場站電源與動力容量的合理匹配及其經濟運行

洪建興（長慶油田公司水電廠，甘肅 慶陽 745100）

場站電源與動力容量的合理匹配及其經濟運行

洪建興（長慶油田公司水電廠，甘肅 慶陽 745100）

場站電源容量與動力系統的合理匹配是確保經濟平穩運行的關鍵，本文通過測算場站動力總負荷，在電壓波動情況下確保電動機起動轉矩不致顯著降低，以此測算變壓器電壓調節率，并在此基礎上對電動機起動時的容量和最大起動電流進行校核。通過計算認為場站電源容量（kVA)數應不低于最大電動機容量（kW）數的3倍。且其（kVA)數應以場站動力總負荷（kW）數的1.4倍為宜。

場站電源容量核定

在油田區域存在著很多諸如油井場、聯合站、供水站等生產單元，這些生產單位都是低壓配電線路供電，且多為獨立電源，分布點多面廣，幾乎占油區生產的90%以上，其中配電變壓器和動力系統容量的合理匹配是確保經濟平穩運行的關鍵。

變壓器容量選取過大，設備投資費用將明顯增加，同時運行后長期損耗付出的電費也相當可觀，且占用上級變電所主變容量；選取過小，供電可靠性將變差，尤其在負荷較重電壓波動較大的情況下將引起電動機無法起動的現象。所以在確保平穩可靠運行的情況下做到變壓器容量的選擇能夠經濟合理、節約資源。

1 場站電源總容量的核定

油區的場站一般設計有多臺電動機，如油井場、供水站等一般有2～8臺電動機，這些生產單元最常用的為Y系列異步電動機。日常工作中這些電動機不一定同時運行、而電動機運行時也不一定滿負荷，所以在核算變壓器容量時，應先對負荷情況進行分析。

不同場站由于其使用性質不同，電動機運行時其功率占比是不同的，如一些注水、供水站等，電動機運行時功率使用率較高，可達到80%～90%甚至滿負荷；而油井場所使用的電動機為滿足大扭矩起動要求，電動機容量選取較大，起動后負荷率只能達到40%～60%。所以，筆者認為單臺電動機的運行功率可按下式核算：

式中P0為電動機名牌功率，K1為負荷系數，可根據電機負荷情況實際選取;K2為使用系數，可按每天運轉小時數測算（K2=n∕24,n為日運轉小時數）。另外，核定負荷時，需考慮電動機工作時的同時系數，如站場某兩臺或多臺電動機需同時工作，可將其容量合并，使用系數按1測算。

上式測算的是機械輸出功率，考慮到損耗，電動機的機械效率取均值0.89，功率因數取均值0.88，并預留百分之十的余量，筆者認為，變壓器的容量(kVA)數可按1.4倍負荷功率（kW)數選取較為合理，即：

電源容量初步核定后還需對起動能力進行校核。

2 單臺電動機起動校核：

根據經驗公式并查閱相關技術參數知，對于Y系列異步電動機，在起動瞬間，其起動電流約為其額定電流的4～7倍，取最大值7倍進行起動電流校核。電動機堵轉轉矩∕額定轉矩≈1.8～2，暫取低起動扭矩1.8倍計算，考慮到日常生產中經常出現的滿載和部分超載起動，起動轉矩必須大于或等于1.2倍額定轉矩方能起動，即起動時其實際起動轉矩下降至理論起動轉矩的0.667倍（1.2÷1.8）及一下時，電動機將無法起動。

經查閱相關資料，電動機在其他參數不變的情況下，其起動轉矩與電壓的平方成正比，對0.667開方得0.817也就是說，當電壓下降到額定電壓的81.7%時電動機將出現無法起動的現象。即變壓器的電壓調節率不應超過18.3%。

以油田場站常用的S11-500kVA配電變壓器為例，其各參數為：額定容量500kVA；額定電壓10kV∕0.4kV；接線組別為Yyn0；試驗數據為：空載損耗0.88KW；負載損耗7.2KW；空載電流1.04%；短路阻抗5.6%。

經計算該變壓器的阻抗值為：ZN=200,Rk=2.878,Xk=10.81，以此算得經查閱相關資料變壓器的電壓調節率為：

考慮到電機起動瞬間主要為感性電流，其功率因數cosφ2= 0.35左右，并鎖定電壓調節率不大于18.3%，將以上測算數據代入（4）式，得負載系數ββ=3.27，所以，在電機起動瞬間，當變壓器達到額定電流的3.27倍時，其端電壓將下降至額定值的81.7%，將出現電機無法啟動的現象。上面核算數據不包含變壓器低壓側接線柱至電動機之間電纜阻抗形成的壓降，對一些容量較大、起動電流大，而電纜又長的場所，其引起的阻抗壓降更是不可忽視。

對于500kVA變壓器，其低壓側額定電流為721.7A，負載系數為3.27倍時，其電流為2365A，也就是說為確保電動機能夠正常起動，該變壓器能容納的最大瞬間起動電流為2365A。按7倍計算，該起動電流對應電動機的額定電流為337A,其功率約為173kW，功率（kW)相對變壓器容量（kVA)的占比為34%。所以對于場站動力與電源容量在核算時，其最大電動機功率（kW)數不得超過變壓器容量（kVA)數的34%，或變壓器容量（kVA)數不小于最大電動機功率（kW)數的3倍。按照舍零法靠攏標準得該變壓器容許最大電動機配備功率為160Kw。

3 其他電動機起動校核

其他電機的起動校核是指接在同一電源下有正在運行的一臺或多臺電動機，再次起動其他電動機的校核，以及起動時引起的電壓降落對已運行電動機的影響。

如上圖所示，已運行最大電動機電流為I1=337A，功率因數cosα1=0.88,即將起動電機啟動瞬間功率因數cosα2仍按0.35計算，并鎖定總電流I不超過2365A，通過鎖定總電流，確保在起動瞬間，變壓器的電壓調節率不超過18.3%，電動機形成的起動轉矩在1.2倍及以上，同時正在運行電動機不致因電壓突降而存在停機的風險。利用三角函數計算得起動電流I2=2085A,其對應電機的額定電流為297A,功率約為152kW，即場站第二大電機容量（kW)數不能超過電源容量（kVA)數的30%，或著變壓器容量（kVA)數不低于電動機容量（kW）數的3.3倍。對照標準并采取舍零法得電動機容量為132KW。

4 核算結果及場站電源的設計原則：

通過以上分析計算，在場站電源容量核算時，筆者認為變壓器的選擇其容量（kVA)數應不低于最大電動機容量（kW）數的3倍。且其（kVA)數應以場站用電總負荷（kW）數的1.4倍為宜，這樣變壓器的運行最為經濟合理，且容量利用率最高。另外，考慮到低壓電纜的阻抗和起動瞬間大電流情況下的降壓作用，動力設備分布不能過于分散，配電變壓器的供電半徑不應太大，當達到或超過400～500米時，電纜阻抗引起的降壓作用相當明顯，宜另行設置獨立變壓器。

[1]王正茂、閻治安等，電機學[M]西安，西安交通大學出版社，2000.9.

洪建興（1967-）男，漢，陜西西安人，機械工程師。