長距離配電風機啟動計算方法及影響因素分析

摘要：國內軌道交通建設工程大量推進，尤其是市域、城際軌道交通工程的實施，在各條線路中均出現了較多的長大區間，為長大區間日常通風和消防防排煙的風機設備配置功率和數量均有一定的增加，由此而來的風機配電方案選擇不當造成無法正常啟動問題頻發。本文結合長距離風機配電的壓降計算方案，分析長距離配電時影響風機正常啟動的主要因素，并提出對應的解決建議，本文工作有助于對城市軌道交通設計、建設和管理人員提供借鑒和參考。

關鍵詞：軌道交通 風機啟動 壓降分析

一、引言

目前，城市軌道交通建設方興未艾，尤其是伴隨著大量市域、城際軌道交通工程的實施，在各條線路中均出現了較多的長大區間，為長大區間日常通風和消防防排煙的風機設備配置功率和數量均有一定的增加，由此而來的風機配電方案選擇不當造成無法正常啟動問題頻發，已成為電氣設計時必須考慮的重難點。本文從風機正常啟動條件著手，假定條件對風機長距離配電的正常啟動配電方案進行校驗計算，分析風機啟動的影響因素，進而提出長距離風機設備配電問題的重點關注方向和解決方案。

二、典型地下區間風機的配電條件

軌道交通地下區間內的風機一般設置距離車站較遠，風機一般采用吊裝或隧道側邊安裝方式，風機容量不盡相同，為簡要說明風機配電能否正常啟動的校驗方式，本次結合軌道交通地下區間風機配置特點假定參數，具體如下：

風機數量為1臺，車站降壓變電所至區間風機的距離為400米，電纜按4×95+1×50規格考慮。電機額定工作電壓380V，額定功率為55kW，功率因數按0.8考慮，啟動電流倍數按6考慮，啟動轉矩相對值1.1，啟動靜阻轉矩相對值0.3。系統最小運行方式下短路容量200MVA，變電所采用10/0.4kV變壓器，低壓側正常運行母線電壓為380V，變壓器容量1000kVA，短路阻抗6%，變電所低壓側其它負荷容量為400kW。

三、風機啟動的校驗計算

1、根據《工業與民用配電設計手冊（第四版）》中計算電動機啟動時電壓暫降的計算方法，利用變壓器的容量SrT和短路阻抗計算變壓器的計算容量：

2、根據系統最小運行方式下短路容量Ssc和變壓器的計算容量計算母線短路容量：

3、查閱《線路電壓計算損失表》，確定電纜單位長度下的電感和電阻分別為：

由線路長度L=0.4km可以計算出線路阻抗：

4、基于以上數據得出線路的計算容量：

由電動機額定容量SrM和啟動電流倍數kst計算出電動機的啟動容量：

由電動機的啟動容量和線路計算容量可以算出啟動回路的計算容量：

由此算出預接負荷的無功功率：

最后可以計算出：

母線電壓相對值，

電動機端子電壓相對值：

根據《工業與民用供配電設計手冊（第四版）》中第6.5.5.2小節中規定，對于不頻繁啟動的電機啟動時配電母線上的電壓不宜低于標稱電壓的85%。

《工業與民用供配電設計手冊（第四版）》中第6.5.5.4小節中規定，電動機啟動時還應該滿足電動機端子電壓應能保證傳動機械要求的啟動轉矩。

經計算，電機啟動電壓應滿足：

式中ms為啟動靜轉矩相對值、mstM為啟動轉矩相對值。

結論：電機啟動時配電母線上的電壓相對值0.961，不低于標稱電壓的85%，電動機啟動時電動機端子電壓相對值0.739，大于最低要求0.548，因此，假定計算條件下，采用此種配電方案，區間風機可以直接啟動。

四、風機啟動的影響因素分析

由上節各步計算過程分析，我們可以看出，影響風機啟動的直接電氣參數主要有以下幾個方面：

1、母線電壓相對值ustB

影響母線電壓相對值的電氣參數是母線短路容量SscB、預接負荷的無功功率QL、啟動回路的計算容量Sst。要減小直接啟動時母線壓降需增加母線電壓相對值ustB，即增大SscB、減小QL和Sst。

1）增加母線電壓相對值ustB需增加系統最小運行方式下短路容量Ssc和變壓器的計算容量ST（即增加變壓器容量）。解決方案是增加系統最小運行方式下短路容量Ssc和選用大容量變壓器。

2）減小預接負荷的無功功率QL解決方案是可以減小預接負荷或者對預接負荷進行無功補償。

3）減小啟動回路的計算容量Sst可以減小電動機的啟動容量SstM和線路的計算容量Sl，解決方案是選用啟動電流倍數小的電機和選擇阻抗較大的電纜線。

2、電動機端子電壓相對值ustM。

合并以上部分公式可得：

在母線電壓相對值一定時，影響電動機端子電壓相對值的電氣參數是線路的計算容量Sl和電動機的啟動容量SstM。要減小電動機端子電壓降需增加電動機端子電壓相對值ustM，解決方案是減小電動機的啟動容量SstM和增大線路的計算容量Sl，即選用啟動電流倍數小的電機和選擇阻抗較小的電纜線。

綜上所述，影響風機直接啟動的電氣參數有系統最小運行方式下短路容量Ssc、變壓器容量ST、負荷的無功功率QL、電動機的啟動容量SstM、線路的計算容量Sl。

五、結論

長距離風機配電方案，當正常配電方案無法保證風機正常啟動時，應從，以下幾個方面予以關注：

1、增加系統最小運行方式下短路容量Ssc。

2、增加變壓器容量ST。

3、減少系統預接負荷或者對預接負荷進行必要的無功補償。

4、選用啟動電流倍數小的電機。

5、當母線電壓滿足直接啟動條件而電動機端子電壓不滿足啟動條件時可以適當選用阻抗較小的電纜線;當電動機端子電壓滿足啟動條件而母線電壓不滿足啟動條件時可以適當選用阻抗較大的電纜線。

參考文獻

[1]《城市軌道交通技術規范》（GB50490-2009）[S].中國建筑工業出版社，2009.

[2]《地鐵設計規范》（GB50157-2003）[S].中國計劃出版社，2003.

[3]《工業與民用供配電設計手冊》（第四版） [S].中國電力出版社有限公司，2017.

作者簡介：

張紹靜（1981.08），教師，現任職于武漢鐵路職業技術學院，主要從事供變電系統、繼電保護、城市軌道交通系統的教學工作。

張紹靜，1981.8，性別：女，民族：漢，職務/職稱：講師，學歷：研究生，研究方向：繼電保護，城市軌道交通概論，單位信息：（單位全名），湖北省武漢鐵路職業技術學院

武漢鐵路職業技術學院 武漢 430060