肖建

（中石油大港石化公司，天津 300280）

1 引言

企業(yè)中電動(dòng)機(jī)為主要負(fù)荷，占總負(fù)荷的80%以上，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生波動(dòng)的時(shí)候，對電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行會(huì)造成很大的影響。電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，如果遇到電網(wǎng)短時(shí)（＜3 s）電壓消失或降低，會(huì)造成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)電壓正常后，電動(dòng)機(jī)又自行加速進(jìn)入再啟動(dòng)狀態(tài)，但電動(dòng)機(jī)的再啟動(dòng)狀態(tài)不同于靜止起動(dòng)，靜止起動(dòng)是從轉(zhuǎn)速為零的狀態(tài)下開始的。電動(dòng)機(jī)再啟動(dòng)電流就是電動(dòng)機(jī)再啟動(dòng)過程中，流過電動(dòng)機(jī)定子繞組的線電流。

2 電動(dòng)機(jī)再啟動(dòng)過程的分析

2.1 異步電動(dòng)機(jī)的等效電路分析

異步電動(dòng)機(jī)定子繞組接三相電源時(shí)，定子繞組中流過三相對稱電流，從而在氣隙中產(chǎn)生基波旋轉(zhuǎn)磁場，其同步轉(zhuǎn)速n1決定于電網(wǎng)頻率f1和 繞組的極對數(shù)p。異步電動(dòng)機(jī)基本工作原理見圖1。

圖1 異步電動(dòng)機(jī)基本工作原理Fig.1 The basic principle of asynchronous motor

這個(gè)基波旋轉(zhuǎn)磁場在短路的轉(zhuǎn)子繞組（若是籠型繞組則其本身就是短路的，若是繞線式轉(zhuǎn)子則通過電刷短路）中感應(yīng)電動(dòng)勢并在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的電流，該電流與氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩Tem。額定功率PN為電動(dòng)機(jī)在額定情況下運(yùn)行，由軸端輸出的機(jī)械功率。額定電壓UN為電動(dòng)機(jī)在額定情況下運(yùn)行，施加在定子繞組的線電壓。額定頻率f為我國電網(wǎng)頻率為50 Hz。額定電流IN為電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定頻率下軸端輸出額定功率時(shí)，定子繞組的線電流。額定轉(zhuǎn)速nN為電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定頻率、軸端輸出額定功率時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

對三相異步電動(dòng)機(jī)，額定功率

式中：ηN為額定運(yùn)行時(shí)效率，COSφN為額定運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)。

異步電動(dòng)機(jī)等效電路見圖2。

圖2 異步電動(dòng)機(jī)等效電路Fig.2 The equivalent circuit of motor

等效電路

電磁功率

電磁轉(zhuǎn)矩

式中：R1，R2分別為定、轉(zhuǎn)子電阻；X1σ，分別為定、轉(zhuǎn)子漏電抗；s為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差；Rm，Xm分別為勵(lì)磁電阻和勵(lì)磁電抗；U1為機(jī)端電壓；m為定子相數(shù)。

由電磁功率Pem（或電磁轉(zhuǎn)矩Tem）的表達(dá)式可知：Pem（或Tem）正比于電動(dòng)機(jī)端電壓U1的平方，當(dāng)端電壓U1下降時(shí)，電磁功率或電磁轉(zhuǎn)矩將急劇下降。

2.2 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與電壓、轉(zhuǎn)速的關(guān)系

異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與電壓、轉(zhuǎn)速的關(guān)系見圖3。

圖3 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與電壓、轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.3 Torque，speed and voltage relationship of motor

圖3 中，Me*為轉(zhuǎn)軸上輸出的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；Mm為恒定負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Memax為最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

如果U*下降到某一數(shù)值時(shí)，恰好使電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩等于額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則此電壓稱為臨界電壓Ucr*，即

于是

對廠用電動(dòng)機(jī)，規(guī)定電動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)時(shí)，廠用母線電壓的最低允許值為額定電壓的80%；電動(dòng)機(jī)端電壓最低值為額定電壓的70%。再啟動(dòng)時(shí)雖然電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩隨電壓的下降而立即下降，而由于慣性，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在短時(shí)間內(nèi)未有很大降低，故再啟動(dòng)時(shí)，廠用母線電壓的最低限值規(guī)定得比正常起動(dòng)時(shí)稍低一些。

2.3 異步電動(dòng)機(jī)再啟動(dòng)過程的分析

當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)端電壓降低，電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩平方倍下降，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低是這時(shí)的主要特點(diǎn)，電機(jī)逐漸降速的過程稱為“惰行”。如果電壓不恢復(fù)，電動(dòng)機(jī)將停轉(zhuǎn)；如果電壓恢復(fù)，電動(dòng)機(jī)可能恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速，也可能繼續(xù)降速而停轉(zhuǎn)。只要恢復(fù)供電后的電壓還能保持使電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩水平，電動(dòng)機(jī)就能夠順利的再啟動(dòng)，一直恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速，繼續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 電動(dòng)機(jī)再啟動(dòng)對系統(tǒng)電流、電壓的影響

3.1 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

電動(dòng)機(jī)電流與轉(zhuǎn)速的關(guān)系見圖4。其中1 為單鼠籠；2 為深槽鼠籠；3 為雙鼠籠。

圖4 電動(dòng)機(jī)電流與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

1）當(dāng)電壓恢復(fù)時(shí)，電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于重新起動(dòng)，將流過再啟動(dòng)電流。而再啟動(dòng)電流的大小與重新加上電壓的瞬間電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差以及此時(shí)電壓的大小有關(guān)。

2）再啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低，轉(zhuǎn)差大，由異步電動(dòng)機(jī)等值電路可知：此時(shí)電動(dòng)機(jī)總阻抗小，因而再啟動(dòng)時(shí)電流大。

3）電壓恢復(fù)時(shí)間越長，電動(dòng)機(jī)惰行時(shí)間越長，轉(zhuǎn)速降低越多，再啟動(dòng)電流越大。

3.2 電動(dòng)機(jī)再啟動(dòng)電流的計(jì)算

當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)直接投入電網(wǎng)起動(dòng)時(shí)，在t=0時(shí)刻，n=0，s=1。異步電動(dòng)機(jī)對電網(wǎng)呈現(xiàn)短路阻 抗Zk，流過它的穩(wěn)態(tài)電流稱為起動(dòng)電流。利用簡化等效電路，并忽略勵(lì)磁支路，則異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流（相電流）為

一般籠型異步電動(dòng)機(jī)Zk*=0.14～0.25，在額定電壓（U1*=1）下直接起動(dòng)，Ist*=4～7，即起動(dòng)電流倍數(shù)

異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流（靜止起動(dòng)）約為額定電流的4～7 倍，再啟動(dòng)電流小于靜止起動(dòng)電流，再啟動(dòng)的起動(dòng)電流約為靜止起動(dòng)電流的60%～70%，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低或消失時(shí)間小于3s 時(shí)，電動(dòng)機(jī)再啟動(dòng)的沖擊電流可按2～4 倍額定電流計(jì)算。

3.3 石化企業(yè)電動(dòng)機(jī)再啟動(dòng)對母線電壓的影響

石化企業(yè)的電力系統(tǒng)是一個(gè)典型的受端電網(wǎng)，隨著石化企業(yè)受電功率和受電比率的不斷增加，動(dòng)態(tài)無功電源缺乏日趨嚴(yán)重。在電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定問題上，首先要分析一下石化企業(yè)的負(fù)荷特性：電網(wǎng)中工業(yè)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷占的比率大于80%，當(dāng)母線電壓恢復(fù)至80%額定電壓以上時(shí)，1.6 倍以上起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)的電動(dòng)機(jī)可恢復(fù)運(yùn)行，但啟動(dòng)電流較大，啟動(dòng)沖擊電流約為額定電流的2～4 倍。事故低電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)負(fù)荷易引起低電壓釋放，這對電網(wǎng)提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平有一定幫助。

以某石化電力系統(tǒng)為例，計(jì)算在電網(wǎng)晃電時(shí)電機(jī)再啟動(dòng)的沖擊電流造成電網(wǎng)的電壓降：

系統(tǒng)參數(shù)：主變?yōu)? 卷變壓器：110 kV/35 kV/6 kV，容量63 000 kV?A/110 kV，63 000 kV?A/35 kV，63 000 kV?A/6 kV；35 kV 固有負(fù)荷為12 000 kW，再啟動(dòng)負(fù)荷18 000 kW；6 kV 固有負(fù)荷為4 000 kW，再啟動(dòng)負(fù)荷6 000 kW。

35 KV、6 KV 側(cè)母線電壓降計(jì)算：

式中：Uqm為電機(jī)啟動(dòng)時(shí)母線電壓；SKM為母線短路容量；S"為供電變壓器一次側(cè)短路容量；SrT為供電變壓器額定容量（取63 000 kV?A）；ST為變壓器額定容量（取63 000 kV?A）；Qfh為預(yù)接負(fù)荷的無功功率，Mvar；Srm為電動(dòng)機(jī)額定容量側(cè)P：18 MW；6 kV 側(cè)P：6 MW；cosΦ：0.88）；Sq為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)回路的輸入容量；Sqm為電動(dòng)機(jī)額定容量 MV?ASqm=Kq×Srm（Kq啟動(dòng)倍數(shù)取2 倍）；XL為電纜及導(dǎo)線電抗銅（0.07+6.3/S）L（XL取0.08）；Um為母線標(biāo)稱電壓 37 kV /6.3 kV；XT為供電變壓器的電抗相對值（35 kV：14%；6 kV：22%）。

通過上式計(jì)算可知：2 倍起動(dòng)時(shí)，35 kV 母線壓降：

2 倍起動(dòng)時(shí)，6 kV 母線壓降：

當(dāng)電力系統(tǒng)晃電時(shí)，電動(dòng)機(jī)群起造成系統(tǒng)電壓下降，35 kV 系統(tǒng)電壓下降最低為81.2%＞80%，由圖3 可知，能夠滿足電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與電壓的平衡關(guān)系，可以保證電動(dòng)機(jī)的順利再啟動(dòng)。

圖5 為某石化110 kV 線路晃電1.3 s，電動(dòng)機(jī)群起產(chǎn)生的電流電壓波形圖。

圖5 系統(tǒng)晃電過程35 kV/6 kV 電壓、電流波形Fig.5 System shaking process35 kV/6 kV voltage,current waveform

110 kV 側(cè)全部負(fù)荷為20 000 kW；6 kV 側(cè)再啟動(dòng)負(fù)荷約為5 000 kW； 35kV 側(cè)再啟動(dòng)負(fù)荷約為10 000 kW。表1 為系統(tǒng)來電后，不同時(shí)限各母線段電壓、電流比。

表1 系統(tǒng)來電后，不同時(shí)限各母線段電壓、電流比Tab.1 System recovery in different time of voltage，current ratio

4 結(jié)論

通過以上分析可知，石化企業(yè)屬于負(fù)荷密集型企業(yè)，電力系統(tǒng)的波動(dòng)會(huì)造成企業(yè)負(fù)荷的大量損失，同時(shí)大量電動(dòng)機(jī)的再啟動(dòng)產(chǎn)生較大的沖擊電流，電流中的無功分量比例較大，約占總電流的60% 以上。由于無功功率的大量缺失，造成系統(tǒng)電壓的降低，電壓下降量的多少，又決定了系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)再啟動(dòng)的最大容量，當(dāng)再啟動(dòng)容量過大，再啟動(dòng)過程中造成系統(tǒng)電壓過低，會(huì)造成電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)荷的額定轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降以致停運(yùn)。對于石化類企業(yè)計(jì)算電機(jī)再啟動(dòng)時(shí)的電壓降至關(guān)重要，以母線電壓80%～85%Un為基準(zhǔn)，反推可計(jì)算出電力系統(tǒng)在晃電時(shí)最大再啟動(dòng)容量，以此來保證石化企業(yè)電力系統(tǒng)在晃電過程的平穩(wěn)過渡和安穩(wěn)運(yùn)行。

［1］尹克寧.電力工程.北京：水利電力出版社，1987.

［2］中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊，北京.中國電力出版社，2005.

［3］張修正.化工廠電氣手冊.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1994

［4］化工部電氣設(shè)計(jì)技術(shù)中心.煉油化工電力設(shè)計(jì)手冊（試用稿），北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1989.

［5］手冊編委會(huì).電氣工程師手冊.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1987.