EDSA在油田大功率異步電動機起動計算中的應用

李寶云 田川 周佳麗 李向光

（1. 中國石油工程設計有限公司華北分公司，河北 任丘 062552；2. 中國石油集團華北石化公司，河北 任丘 062552）

大功率異步電動機一般指幾百至幾千千瓦的電動機，其一般采用 10kV配電。大功率電動機的起動一般會對電網產生影響。

電動機起動方式有三種：直接起動、軟起動和變頻起動。《超大型電動機起動方法之比較》中對于不同電動機起動方式的優缺點進行了比較，本文借鑒如下：

直接起動簡便可靠，投資省，應優先采用，但由于起動電流大，引起公用母線上的電壓波動也大。大功率電動機直接起動有一系列危害，具體如下：

1）大型電動機起動電流非常大，一般可達額定電流的7倍并且起動過程中功率因數非常低，以致影響相鄰電動機正常運行，使其因電壓過低堵轉甚至停轉直至退出運行，增加輸配電系統中的附加損耗，進一步擴大不良影響。同時過大的起動電流還會使電動機繞組發熱，加速絕緣老化，影響電動機使用壽命。

2）直接起動時的起動轉矩大約為額定轉矩的2倍，巨大的力矩突然加在靜止的機械設備上，加速齒輪磨損甚至打、加速皮帶磨損甚至拉斷皮帶、加速風葉疲勞甚至折斷風葉等。

3）直接起動產生的大電流會增加系統繼電保護整定和配合難度，并且會傷害電動機絕緣，降低電動機壽命。直接起動還會造成電網頻率變化的變化，影響系統穩定。

4）直接全壓起動還會在高壓開關關合時產生很大的操作過電壓，造成定子繞組電壓分布不均勻，造成絕緣損害。

軟起動和變頻起動均不存在以上問題。軟起動器，通過控制內部晶閘管的導通角，使電動機輸入電壓從零以預設函數關系逐漸上升，直至起動結束，此時電動機全電壓。軟起動時電壓由零慢慢提升至額定電壓，這樣起動過程中的起動電流由過載沖擊電流不可控升級為可控制，并可根據需要調節起動電流的大小，電動機起動全過程不存在沖擊轉矩。待電動機達到額定轉速時，起動過程結束，利用旁路接觸器取代晶閘管，為電動機正常運行提供額定電壓，提高工作效率，避免諧波污染。

變頻起動把電網 50Hz恒定頻率的交流電變成頻率可調的交流電，其主要特點是高效的驅動性能和良好的控制特性。

本文通過國外某油田實際工程計算分析不同起動方式對于系統的影響，利用軟件對實際工程應用仿真，從而驗證軟起動及變頻起動的優越性，從而為軟起動的選擇奠定理論基礎。

1 系統簡介及仿真

項目中應用EDSA（Paladin Design Base）進行仿真模擬計算，EDSA是世界頂級的電力系統設計和仿真分析軟件平臺，具有強大的數據庫，可以根據不同工況，進行短路電流計算、潮流分析、電動機起動計算、保護整定等仿真，用戶根據仿真結果對電力系統進行各種分析和優化，并幫助電氣工程師提升設計質量，兼顧安全性和經濟性，杜絕后續建設和維護中可能出現的損失和隱患。EDSA在石油化工等工程設計領域具有很好的應用，它是電力系統設計、模擬、分析、運行、控制、優化和自動化的最全面的分析平臺，它能基于IEC等標準進行計算，計算結果有很高的權威性。

筆者參與的乍得某油田中，配備5臺5.5MW內燃發電組，電壓等級為11kV，主要負責給11kV電動機、2臺11/33 kV 20000kVA升壓變壓器和2臺11/0.4kV 2500kVA降壓變壓器供電。其中中壓電動機主要包括外輸泵（P-112240 3000kW）、注水泵（0140-P-3011A 700kW）、消防泵（0140-P-3008 200kW）、壓縮機（K-113210 800kW）等，最大一臺外輸泵電動機功率為 3000kW。筆者利用 EDSA搭建系統模型，單線圖如圖1所示。燃氣輪機發電站靠近油田建設，供電電纜采用 8.7/15 3Cx240mm2 Cu/XLPE/SWA/PVC電纜，供電距離 50m，由于本系統不接入外網，不用考慮功率因數問題，因此無中壓無功補償單元，為控制變壓器容量，只進行低壓補償。

系統中，0.4kV，11kV和33kV，均采用單母線分段方式，正常運行時，分段斷路器均處于斷開狀態。電動機不同的起動方式對電動機本身、母線及其他電氣設備影響是不同的。本計算均在系統正常運行狀態下完成的。

圖1 系統單線圖

EDSA具有強大的軟件數據庫，在此運用的是其中的電動機起動分析，分析電動機分別在直接起動，軟起動，變頻起動等條件下的起動電流大小，以及不同起動方式對于母線壓降及其他設備壓降的影響。

按系統單線圖在軟件中搭建模型，工程中所涉及到的發電動機組、變壓器、電動機等元器件均采用材料庫中相對應設備，各個參數設置參照實際工程中應用。對于實際應用中，供電距離較短的電動機等負荷，由于供電電纜阻抗較小，對系統影響可忽略不計，因此此部分電纜可不設置。

33kV側下端負荷不是電動機起動分析部分，在此對下游負荷選擇為一般負載，容量為變壓器容量的80%，其選擇界面如圖2所示。

圖2 33kV負載選擇

電動機選擇及設置界面如圖3所示。

由于EDSA中對于軟起動器和變頻器模塊的局限性，一般通過起動電流倍數的設置來界定不同起動方式。如圖3所示，EDSA中通過設置LRA/FLA來體現。電動機直接起動時，起動電流倍數一般為6.5倍，因此 LRA/FLA設置為 6.5；軟起動時，起動電流倍數一般為 3.5倍，因此 LRA/FLA設置為3.5；變頻起動時，起動電流倍數一般為1.0倍，因此LRA/FLA設置為1.0。其他參數可利用默認參數或參照樣本選擇。

圖3 電動機不同起動方式設置及次暫態電抗選擇

在電動機起動的開始階段，電壓驟降會對附近的其他負載造成擾動，這種干擾可能是：光線變化，X光照片的損失，高達15%的電壓驟降的通電線圈退出，如電腦等敏感設備的斷電，因此程序計算的目的就是給出一個可以查看的節點電壓變化，以便可以做出理論的判斷，并做出相應的措施來減少電壓波動的影響。工程中 0.4kV側電動機容量均＜150kW，對系統影響較小，在此不予考慮。

本文應用快速解耦法進行計算，最大迭代次數默認為1000，設置界面如圖4所示。

圖4 電動機計算方式選擇

1.1 直接起動

3000kW外輸泵電動機（P-112240）直接起動，系統計算壓降如圖5所示。

圖5 外輸泵電動機直接起動壓降

從圖5中，可以看出外輸泵電動機（P-112240）直接起動時壓降為7.98%，對11kV母線（11BS01）造成的壓降為7.23%，對33kV（33BS01）母線造成的壓降為9.92%，對0.4kV（0.4BS01）母線造成的壓降為7.63%，對相鄰壓縮機（K-113210 800kW）電動機造成壓降為 7.3%，注水泵（0140-P-3011 700kW）電動機造成壓降為7.31%。

1.2 軟起動

所謂軟起動，指按照預先制定的模式控制起動過程中電壓，由較低值平滑上升到全壓，使電動機軸上轉矩勻速增加，從而達到起動特性變軟。系統計算壓降如圖6所示。

從圖6中，可以看出外輸泵電動機（P-112240）軟起動時壓降為 4.45%，對 11kV母線（11BS01）造成的壓降為4.04%，對33kV（33BS01）母線造成的壓降為6.63%，對0.4kV（0.4BS01）母線造成的壓降為4.32%，對相鄰壓縮機（K-113210 800kW）電動機造成壓降為 4.11%，注水泵（0140-P-3011 700kW）電動機造成壓降為4.12%。

1.3 變頻起動

變頻起動通過變頻器實現，可以將起動電流控制在額定電流以內，有效控制電流對電網的浪涌沖擊以及機械沖擊，為電動機的穩定運行提供保障，降低電動機的維護成本。系統計算壓降如圖7所示。

圖7 外輸泵電動機變頻起動壓降

從圖7中，可以看出外輸泵電動機（P-112240）變頻起動時壓降為1.34%，對11kV母線（11BS01）造成的壓降為1.22%，對33kV（33BS01）母線造成的壓降為3.73%，對0.4kV（0.4BS01）母線造成的壓降為1.41%。對相鄰壓縮機（K-113210 800kW）電動機造成壓降為 1.29%，注水泵（0140-P-3011 700kW）電動機造成壓降為1.30%。

通過三種不同起動方式，可以看出，直接起動方式對電網沖擊最大，軟起動方式次之，變頻起動最小。

2 結論

通過計算數據，我們可以看出直接起動雖然沒有造成系統的失穩（規范規定，電動機起動時，在配電系統中引起的壓降不能妨礙其他用電設備的工作，即電動機頻繁起動時配電母線上的電壓不能低于系統標稱電壓的90%），但其起動電流較大，對給電網帶來很大的沖擊，因此需要考慮采用軟起動器或變頻器來降低電動機起動對電網的影響。變頻起動產生的壓降最小，軟起動器處于兩者之間，但變頻起動一次性投入較高，且結構相對復雜，維護費用較高，變頻起動用于短時的電動機起動，其一次投資與收益嚴重不平衡。軟起動器可消除高次諧波穩定線路電壓，且造價較低，對系統產生影響較小，并且可整定電動機起動電流，減小對設備的沖擊，降低母線電壓的下降程度，從而提高系統運行穩定性，由于軟起動啟停時間可調，對一般設備可實現平穩起停，因此對提高設備的穩定性，減輕對電動機及被拖動設備的沖擊都有一定的作用。因此我們選擇軟起動器作為 3000kW 中壓電動機的起動裝置。

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