泵站異步電動機啟動壓降計算及啟動方式

練炤懿

（廣東珠榮工程設計有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

電動機采用直接起動方式時，首先要計算電動機啟動的數據，只有完全符合相關規定，才能利用，該文利用實例對計算過程進行分析，某泵站采用56zlb-70 型號的水泵，轉數額定為365 r/min，電機配套功率為500 kW，共6 臺電機。

1 選擇電動機

1.1 選擇壓和額定容量

進行主電機的容量的選擇要按照水泵運行中容易產生的最大軸功率決定的，并要進行儲備，儲量系數最佳值為并留有一定的儲備，儲量系數宜為1.02～1.08。通常以0.4 kV、6 kV 和10 kV 的電壓等級作為泵站電動機使用的標準，所以，業內把0.4 kV 電動機稱之為低電壓電機，一般在異步電機上應用。6 kV 和10 kV 電動機通常稱為高壓電動機[1]。

當前形勢下，電力工程電網結構的調整，城鎮供電所的等級多數為110 kV/10 kV，6 kV 電壓等級逐漸被10 kV 電壓等級代替，由此，應該把10 kV 電壓等級電動機作為使用的首選。如果變電站在不排斥的狀態下，適合利用10 kV 直接供電，為了適當減少成本，泵站可以不進行主變壓器的設置。泵站距變電站3.5 km，主變壓器容量31.5 MVA。采用10 kV 線路直接向泵站供電，電機電壓等級為10 kV。

1.2 電動機型選擇

通常電動機分為同步電動機和異步電動機。

比起同步電動機，異步電動機有很多優勢，例如方便維護、經久耐用、結構簡單、價格低廉和運行可靠等。而異步電動機缺點在于功率因數低，尤其是在低轉速的情況下，會出現低于0.72 的功率因數。按照泵站的設計要求，不允許發生計量點功率因數低于0.8 的情況，解決的途徑是設置無功補償設施，有效提升功率因數。同步電動機或異步電動機的選擇可根據電動機的容量進行劃分。《泵站設計規范》（GB/T 50265—97）有如下規定：當主電機單臺額定容量為630 kW 或者以上時，最好利用應同步電動機實施彌補；如果泵站主電動機單臺額定容量低于630 kW 的時候，就要利用靜電電容器實施無功補償。該文介紹的試驗電站采用500 kW 的電動機，異步電動機初步應用，無功補償可以利用成套的電容柜[1]。

2 啟動方式選擇

2.1 全壓啟動

全電壓啟動是最簡單、最可靠、最經濟的啟動方式，這是最好的啟動方法之一，它將所有電源電壓（即全電壓）直接加到異步電動機的定子繞組上，使電動機在額定電壓下啟動，因此又稱為直接啟動。全壓啟動具有啟動轉矩大、啟動時間短、操作控制方便和維護簡單等優點，經濟實惠，設備故障率低。全電壓啟動的缺點是起動電流大，起動電流是額定電流的3～8 倍。如果電動機功率較大，電動機的起動電流會使配電系統顯著降低電壓，從而也對同變壓器和同線路上的其他設施造成影響[2]。

2.2 降壓啟動

當電動機全電壓起動會導致配電系統電壓降過大時，或在某些情況下，不允許全電壓起動，可用降壓起動，通過起動裝置使定子繞組的端電壓低于額定電壓。起動后，定子繞組的端電壓為額定電壓，稱為降壓起動。

2.2.1 角形措施

星形－三角降壓起動表現形式為啟動電動機過程中，為了將啟動電壓減下來、以對啟動電流的限制，會把定子繞組接成星形（Y）；啟動電動機之后，可以把定子繞組形成三角形（△），確保電動機電壓運行的滿負荷，可以保證在啟動電動機時變成星形。試驗表明，啟動電壓附加在施加在每相定子繞組上數值只是利用三角形接線直接起動1/，也就是57%的額定電壓。如果利用三角接法直接進行時，呈1/3 的啟動電流。由此可知，該降壓啟動方式能滿足中小型泵站水泵機組的啟動要求。星形－三角降壓啟動最大的優點是設備簡單、維護方便，適合農村中小泵站的低壓電動機啟動。

2.2.2 自耦變壓器降壓啟動

將自耦變壓器的高壓側連接至電網，低壓側連接至電機。起動時，用自耦變壓器分接頭降低電動機電壓，當轉速上升到一定值時，自耦變壓器自動切斷，電動機接通電源，全電壓運行正常。降壓起動時利用自耦變壓器具備顯著的優點：在選擇不同自耦變壓器抽頭時，可按照所需要的啟動轉矩和允許啟動的電流進行參考，其使用的條件，完全不受動機定子繞組的Y 或△連接方式的影響。但是該變壓器也有投資大、體積大的缺點[2]。

2.2.3 軟啟動

電動機軟起動器是常用的降壓起動方式之一，用軟起動器起動電動機時，會逐漸升高晶閘管的輸出的電壓逐，電動機也開始加快速度，直到把晶閘管完全接通。這樣就可以保證在額定電壓的機械特征下平穩啟動，把啟動電流有效降低，就不會發生因為啟動引起過流跳閘的情況。

3 啟動計算

3.1 啟動計算的工況

中小型泵站大多采用單母線接線，泵組臺數大于6 臺時，也可采用單母線分段接線。對于異步電動機，最后一臺機組的啟動是最大電壓降的運行工況和泵站的啟動標定條件。根據《泵站設計規范》（GB/T 50265—97），母線電壓降在機組啟動時不能超過額定電壓的15%[3]。

3.2 啟動計算

電排站單臺電機容量500 kW，裝機容量6×500 kW。進行直接供電的是變電所10 kV 線路。變電站配備的主變壓器有效容量為31.4 MVA，其結構為載調壓。基于3.4 公路的變電所與電排站之間的輸電線路，必須對電動機啟動電壓進行計算。考慮到變電站的長久運行以及簡化計算程序，其計算條件的規定是最后一臺電動機啟動后變壓器滿負荷運行[3]。

10 kV 母線電壓降產生是因為電動機的啟動，對該電壓降進行計算，設計變電站10 kV 母線與變電站直接相連。母線的電壓降得出結果后，務必估量變電站與電排站之間的線路影響。計算了變電站10 kV 母線的電壓降。

3.2.1 異步電動機起動時變電站母線電壓

式中：Uqm－電動機起動時變電站母線電壓標幺值；Uk－變壓器阻抗電壓百分比；Ued－被起動電動機的額定電壓；Iqd－被起動電動機的起動電流，（廠家提供數值為234A）；Sed－變壓器的額定容量；Ped－被起動電動機的額定容量。將相關數據代入式（1）得：Uqm＝0.923。

3.2.2 異步電動機起動時電排站母線電壓

式中：Ud－電動機起動時端電壓標幺值（以額定電壓為基準）；Uqm－電動機起動時變電站母線電壓標幺值；Iqd－被起動電動機的起動電流（廠家提供數值為234A）；r1－線路單位長度電阻；xl－線路單位長度電抗；L－線路長度；Ued－被起動電動機的額定電壓。

將相關數據代入式（2）得：Ud＝0.873。

以上計算為第一臺電機啟動時的電壓降。由于架空線路長3.5 km，計算時忽略了電機電纜的電阻和電抗。在具體的運行過程中，電動機的運行程序導致輸電路產生一定的電壓降，電機轉速越高，電壓降就越大。基于全部異步電機實際運行中，當電動機投入運行時，輸電線路會產生一定的電壓降，電機運轉越多，電壓降就越大。基于均安裝在站內，因此起動計算必須按最后一臺最大機組的起動計算。

3.2.3 線路電壓損失

變電站到泵站10 kV 輸電線路長3.4 km，導線型號為LGJ-120。根據小水電站機電設計手冊，當為0.9，電壓降為7%時，LGJ-120 導線的負載力矩為16 240 kW·km。當一臺機器投入運行時，線路上的電壓降如下：

3.2.4 不同的電動機啟動

因為第一臺機組運行后的線路電壓降為0.75%，機組啟動引起的終端電壓降為12.7%，那么第二臺機組啟動時的終端電壓降為：

同理得：

4 結論

綜上所述，開始啟動第一臺電動機啟動時，變電所設置的10 kV 母線電壓降為8%，電排站10 kV 母線電壓降為13%。按照最后一臺機組啟動計算結果，啟動最后一臺電動機時，電排站10 kV 母線電壓降為17%，以有關規定符合。基于計算的基礎是最后一臺電動機進行啟動后變壓器的滿負荷運行。通常的規律是實際電壓降將小于計算值，該變電站6 臺機運行時間很短，就是4 臺機投入運行時間很短。因此，該站電動機采用直接起動方式是可行的。