王 志 南

（中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧 撫順 113006）

石油化工行業(yè)低壓電動機起動分析

王 志 南

（中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧 撫順 113006）

首先對石化行業(yè)低壓電動機起動分析的意義和起動方式的選擇做了闡述；然后通過電氣計算軟件ETAP分析實例結(jié)合理論研究對影響電動機起動的主要因素做了具體分析，并提出相應(yīng)問題的解決方案；最后就電動機起動相關(guān)問題提出一些建議。

低壓電動機； 起動； 壓降

電動機作為主要的動力設(shè)備，是石油化工生產(chǎn)裝置中用量最大的驅(qū)動設(shè)備，主要用于驅(qū)動石油化工行業(yè)中的泵、風(fēng)機、壓縮機和其他傳動機械等。可以說電動機是石化裝置的動力源泉。盡管電動機通常由機械設(shè)備配套，電氣設(shè)計人員僅在少數(shù)情況下參與選擇或校核，但對電動機的性能、常用參數(shù)和選擇要點有所了解，還是很有必要的。

中國寰球工程公司遼寧分公司 2007年引進了國際權(quán)威的計算軟件 ETAP，使電動機起動計算更加便利，準(zhǔn)確。結(jié)合幾年來對軟件的使用情況，筆者主要針對設(shè)計人員在電動機起動分析方面存在的一些誤區(qū)發(fā)表一些自己的觀點和看法。

1 電動機起動分析

1.1 電動機起動分析的意義

隨著石油化工裝置規(guī)模的擴大，石化企業(yè)中異步電動機的單機功率逐漸增大，電機起動時所產(chǎn)生的沖擊電流不管是對電力系統(tǒng)還是對設(shè)備本身都存在很大影響。電動機起動作為電力系統(tǒng)分析的一個重要環(huán)節(jié)直接影響供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，合理的選擇起動方式，對提高電動機功效、節(jié)約成本、優(yōu)化供配電系統(tǒng)均有重要意義。

1.2 電動機起動方式

交流低壓電動機通常采用三種起動方式：

（1）直接啟動（全壓起動）

作為石化行業(yè)低壓電機的主要起動方式，直接起動是直接給電機加額定電壓，起動速度快；接線簡單；操作方便?，F(xiàn)今石化企業(yè)變壓器容量較大，滿足大部分中小型低壓電動機的直接起動要求。

（2）降壓起動

低壓電動機降壓起動方式包括自耦變壓器降壓起動、星-三角降壓起動和變壓器-電動機組起動，降壓起動電流小，對母線沖擊小。但起動轉(zhuǎn)矩小，起動時間長，起動過程不平滑，電動機繞組溫升高?；谝陨先秉c，傳統(tǒng)的降壓起動方式正逐漸被軟起動方式所取代。

（3）變頻起動

只有當(dāng)負(fù)載運行有變頻要求時，才需要做電機變頻處理。如果僅僅作為起動方式的選擇，由于其成本較高，不提倡采用變頻起動方式。

作為石油化工行業(yè)最主要的起動方式—全壓起動，本文主要針對它進行分析。

1.3 全壓起動分析

全壓起動作為最簡單、最可靠、最經(jīng)濟的起動方式，應(yīng)優(yōu)先考慮；只有當(dāng)全壓起動條件不允許時，才考慮其他起動方式。

電動機全壓起動過程中，我們主要考慮的主要有以下幾方面影響：

（1）配電母線電壓波動；

（2）機端電壓降；

（3）對電機本身及拖動設(shè)備的沖擊。

配電母線電壓波動影響母線上其他設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)；機端電壓決定能否保證拖動設(shè)備的正常起動及電動機溫升的影響；電機及拖動設(shè)備本身的抗沖擊能力決定電機的起動方式，屬于電機本身內(nèi)在的因素，而對于電機本身及設(shè)備的沖擊，如制造廠商無特殊要求，一般不作考慮。因此只考慮前兩點因素的影響：配電母線電壓的波動和機端電壓降。

1.3.1 配電母線電壓波動

根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》（第三版），電動機起動時，配電母線上電壓應(yīng)符合下列要求[2]:

（1）在一般情況下，電動機頻繁起動時配電母線電壓不應(yīng)低于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的90%；電動機不頻繁起動時，不低于標(biāo)稱電壓的85%。

（2）配電母線上未接照明負(fù)荷或其他對電壓下降敏感的負(fù)荷且電動機不頻繁起動時，不應(yīng)低于標(biāo)稱電壓的80%。

（3）配電母線上未接其他用電設(shè)備時，可按保證電動機起動轉(zhuǎn)矩的條件決定；對于低壓電動機，還應(yīng)保證接觸器線圈的電壓不低于釋放電壓。

由此可以看出，電動機起動對于母線波動的影響，設(shè)計手冊都做了比較明確的界定。石油化工行業(yè)中的電動機起動一般都不頻繁，可按第一條中不頻繁起動情況考慮，即不低于標(biāo)稱電壓的85%。實際設(shè)計中，只要不是特殊情況，我們均可按85%這個界線執(zhí)行。再此，就不做過多闡述。

1.3.2 機端電壓降

接著分析全壓起動的另一方面影響—機端電壓降，設(shè)計手冊對機端壓降的影響沒有明確的界定標(biāo)準(zhǔn)，只是指出機端電壓的下降要能夠保證傳動機械要求的起動轉(zhuǎn)矩。這就導(dǎo)致很多設(shè)計人員在進行起動分析時容易對機端壓降的概念發(fā)生混淆，比如起動機端壓降和運行機端壓降。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置電力設(shè)計技術(shù)規(guī)范》指出：正常運行情況下，用電設(shè)備端子處電壓應(yīng)按下列偏差允許值（額定電壓的百分比）進行驗算[1]：

a. 正常情況下 ±5%；

b. 特殊情況下 +5%、-10%；

c. 經(jīng)常起動 -10%；

d. 不經(jīng)常起動 -15%。

以上允許值指的是電動機在平穩(wěn)運行情況下，機端壓降的允許值（包括母線電壓波動及配電線路壓降等因素的影響），而不是電動機起動過程中機端壓降的允許值。很多設(shè)計人員在進行壓降計算時，如果機端壓降低于70%或80%時就感覺機端壓降已經(jīng)很低了，而草率的認(rèn)為電動機無法起動。這是錯誤的，因為電動機在起動過程中機端電壓可能下降到一個很小的值，但是如果電動機帶的設(shè)備起動轉(zhuǎn)矩要求不高或是空載起動時，電動機仍能夠起動成功。

為了打消認(rèn)識上的誤區(qū)，下面對電動機起動過程機端壓降允許值做一個簡單的計算。機端電壓的下降要能夠保證傳動機械要求的起動轉(zhuǎn)矩，即[2]

式中：ustm—起動時電動機端子相對值；

Mstm—電動機起動轉(zhuǎn)矩相對值；

Mj—電動機傳動機械的靜阻轉(zhuǎn)矩相對值。

常用電動機傳動機械所需轉(zhuǎn)矩相對值見表1。

表1 常用電動機傳動機械所需轉(zhuǎn)矩相對值[2]Table 1 Required torque relative value of common motor’s mechanical transmission

石油化工企業(yè)中采用的主要泵和風(fēng)機一般為離心式，采用的壓縮機一般為往復(fù)式壓縮機。查表1得離心泵的起動靜阻轉(zhuǎn)矩相對值為0.3，往復(fù)式壓縮機的起動靜阻轉(zhuǎn)矩相對值為0.4。而鼠籠式電動機的起動轉(zhuǎn)矩和制造工藝有關(guān)，一般為額定轉(zhuǎn)矩的0.8到2.2倍[3]。

石油化工行業(yè)低壓電動機主要采用的是YB系列鼠籠電動機，因各個制造廠家生產(chǎn)工藝的不同，電動機的起動轉(zhuǎn)矩相對值也存在很大差異，但基本上都能夠達到1.5以上，按最不利情況考慮，靜阻轉(zhuǎn)矩相對值取0.3；電動機起動轉(zhuǎn)矩相對值取1.5，按公式（1）計算如下：

通過以上計算可以發(fā)現(xiàn)：如電動機本身無特殊要求，在僅考慮機端電壓的影響時，機端電壓甚至低于50%時，電動機仍可正常啟動。但實際情況中機端電壓也不能無限的降低，因為機端電壓的降低肯定會導(dǎo)致電機線圈溫升的加劇，這同樣是一個值得考慮的因素。

設(shè)計手冊中只對高壓電動機的起動溫升做了計算上的說明，而并未對低壓電動機起動溫升做明確的闡述。也是出于考慮電動機溫升計算比較復(fù)雜，同時低壓電動機容量較??；起動時間較短，溫升的影響基本上可以忽略，不用特別進行算。

YB系列低壓電動機一般采用F級絕緣，溫升按B級考核，即允許溫升為80 ℃。由此，理論上可以認(rèn)為：只要電動機起動過程中溫升不超過 80℃，機端壓降不低于45%，電動機可以起動成功。實際工程應(yīng)用中，機端壓降一般確定為65%左右，實踐證明，無論是滿足拖動設(shè)備的靜阻轉(zhuǎn)矩，還是電動機溫升的要求，此數(shù)值都是比較合理的。

解決機端電壓過低的方法包括增大電纜截面和提高電動機本身的起動轉(zhuǎn)矩。而我們通常采用的軟起動方式是解決母線電壓降過大的方法，而并不是解決機端電壓過低的方法。

2 ETAP軟件分析實例

ETAP軟件是一款國際通用的電氣計算軟件，在計算短路電流、大電機起動方面有著獨特的優(yōu)勢和權(quán)威性。使用ETAP軟件進行電機起動分析計算能大大節(jié)省時間，提高準(zhǔn)確性。

首先利用軟件建立一個簡單的電機起動模型，配電變壓器及電動機的具體參數(shù)如圖1、2。

圖1 電動機參數(shù)Fig. 1 Motor parameters

圖2 變壓器參數(shù)Fig.2 Transformer parameters

根據(jù)以上參數(shù)建立的系統(tǒng)單線圖如圖3。

圖3 系統(tǒng)單線圖Fig.3 System single line diagram

計算過程中主要關(guān)注的是電動機1全壓起動時母線1及電動機端電壓下降的情況。具體計算結(jié)果如圖4。

圖4 150 kW電動機起動分析結(jié)果圖Fig.4 Analysis results of 150 kW motor startup

由上圖計算結(jié)果可以看出：電動機1起動時，母線1電壓為89.07%，滿足電壓降要求；電動機端電壓為 69.4%，滿足機端電壓降要求，電動機可以采用全壓起動方式。但機端電壓偏低，可以增大電纜截面來改善。

下面把電動機1功率增大到250 kW，其他負(fù)荷容量改為100 kVA，再次進行計算，結(jié)果如圖5。

圖5 250 kW電動機起動分析結(jié)果圖Fig.5 Analysis results of 250 kW motor startup

可以看出：電動機1起動時，母線1電壓降為83.52%，不滿足母線電壓降要求；電動機全壓起動條件不滿足?？赊D(zhuǎn)為采用軟起動或其他降壓起動方式，但采用降壓起動方式，電動機端子電壓必須滿足傳動機械的起動要求。因此，在全壓起動條件不滿足，而機端電壓又比較低的情況下，降壓起動方式并不能解決起動問題，相反還會雪上加霜，這種情況下最好的解決方案就是提高電動機的電壓等級，從而減小起動電流和母線電壓降。

4 結(jié)束語

綜上所述，母線壓降和機端壓降是電動機起動分析中需要認(rèn)真對待的兩個重要因素，設(shè)計人員對分析過程要嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致，不能簡單的憑經(jīng)驗或感覺做出判斷，要對計算結(jié)論有充分的理論依據(jù)和實踐基礎(chǔ)。同時電動機起動方式的選擇也應(yīng)綜合考慮人員操作簡便性、經(jīng)濟合理性、起動可靠性等多方面因素。

[1] SH 3038-2000,石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置電力設(shè)計技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊[M].3版.北京:中國電力出版社,2000.

[3] 林良養(yǎng).電機學(xué)與拖動基礎(chǔ)[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,2004.

Analysis on Startup of Low-voltage Motors in the Petrochemical Industry

WANG Zhi-nan
(China Huanqiu contracting & Engineering Corporation Liaoning Branch Company，Liaoning Fushun 113006, China）

Firstly, significance of analysis on startup of low voltage motors in petrochemical industry was introduced as well as choice of startup modes. Then, main factors to influence motor startup were analyzed through examples analysis with electrical calculation software ETAP and combining with theoretical study，and solutions were proposed. Finally, some suggestions about motor startup problems were put forward.

LOW voltage motor; Startup; Voltage drop

TM 301

A

1671-0460（2011）02-0150-03

2011-01-08

王志南（1982-），男，河北唐山人，助理工程師，2005年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)，從事公企電氣設(shè)計工作。E-mail：wzn_1982@yahoo.com.cn，電話：0413-7593606。