均為星三角啟動(dòng)，星三角切換時(shí)間為8s，在2s時(shí)一臺(tái)電機(jī)啟動(dòng)，18s時(shí)另一臺(tái)電機(jī)開始啟動(dòng)，40s時(shí)電機(jī)逐步加載至滿載狀態(tài)，電機(jī)啟動(dòng)過程中各母線的電壓降如圖7所示。

圖7 兩臺(tái)電機(jī)間隔8s星三角啟動(dòng)時(shí)母線電壓降

通過以上分析可知，三種情況下電機(jī)均能正常啟動(dòng)，但兩臺(tái)電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)母線電壓降較大，最大達(dá)到接近20%，兩臺(tái)電機(jī)間隔8s星三角啟動(dòng)時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響最小，并且啟動(dòng)設(shè)備簡單，投資較小。三種情況下電機(jī)啟動(dòng)結(jié)果總結(jié)如表2所示。

表2 電機(jī)啟動(dòng)分析結(jié)果

3 結(jié)論

準(zhǔn)確的大電機(jī)啟動(dòng)分析對(duì)海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義，相比靜態(tài)分析，大電機(jī)動(dòng)態(tài)啟動(dòng)分析可以更詳細(xì)準(zhǔn)確得描述大電機(jī)啟動(dòng)過程。本文結(jié)合電力系統(tǒng)仿真分析軟件ETAP及其電機(jī)啟動(dòng)分析程序，詳細(xì)介紹了電機(jī)動(dòng)態(tài)啟動(dòng)分析過程，并對(duì)渤海某平臺(tái)項(xiàng)目實(shí)例進(jìn)行建模和大電機(jī)動(dòng)態(tài)啟動(dòng)分析，進(jìn)行了不同啟動(dòng)方式的比較和選擇。

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The research of dynamic motor acceleration in offshore platform

Kong Fanxu Yu Xiangchun Wang Shuda
Offshore Oil Engineering CO.,LTD Engineering Company, Tianjn, 300451, China

As a typical absolute and small electrical system,during the design of offshore platform, the exact analyzing of large motor starting is important for generator choosing, motor starting way choosing and relay coordination. Dynamic motor acceleration can exactly describe the whole starting process of the motors. This paper introduce the motor acceleration program of ETAP, and the analyzing course for choosing and checking motor starting way was given by a example.

TM743

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.007

孔凡旭(1984年2月),助理工程師,碩士,研究方向:海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì),電能質(zhì)量。