孔凡旭 于祥春 王樹達(dá)

海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司，天津塘沽 300451

海洋平臺大電機(jī)動態(tài)啟動分析研究

孔凡旭 于祥春 王樹達(dá)

海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司，天津塘沽 300451

海洋平臺作為一種典型的獨(dú)立小型電力系統(tǒng)，在其設(shè)計(jì)過程中，準(zhǔn)確的大電機(jī)啟動計(jì)算對于發(fā)電機(jī)容量選擇、電機(jī)啟動方式選擇、繼電保護(hù)整定具有重要意義。相對靜態(tài)啟動分析，動態(tài)分析可以準(zhǔn)確詳細(xì)地描述大電機(jī)啟動的整個過程。本文結(jié)合項(xiàng)目實(shí)例，介紹了使用ETAP軟件進(jìn)行大電機(jī)動態(tài)啟動的分析方法，并進(jìn)行了大電機(jī)啟動方式選擇。

海洋平臺；大電機(jī)啟動；動態(tài)分析，ETAP

文獻(xiàn)標(biāo)示碼:A

Offshore platform；Motor acceleration；Dynamic analysis；ETAP

引言

異步電動機(jī)是海上油氣田開發(fā)工程設(shè)施上使用最多的用電設(shè)備，異步電動機(jī)啟動時，短時較大的啟動電流會使發(fā)電機(jī)的輸出電壓短時大幅下降，對發(fā)電機(jī)和運(yùn)行著的用電設(shè)備，以及整個電力系統(tǒng)的運(yùn)行，都是很不利的。嚴(yán)重時會引起電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置動作，斷開配電系統(tǒng)或主發(fā)電機(jī)的開關(guān)，造成供電和生產(chǎn)的中斷。因此，在進(jìn)行電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電站選型時，必須考慮大電動機(jī)啟動是否會對系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成不利影響。

在工程實(shí)踐中，大電機(jī)啟動的分析計(jì)算在海洋平臺電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、改造等過程中都是非常重要的一個環(huán)節(jié)。大電機(jī)啟動分析計(jì)算的目的主要有兩個，一是分析電機(jī)能否在運(yùn)行條件下成功地啟動，另一個是看電機(jī)啟動時是否嚴(yán)重影響系統(tǒng)中其它負(fù)荷的正常運(yùn)行。

利用ETAP軟件的電機(jī)啟動計(jì)算程序，可以方便地進(jìn)行電機(jī)啟動的仿真計(jì)算，得到精確、直觀的曲線和報告。ETAP軟件提供了兩種電機(jī)啟動計(jì)算方法：靜態(tài)電機(jī)啟動和動態(tài)電機(jī)啟動。靜態(tài)電機(jī)啟動方法設(shè)定電機(jī)是一直都可以啟動的，用堵轉(zhuǎn)的方法啟動電機(jī)，模擬對正常運(yùn)行負(fù)荷最壞的影響。這種方法適合于在不能用動態(tài)模型模擬電機(jī)的情況下，檢測電機(jī)啟動對系統(tǒng)的影響，而不能分析電機(jī)啟動時間和電機(jī)能否啟動。動態(tài)電機(jī)啟動計(jì)算以動態(tài)模型模擬電動機(jī)，用程序模擬電機(jī)的整個加速過程。動態(tài)啟動可以確定電機(jī)是否可以以這種形式啟動，電機(jī)要用多長時間達(dá)到它的額定速率，以及確定電壓降對系統(tǒng)的影響。

1 ETAP軟件的電機(jī)動態(tài)啟動分析程序

1.1 感應(yīng)電機(jī)動態(tài)模型

ET A P中共有五種不同的感應(yīng)電機(jī)模型，分別是電路模型 (Single1、Single2、DBL1、DBL 2) 和特性曲線模型?？偟膩碚f，Single1、Single2、DBL1和 DBL2 都屬于 CKT回路模型，他們都用等值電路來代表感應(yīng)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子繞組，特性曲線模型是用離散點(diǎn)的電機(jī)性能曲線來代表感應(yīng)電機(jī)。

Single1模型是單籠感應(yīng)電機(jī)最簡單的一種模型，沒有深槽。它使用一個戴維南等值電路來代表電機(jī)。定子電路電阻和電抗認(rèn)為是常量，但內(nèi)部電壓會隨電機(jī)速率而改變。

Single2模型是感應(yīng)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)模型，用勵磁支路，定子和轉(zhuǎn)子回路代表電機(jī)，并考慮到深槽效應(yīng)。轉(zhuǎn)子電阻和電抗隨著電機(jī)速率作線性變化。

DBL1模型代表了有集成槽的雙籠電機(jī)。每個鼠籠的轉(zhuǎn)子電阻和電抗都是恒值；然而，兩個轉(zhuǎn)子電路的等值電路阻抗相對電機(jī)速率來說是非線性函數(shù)。

DBL2模型是另一種有獨(dú)立轉(zhuǎn)子槽的雙籠感應(yīng)電機(jī)，與DBL 1模型有不同的特性。

特性曲線模型直接在制造商所提供的電機(jī)特性曲線的基礎(chǔ)上模擬感應(yīng)電機(jī)。

1.2 機(jī)械負(fù)荷模型

在電機(jī)動態(tài)啟動分析中，需分析相連接的機(jī)械負(fù)荷，以計(jì)算電機(jī)的加速和減速特性。機(jī)械負(fù)荷分析基于負(fù)荷力矩曲線，可表示為一個3次一般多項(xiàng)式：

其中，T為負(fù)荷力矩和驅(qū)動電機(jī)的額定力矩的百分比；ω為負(fù)荷的單位速度；A0，A1，A2,A3為系數(shù)。

1.3 電動機(jī)參數(shù)估計(jì)

有時候很難從電機(jī)供應(yīng)商處獲得電機(jī)動態(tài)模型，ETAP參數(shù)估計(jì)程序提供了一個估算電機(jī)等效電路模型參數(shù)的途徑。該計(jì)算基于先進(jìn)的數(shù)學(xué)估計(jì)和曲線擬合技術(shù)，它只需要電機(jī)特性的特征數(shù)據(jù)。估計(jì)的模型參數(shù)包括表示電機(jī)定子，轉(zhuǎn)子的電阻和電抗以及勵磁支路特性。

圖1 電機(jī)回路模型

如圖1所示為感應(yīng)電機(jī)回路模型，算法從一個忽略了勵磁支路的簡化等效電路入手。采用這種簡化模型，首先估計(jì)模型參數(shù)。然后使用更加細(xì)化的等效電路模型根據(jù)這些估計(jì)的參數(shù)來得到更加準(zhǔn)確的值。在這個階段，使用一個迭代過程來實(shí)施敏感度分析，該迭代過程連續(xù)地調(diào)整估計(jì)參數(shù)直到偏差百分?jǐn)?shù)降到根據(jù)輸入?yún)?shù)計(jì)算的值和實(shí)際輸入的值之間規(guī)定的容許偏差值之內(nèi)。

1.4 大電機(jī)動態(tài)啟動仿真計(jì)算過程

電機(jī)動態(tài)啟動仿真計(jì)算過程如圖2所示，其中，Ilr為定轉(zhuǎn)子電流，Is為靜態(tài)負(fù)荷，If為最終負(fù)荷，tacc為加速時間，ts為加速后負(fù)荷開始改變的時刻， 電機(jī)負(fù)荷改變結(jié)束的時刻。

圖2 電機(jī)動態(tài)啟動仿真計(jì)算過程

2 工程實(shí)例

本文針對渤海某平臺項(xiàng)目，使用ETAP軟件進(jìn)行電動液壓吊機(jī)的動態(tài)啟動分析研究。吊機(jī)動力系統(tǒng)包括有兩臺電機(jī)驅(qū)動的液壓泵，分別用于吊機(jī)垂直定位與旋轉(zhuǎn)定位，兩臺電機(jī)均為160kW。兩臺電機(jī)同時啟動勢必對平臺電力系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響，本文對電機(jī)不同啟動方式進(jìn)行比較分析，選擇了對系統(tǒng)影響最小并且切實(shí)可行的方案。

2.1 系統(tǒng)建模

使用ETAP軟件建立平臺電力系統(tǒng)的單線圖如圖3所示，本平臺為無人井口平臺，由油田電力系統(tǒng)通過海底電纜供電，平臺低壓系統(tǒng)變壓器容量為1250k VA。

圖3 平臺電力系統(tǒng)ETAP模型

電機(jī)參數(shù)見表1所示。使用ETAP電機(jī)參數(shù)估計(jì)程序估計(jì)電機(jī)動態(tài)模型如圖4所示。由于是電機(jī)驅(qū)動液壓泵，可以認(rèn)為電機(jī)為空載啟動。負(fù)載模型采用ETAP通用負(fù)荷模型。

表1 電機(jī)參數(shù)

圖4 電機(jī)動態(tài)模型

2.2 結(jié)果分析

本文分別對兩臺電機(jī)不同的啟動方式進(jìn)行分析。

（1）兩臺電機(jī)同時啟動，在ETA P中設(shè)置兩臺電機(jī)在2s時啟動，10s時電機(jī)逐步加載至滿載狀態(tài)，各母線的電壓降如圖5所示。

圖5 兩臺電機(jī)同時啟動時母線電壓降

（2）兩臺電機(jī)間隔8s啟動，在ETAP中設(shè)置一臺電機(jī)在2s時啟動，另一臺電機(jī)在10s時啟動，20s時電機(jī)逐步加載至滿載狀態(tài)，各母線的電壓降如圖6所示。

圖6 兩臺電機(jī)間隔8s啟動時母線電壓降

（3）兩臺電機(jī)間隔8s星三角啟動，在ETAP中設(shè)置兩臺電機(jī)均為星三角啟動，星三角切換時間為8s，在2s時一臺電機(jī)啟動，18s時另一臺電機(jī)開始啟動，40s時電機(jī)逐步加載至滿載狀態(tài)，電機(jī)啟動過程中各母線的電壓降如圖7所示。

圖7 兩臺電機(jī)間隔8s星三角啟動時母線電壓降

通過以上分析可知，三種情況下電機(jī)均能正常啟動，但兩臺電機(jī)直接啟動時母線電壓降較大，最大達(dá)到接近20%，兩臺電機(jī)間隔8s星三角啟動時對系統(tǒng)的影響最小，并且啟動設(shè)備簡單，投資較小。三種情況下電機(jī)啟動結(jié)果總結(jié)如表2所示。

表2 電機(jī)啟動分析結(jié)果

3 結(jié)論

準(zhǔn)確的大電機(jī)啟動分析對海洋平臺電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義，相比靜態(tài)分析，大電機(jī)動態(tài)啟動分析可以更詳細(xì)準(zhǔn)確得描述大電機(jī)啟動過程。本文結(jié)合電力系統(tǒng)仿真分析軟件ETAP及其電機(jī)啟動分析程序，詳細(xì)介紹了電機(jī)動態(tài)啟動分析過程，并對渤海某平臺項(xiàng)目實(shí)例進(jìn)行建模和大電機(jī)動態(tài)啟動分析，進(jìn)行了不同啟動方式的比較和選擇。

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The research of dynamic motor acceleration in offshore platform

Kong Fanxu Yu Xiangchun Wang Shuda
Offshore Oil Engineering CO.,LTD Engineering Company, Tianjn, 300451, China

As a typical absolute and small electrical system,during the design of offshore platform, the exact analyzing of large motor starting is important for generator choosing, motor starting way choosing and relay coordination. Dynamic motor acceleration can exactly describe the whole starting process of the motors. This paper introduce the motor acceleration program of ETAP, and the analyzing course for choosing and checking motor starting way was given by a example.

TM743

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.007

孔凡旭(1984年2月),助理工程師,碩士,研究方向:海洋平臺電力系統(tǒng)設(shè)計(jì),電能質(zhì)量。