高阶段设计的电动机起动估算

电气设计参考资料：

高阶段设计的电动机起动估算

中国瑞林工程技术有限公司 黄永青 2012-06-13

1、目的

通过对交流笼型异步电动机的起动估算，尤其是大功率交流笼型异步电动机的起动估算，确定电动机的起动方案，或满足大电机起动的系统短路容量。

2、电动机起动过程简要分析

从电动机的等值电路及起动特性可知，在合闸瞬间，由于传动系统存在机械惯性，在电机转子还没有转动时，此刻，当电源（系统）的阻抗（短路容量）一定时，电动机起动回路的起动电流只与电动机的电磁参数有关，即：起动时的尖峰电流的大小是由电动机固有电磁参数决定的。当起动时电动机的电磁转矩大于传动系统的机械静阻转矩时电动机转子开始旋转，此时，电枢反应和滑差＜1的结果将使电动机起动回路的电流下降而小于起动瞬间的尖峰电流。随着电动机的旋转传动系统的机械转速逐渐上升，电动机起动回路的电流也将逐渐减小，当加速到额定转速时，起动回路的电流为电动机的额定电流，起动过程结束。起动时间和起动期间起动回路的电流大小与传动系统的机械动转矩，即负载的大小有关。统计资料表明，对于直接起动方式的电动机，在起动加速期间起动回路的电流值一般维持在约0.7倍电动机起动尖峰电流，当加速到过电动机机械特性曲线上的最大转矩点、转速接近额定转速时，起动回路的电流将迅速下降到额定电流（假设电动机是拖动额定负载）。

在电动机的起动过程中，电流最大值发生在起动合闸瞬间，其电流在数值上等于电动机的堵转电流（额定电流×启动电流倍数），该最大电流值只与电动机的固有（电磁）参数和系统容量有关。当系统容量一定时，起动时配电系统母线的电压降与起动回路的电流有关，即：与电动机的起动容量有关，且母线处最大电压降对应起动合闸瞬间出现的起动尖峰电流。

3、电动机起动时电压降的估算方法

3．1估算方法及假定条件

根据上节对电动机起动过程的分析，并考虑到高阶段设计主要是确定电动机的起动方案，因此采用“短路容量法”对电动机的起动进行估算，并假定：为三相平衡负荷、不考虑电缆的阻抗及母线处无功负荷对电动机起动的影响。

3．2估算公式

参照GB/T12326-2008《电能质量 电压波动和闪变》第6章，对于三相平衡负荷的电压波动估算公式（7）：

d≈ΔSm/Ssc×100%

式中：d——电动机起动时母线处的电压波动，%；

ΔSm——电动机的起动容量，kVA或MVA。

Ssc——起动回路母线处系统的正常较小方式下的短路容量，kVA或MVA。

3．3电动机起动容量的估算

电动机的起动容量：ΔSm=Km×Sn= Km×√3×Un×In=Km×Pn/ηnCOSΦn，

式中：Km——电动机起动电流倍数，一般在5~7，可查电动机样本资料确定。在缺乏资料时，推荐：中、小容量（2000kW及以下）的电动机取7，较大容量的取6（2000~6000kW），特大型的取5（6000kW以上）；

Sn——电动机的额定容量，kVA，或MVA；

Un——电动机的额定电压，kV；

In——电动机的额定电流，A，或kA；

Pn——电动机的额定功率，kW，或MW；

ηn——电动机的额定效率；

COSΦn——电动机的额定功率因数。

注：给出几种电动机容量表示方法（计算公式），可根据已知的设计条件酌情选用。例如，已知额定功率数据，可以查功率相近，同步转速相同（极数相同）的电动机的ηn、COSΦn、Km数据估算出电动机的起动容量，或根据电动机的效率与功率因数的乘积通常为0.85~0.87及Km的估值估算电动机的起动容量。

3．4母线处正常较小方式下的短路容量Ssc估算

3．4．1变压器容量由设计选定时Ssc的估算

以变压器额定容量为基准容量，则变压器二次侧的极限（最大）短路容量等于变压器额定容量除以变压器额定阻抗电压值。因此，确定变压器二次母线处正常较小方式下的短路容量，就转变为估计变压器一次侧在系统正常较小方式下的短路容量值。 对于高压电动机，额定电压通常为10（6）kV，主变一次电压通常为35kV、或110kV；对于低压电动机，配电变压器的一次侧电压通常为10（6）kV，其额定容量通常≤2500kVA，在《工业与民用电力设计手册》第三版第4章：短路电流计算，表4-13、表4-30中给出了在一次侧不同短路容量时不同容量的变压器二次侧的三相短路容量或电流值，其中，表4-30给出的是三相短路电流值，经换算可得二次侧短路容量（变压器为Dyn11连接组），且表中数据是考虑了低压开关柜的母线阻抗，比较切合实际，但表4-30中800kVA及以上的变压器其阻抗电压值为6%，这点需注意（阻抗电压值大，短路容量小）。

对于35kV及以上电压的主变，若已知系统短路容量数据，则直接引用。当缺乏电力系统短路数据时，根据以往的工程经验，建议按以下数据选取：

35kV：250~300MVA；

110kV：400~500MVA。

则：变压器二次侧的短路容量ST2为：

ST2=SSST/（SS+ ST），MVA

式中：SS——变压器高压侧短路容量，MVA；

ST——变压器接入无穷大系统时二次侧短路容量（极限短路容量），

ST=100Se/ud%，Se、ud%分别为变压器额定容量（MVA）和变压器阻抗电压百分值。

在已经估算出了主变二次侧短路容量情况下，可再用以上公式估算配电变压器二次侧短路容量。需注意的是，按上述公式估算的配电变压器二次侧短路容量要比《工业与民用电力设计手册》表4-30中的略大（由于没有考虑低压柜母线阻抗）。

3．4．2直接由10kV公用电网供电时Ssc的估算

在这种情况下，项目由10kV供电，只有配电变压器。为了估算10kV系统正常较小方式下的短路容量，需要了解以下基本情况：

1）上级站电压等级及主变的容量；

2）10kV线路的敷设长度、是架空线路还是电缆线路。

根据以上两条基本情况，可大致推算出配电所10kV母线处的短路容量，从而估算出配电变压器二次侧的短路容量。有关10kV线路的阻抗数据可参考：《工业与民用配电设计手册》第三版、第4章，或《钢铁企业电力设计手册》上册、第4章的相关内容。

对于电源情况还不确定的项目，通过分析表4-30中的数据可知，当一次侧（高压侧）短路容量在50~100MVA时的二次侧短路容量与一次侧短路容量为无穷大时的二次侧短路容量的比值分别约为：

315kVA及以下：0.9~0.96；

400~1000kVA：0.8~0.9；

1250~1600kVA：0.7~0.82；

2000~2500kVA：0.6~0.75。

作为高阶段的估算，配电变压器容量较小时取上限值，变压器容量较大时取中间值，这也意味着是假定10（6）kV高压侧的短路容量为75~100MVA。

3．5允许电压降（电压波动）及起动方案确定

采用何种起动方案，起动时母线处的允许电压降（电压波动）是主要判据。

对于高压母线，电动机起动时母线处的电压降（电压波动）应控制在10%以内，即：高压母线处的电压水平≥0.9Up.u(Up.u——母线标幺电压)；

对于低压母线，电动机起动时母线处的电压降（电压波动）宜控制在13%以内，即：低压母线处的电压水平≥0.87Up.u(Up.u——母线标幺电压)。

当采用电动机的额定起动容量进行估算，母线处能够满足以上电压水平要求，则对应的是可以采用直接起动方案；

当直接起动不能满足电压水平要求时，修正电动机的起动电流倍数Km数值，比如，取Km=3~3.5（即：减小起动容量）进行估算，若此时能满足母线处电压水平要求，则对应的需要采用降压起动，即软起动方案。对于Km=3~3.5的软起动方案，可供选择的软起动设备比较多样。如果出现只有在取Km=1.5~2.5才能满足母线电压水平的情况时，宜做更细致的起动计算，比如，需更详细点的系统短路容量、电动机参数、负载转矩曲线等资料，因为在这种情况下设计上可能需考虑采用变频器软起动方案来解决电动机的起动问题，设备投资较大，需做较为详细的设计计算加以确定。

4、几点讨论

4．1变压器二次侧短路容量估算误差分析 对上节中变压器二次侧短路容量估算公式 ST2=SSST/（SS+ ST）的分子、分母同除以SS，得：

ST2=ST/（1+ ST/SS）

若：SS→∞，则有ST/SS →0，ST2 →ST。因此，系统短路容量容量越大，变压器二次侧的短路容量就越接近变压器接于无穷大系统时的短路容量（极限短路容量）。若：ST/SS=0.1（即系统短路容量为变压器极限短路容量的10倍时），则ST2≈0.9ST。

显然，额定容量较小的变压器比较容易满足ST/SS=0.1条件，而容量较大的变压器，要满足ST/SS=0.1则比较困难，例如：额定容量400kVA、阻抗电压百分值ud%=4的配电变压器，其二次侧极限短路容量为10MVA，若要满足ST/SS=0.1，高压侧的短路容量要求为100MVA，但对于额定容量2500kVA、阻抗电压百分值ud%=6的配电变压器，其二次侧极限短路容量为41.7MVA，此时若要满足ST/SS=0.1，则高压侧的短路容量要求为416.7MVA。对于通常的10（6）kV系统，100MVA的短路容量通常比较容易满足，但很难满足系统正常运行方式下416.7MVA的短路容量（为起动特大功率电动机，当系统允许短时改变运行方式时有可能达到，如：两台主变短时并列运行）。因此，高阶段设计时还需根据实际情况具体分析后折中取值。

起动方案选择是否正确（靠谱）的主要判据是高压侧（系统）短路容量的估计值是否在通常系统正常运行时的短路容量的范围内。考虑到“短路容量法”估算较为简单，推荐采用“反算法”，即：对已知的电动机容量，估算能满足直接起动要求的系统短路容量是多少，如果该短路容量值是在通常系统正常运行时的短路容量范围内，起动估算结束；如果超出范围，再按采用常规软起动进行估算（取:Km=3~3.5），直到要求的系统短路容量在通常系统正常运行时的短路容量范围内。当然，根据以往的工程经验，对容量较大的电动机可以直接从采用软起动方式开始进行估算。

4．2关于“正常较小方式下的短路容量”

GB/T12326-2008《电能质量 电压波动和闪变》第6章中关于电压波动估算时是采用“正常较小方式的短路容量”进行估算，这里套用来作为高阶段设计时电动机的起动估算。需注意的是与系统“最小方式下的短路容量”的区别。作为电动机的起动计算，尤其是大型、特大型电动机的起动计算，应该用系统“最小方式下的短路容量”，以策安全。但是，也应注意到，从电网发展的角度看，“最小方式的短路容量”也是暂时的，“最小方式的短路容量”的数值也将会随着电网的发展逐渐增大，此外，电动机启动的时间相对于电网来说也是随机的，即，电动机起动时，系统不一定就正好处在最小方式，因此，采用“正常较小方式下的短路容量” 来进行电动机的起动估算比较结合实际，应该是可行的。

4．3对电动机的起动还应考虑的因素

电动机起动回路中的电缆阻抗及母线处的无功负荷对电动机的起动有一定的影响。通常，从母线到电动机的电缆的阻抗存在将使起动回路的起动容量降低，从而使起动回路的电流减小，对减小起动时的母线电压波动有利；而母线以上的电缆或线路的阻抗存在将导致母线处的短路容量降低将不利于起动；母线处的无功负荷，类似于一个电源（无功电源），在电动机的起动瞬间，将向起动回路提供无功电流，相当于减少了系统提供的无功，从这个意义上讲，母线处无功负荷的存在有利于起动，此外，除考虑母线处的电压水平外，还应考虑电动机端子处的电压水平，而电动机端子处的电压水平对电动机的起动转矩有较大的影响（电动机的转矩与电压的平方成正比）。