電動機啟動壓降的計算與應(yīng)對措施

［摘 要］電動機全壓啟動電壓下降是電器啟動和設(shè)計中必須注意的環(huán)節(jié)，關(guān)系到電網(wǎng)、電機壽命及電動機機械設(shè)備的安全平穩(wěn)運行。文章分析了電動機啟動壓降的產(chǎn)生原因、計算及危害，提出了優(yōu)化高壓同步電動機的啟動、電網(wǎng)與用戶設(shè)備間加設(shè)緩沖設(shè)備及根據(jù)工況安裝動態(tài)電壓補償器等應(yīng)對措施，能在一定程度上保護電網(wǎng)和和電動機，延長電動機壽命，保障系統(tǒng)安全平穩(wěn)運行。

［關(guān)鍵詞］電壓下降；全壓啟動；計算；應(yīng)對措施

［中圖分類號］TM714.2 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）04–0097–03

1 電動機啟動壓降產(chǎn)生的原因

電壓暫降是指電力系統(tǒng)中某點工頻電壓的均方根值突然降低至額定電壓的10%～90%（即幅值為0.1～0.9 p.u.），并在持續(xù)10 ms 至1 min 后恢復(fù)到正常水平的現(xiàn)象。通常情況下，電動機啟動電壓降由3 部分組成，即變壓器端子的電壓降、配電母線電壓降，干線末端電壓降（當有配電干線時） 。變壓器端子的電壓降主要由變壓器的阻抗通過電流產(chǎn)生，配電母線電壓降主要是母線的電阻、電抗通過電流產(chǎn)生的電壓損失，干線末端電壓降主要是配電線路的電阻、電抗通過電流產(chǎn)生的電壓損失。

2 電動機啟動壓降的計算

電動機處于全壓啟動狀態(tài)時，需要從電源端汲取的電流量是正常運行時的5～8 倍，當這種較大的電流通過系統(tǒng)阻抗時，就會造成線路電壓瞬時降低。在企業(yè)正常生產(chǎn)過程中，當出現(xiàn)電壓瞬時降低時，極易造成設(shè)備故障或系統(tǒng)停電，嚴重時還會導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸事故的發(fā)生，故電動機的啟動壓降問題應(yīng)該引起足夠重視。通常情況下，電動機啟動前的電壓均方根值U與啟動時的電壓均方根值Ust 之差稱為電壓暫降，以系統(tǒng)標稱電壓Un 的百分數(shù)表示為：

Δust=（U–Ust）/Un×100% （ 1）

式中，U為啟動前電壓均方根，Ust為啟動時電壓均方根，Un為系統(tǒng)標稱電壓。

設(shè)定電動機啟動前的母線電壓與網(wǎng)絡(luò)標稱電壓相等，通過試驗總結(jié)，電動機全壓啟動狀態(tài)時，以銅芯電纜為例，母線與電動機端子電壓的表達式如下。

（1）線路電抗X1 ：10 kV 以下電纜且截面積不大于150 mm2時：

式（2）～（10） 中，L 為電纜長度，km ；S 為電纜截面積，mm2 ；n 為電纜根數(shù)；PrM 為電機功率，kW ；Kst 為電動機啟動電流倍數(shù)；Ssc 為最小運行方式下的系統(tǒng)短路容量，MVA ；Uav 為系統(tǒng)平均電壓，kV ；Uk 為變壓器電抗相對值（如0.045）；SrT 為變壓器額定容量，MVA ；cosφ 為功率因數(shù)；Us 為電源母線電壓相對值（如1或1.05等）；?B為變壓器負載率，%。

3 實例說明

某化工裝置內(nèi)新增1 臺低壓電動機，數(shù)據(jù)如下：①電機功率為110 kW，啟動電流倍數(shù)為7，功率因數(shù)0.8。②現(xiàn)場至變電所的距離是300 m，所內(nèi)變壓器額定容量是1.250 MVA，變壓器短路容量（最小運行方式下）為150 MVA，變壓器電抗相對值是0.045，電源母線電壓相對值是1，變壓器負載率取0.5。

當分別采用雙拼50 mm2、70 mm2、95 mm2 與120 mm2 銅芯電纜供電時，母線電壓相對值與電動機端電壓相對值對比見表1。

由表1 推出表2 數(shù)據(jù)。

由表1 和表2 可以得出以下結(jié)論。

（1）電纜的截面積不同時，對母線電壓相對值的影響較小，但對電動機端電壓相對值的影響較大。

（2）隨著電纜截面積的增加，對母線電壓相對值的影響逐漸降低且降低的幅度越來越小，對電動機端電壓相對值的影響逐漸增加但增加的幅度越來越小。

因此，當遇到電動機端電壓過低時，在電動機參數(shù)一定的情況下，可以通過增加電纜截面積的方法來提高電動機端電壓的相對值。

4 電動機啟動壓降（全壓啟動）的危害

4.1 對電網(wǎng)造成影響

電動機啟動壓降（全壓啟動）使電網(wǎng)運行不穩(wěn)定、功率震蕩情況的發(fā)生，嚴重時會造成電網(wǎng)的某些主開關(guān)跳閘，保護參數(shù)的破壞，進而導(dǎo)致設(shè)備異常停機。

4.2 降低電動機壽命

電動機啟動壓降（全壓啟動）會產(chǎn)生大量熱量，這會加速絕緣層的老化（嚴重時直接造成絕緣物的擊穿），使其壽命縮短。

4.3 對機械（或設(shè)備）的傷害

電動機啟動壓降（全壓啟動）時的電流是額定值的5～8 倍，強大的沖擊力和啟動電流會使電機出現(xiàn)松動，同時也會沖擊電機的定子線圈，使線圈發(fā)生變形，嚴重時還會燒壞啟動器的交流接觸器。

5 電動機啟動壓降（全壓啟動）的應(yīng)對措施

5.1 優(yōu)化高壓同步電動機的啟動

降壓啟動或母線短路擴容以解決啟動壓降。

（1）降壓啟動可以有效減少對電網(wǎng)的沖擊，對電動機引起的電壓波動的要求是 10% 以下，即使電動機引起的電壓有波動，最多也不會大于15%，并且電動機降壓啟動后可以有效降低電流，從而使電網(wǎng)電壓的波動率有所降低。

（2）降壓起動時，電動機電流降低了（特別是降低至額定電流范圍之內(nèi)），會減小對電動機機械部分的傷害。此外，降壓啟動可以降低電機的發(fā)熱量，使其壽命延長。

常見的降壓啟動有Y/Δ 啟動、自耦變壓器啟動、晶閘管啟動及變頻器啟動等方式。非全壓啟動需要增加同步電動機專用的配電變壓器、高壓電抗器、自耦變壓器及高壓軟啟動等設(shè)備，才能實現(xiàn)電動機降壓啟動的目的。

此外，由供電部門增加供電系統(tǒng)母線的短路容量也是一項很好的選擇措施，可以在不增加經(jīng)濟投入的情況下使電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

5.2 優(yōu)化電網(wǎng)，減少故障發(fā)生頻率，縮短故障切除時間來抑制電壓暫降的發(fā)生

減少故障頻率通常使用的方法有剪樹作業(yè)的嚴格管理、架空線路加設(shè)外絕緣、架空線路入地、增加維護頻率、附加的屏蔽導(dǎo)線架空、提高絕緣等級等。在縮短故障切除時間方面，通常使用的方法有：①采用反時延過電流繼電器的措施縮短故障清除時間；②采用有限流作用的熔斷器或采用快速故障限流器的措施來緩解跌落時間；③采用固態(tài)開關(guān)的固態(tài)切換的措施等。

優(yōu)化供電方式也可以在一定程度上降低電壓暫降的幅度，如在系統(tǒng)關(guān)鍵位置裝設(shè)限流線圈，在靈敏負荷處設(shè)1 臺電源或在高靈敏負荷處選擇更多電源，設(shè)配電站或采用母線分段來限制同一母線的饋線數(shù)等。

5.3 在供電網(wǎng)絡(luò)與用戶設(shè)備間加設(shè)緩解設(shè)備

在電網(wǎng)及各參數(shù)固定的情況下，供電系統(tǒng)與用戶間加設(shè)緩解設(shè)備是個不錯的選擇。通常用的緩解設(shè)備有不間斷電源（如UPS、PLC、PC、DCS 等）、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器（也稱電壓恢復(fù)器，如DVR）、固態(tài)切換開關(guān)（如SSTS 等）、電壓暫降保護器（如VSP）等。從使用的情況看，效果良好。

5.4 對特別靈敏的工藝和設(shè)備，根據(jù)需要安裝動態(tài)電壓補償器

對于特別靈敏的工藝和設(shè)備，一旦出現(xiàn)波動，停機或出現(xiàn)故障導(dǎo)致的后果無法預(yù)期。為消除電壓波動帶來的影響，可以根據(jù)需要安裝動態(tài)電壓補償器，如目前國內(nèi)使用的美國索奇科技公司的DYSC 系列產(chǎn)品（如MegaDYSC、ProDYSC、MiniDYSC 等）屬于高效節(jié)能且可靠性較高的動態(tài)補償器，使用效果較好。

此外，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，提高設(shè)備對電能質(zhì)量問題的抵御能力，使用戶設(shè)備處的電壓擾動最小。

6 結(jié)束語

電動機全壓啟動電壓下降是電器啟動和設(shè)計中必須要注意的環(huán)節(jié)，通過較為周密的計算能夠?qū)航档漠a(chǎn)生和大小有清晰的認識，從而在設(shè)計開始階段就可以從電纜選型、供電負荷、母線容量等多方面進行控制，當電網(wǎng)及其負荷固定之后，還可以在后期采用不同的電壓補償器進行控制，這能夠在一定程度上對電網(wǎng)、電機壽命及電動機的機械設(shè)備起到保護作用，使系統(tǒng)安全平穩(wěn)地運行。

參考文獻

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