6kV异步电动机启动实用计算(修改稿一)

刘剑峰

［中国市政工程西北设计研究院有限公司 甘肃 兰州 730000］

【摘要】本文结合具体工程实例，介绍了输水泵站35/6.3kV变电站主变压器容量选择，6kV异步电动机直接启动机、串电抗降压启动及自耦变压器降压启动的计算过程 【关键词】6kV 异步电动机 启动 计算

1 大型电动机的启动

1.1 启动方式

大型电动机起动时，对供电电网、被拖动机械设备的安全和电动机本身均会产生较大影响。一般情况下，在电网容量、电动机自身技术条件及机械设备许可的情况下，应首选全压直接启动方式，当全压启动条件不满足时，可采用电抗器降压启动、自藕变压器降压启动以及软启动等方式。对于绕线式异步电动机还可以采用转子串电阻方式启动，对于同步电动机可以采用准同步方式启动。

1.2 启动条件

决定大型电动机启动方式的因素有三个：启动时的母线电压、电动机的定子端电压、电动机及生产机械的动热稳定性。 1.2.1 启动时的母线电压

电动机启动时，对电网造成的电压降不能超过以下规定数值：

1）一般要求：经常启动的电动机，不大于10%，偶尔启动的电动机，不超过15%；

2）在保证生产机械所要求的启动转矩而又不致影响其他设备的正常工作时，其压降可允许为20%或者更大一些。

1.2.2 电动机定子端电压

由于变压器绕组阻抗的存在，电动机启动瞬间，极大的启动电流可能导致电动机定子实际端电压低于启动电压，导致启动失败。

1.2.3 电动机和生产机械的动热稳定

电动机和生产机械应能承受启动时的冲击力，即应满足电动机和生产机械的动稳定要求。对于个别型号电动机，还应满足制造厂规定的热稳定要求。

2 启动方式选择

下面，结合具体的工程实例，介绍大型异步电动机启动方式的选择。 2.1 工程概况：

甘肃某大型国有冶金企业自备水源输水泵站进行节能技术改造。泵站原安装有前苏联产水泵机组两套，同步电动机拖动，电动机额定电压6kV，额定功

率2700kW。泵组工作方式一用一备。泵站附设35/6.3kV户外式变电所，35kV架空线路供电。变电所安装SLJ-3150/35/6.3kV电力变压器两台，一用一备。

技改内容包括： 1）更换新型高效水泵及拖动电动机，在保障供水的同时，降低电能消耗。

2）更换新型节能变压器并降低变压器容量。 3）与上述工作相关的配套设施改造。

改造后泵站供配电系统简图如下：

图一 改造后供电系统图

2.2 设备选型

2.2.1 电动机选型计算 1）电动机选型：

工艺专业提供的水泵技术参数如下：

流量 Q=3150m3

/h=0.875m3

/s 扬程 H=173m

效率 ηp=0.815 NnQH102p10000.901731020.815STN1820.9kWk1(PnmdK1cos)pMK2 (20000.91)1000.72215.4kVA

PN1820.9ccd10.91888.9kWPmkPc1.051888.91983.4kWN：水泵轴功率 kW γ：液体密度 kg/m3

ηp：水泵效率 ηc：机械设备传动效率，本工程电动机与水泵采用联轴器刚性连接，取值为1 Kηd：电动机效率 c：水泵机组计算有功功率 kW m：电动机额定功率 kW

：裕量系数，查设计手册，本工程取值为1.05 经过技术经济比较，本次改造采用异步电动机拖动。根据上述计算结果并结合工艺专业提出的水泵转速要求，水泵选型为Y6303-6。该型电机技术参数如下：

额定功率Pnm=2000kW， 额定电压Unm=6kV， 定子额定电流Inm=227A 额定转速nnm=993rpm 电动机效ηd =96.4%

功率因数COSφ=0.88

启动电流倍数（启动电流额定标幺值）： KIst=Ist/Inm=5.75

启动转矩倍数（启动转矩额定标幺值）： Kmst=Mst/Mnm=1.05

最大转矩倍数（最大转矩额定标幺值）： Kmax=Mmax/Mnm=1.9

其中：Mnm：额定转矩 Mst：启动转矩

Mmax：最大转矩

转子转动惯量：J=173kgm2 另，根据工艺专业提供的设计选型样本，水泵转动惯量：J=262.08kgm2。 2）电动机基础参数计算： Snm3UnmInm1.73260.2272.36MVA SsmKISTSnm5.752.3613.57MVA式中 Snm：电动机额定容量 MVA Ssm: 电动机额定启动容量 MVA 2.2.2 主变压器选型计算：

0.90.88KP1820.91ZPK310.91nm2000式中 STN：主变压器容量 kVA

Pnm：电动机额定功率 kW

PM：照明等总电用电负荷 kW

PZ：水泵轴功率 kW

1：电动机负荷系数

K2：照明同时系数 K3：修正系数，本工程取1

n：同时工作水泵的数量，本工程取1

根据上述计算结果，变压器选型为：

S11-2500/35/6.3kV，变压器短路阻抗uk%=7。

2.2.3 无功功率补偿容量 QcPc(tg1tg2)1888.9tg(arccos0.88)tg(arccos0.90)1888.9(0.0.48)113kvar考虑留有一定补偿裕量，补偿容量确定为120kvar。2.3 启动计算

2.3.1 启动条件

根据产品样本，本工程所选型的异步电动机及水泵的动稳定及热稳定性均可以满足直接启动，因此将启动条件设定为：

1）启动时6kV母线电压水平不低于额定电压的80%，即启动时母线电压的额定标幺值不小于0.8； 2）电动机定子端电压满足启动转矩要求。 2.3.2 母线短路容量：

泵站35kV电源引自城市电网直接引入，按无限大电源系统供电计算。 STN.50bsSxS2TN72.525.8MVA

dxSxtmin10091式中 Sbs：母线短路容量 MVA

Sxtmin：供电变压器一次侧正序小方式短路容量MVA

xdx：主变压器电抗相对值

uk%：主变压器短路阻抗 Xdx=Ud%/100 2.3.3 全压直接启动：

根据泵站改造后系统结线及运行方式，绘制出水泵机组全压直接启动计算电路图，见下图：

P P k

图二 全压直接启动计算电路图

1）全压启动时6kV母线实际电压计算： S11s111113.57MVASXxlsmU2bSsm13.57

uSbsQlx25.80.11sbS0.66bsQlxSs25.80.1113.57式中 Ss：启动回路的额定输入容量 MVA

usb：启动时母线电压百分数（额定标幺值），

即 uUsbsbU

b

Usb:启动时母线实际电压值 kV Ub：母线额定电压 kV

Xxl：电动机供电线路电抗值

在上述计算中，因电动机供电电缆距离很短，故此忽略Xxl。

2）启动时电动机定子端电压计算：

uSssmusbS0.6613.57sm13.570.66

式中 usm：电动机启动时的端子电压相对值（额定标幺值），即 usmsmUU

nm Usm：电动机启动时的端子电压 kV

Unm：电动机的额定电压 kV 3）启动电流： IsmIsuSssb3U0.6613.570.86kA

b36式中 Ism；电动机的启动电流 kA

Is：电动机启动时启动回路的输入电流 kA

4）电动机端子电压水平校验：

如满足如下校验公式，即满足电动机启动转矩要求： u1.1MpjsmK

mst式中 Mpj：水泵静阻转矩额定标幺值，查设计手册，

该值取为0.3 1.1MpjK1.10.3mst1.050.56usm0.66

5）结论：

全压直接启动时，电动机启动转矩满足要求，但

母线电压水平不满足设定要求。 2.3.4 串电抗降压启动：

根据泵站改造后系统结线及运行方式，绘制出水泵机组串电抗降压启动计算电路图，见下图：

图三 串电抗降压启动计算电路图

1）电抗器降压启动可行性校验校验

如满足如下校验公式，则串电抗降压启动可以满足设定的启动条件：

SbsQlxKMpj

IstSnmKmst1.051u

sb校验计算：

SbsQlx.80.11K25IstSnm5.752.361.91

1.051.051u10.85.25

sb Mpj.3K5.250.91

mst1.052.8112）结论：

校验结果显示，水泵机组串电抗教降压启动时仍不满足设定的启动条件，降压启动不可行。 2.3.5 自耦变压器降压启动

根据泵站改造后系统结线及运行方式，绘制出水泵机组串电抗降压启动计算电路图，见下图：

图四 自耦变压器降压启动计算电路图

1）电抗器降压启动可行性校验校验

如满足如下校验公式，则子偶变压器降压启动可以满足设定的启动条件：

SbsQlxpjK1.1MIstSnmK

Istusb(1usb)

校验计算：

usb(1usb)0.8(10.8)0.16

SbsQlx0.1625.80.11

KIstSnm5.752.360.3051.1MjM1.10.3q1.150.2870.305

满足启动条件，自耦变压器启动方式可行。 2）自耦变压器变比选择：

kubsQlxqmSKIqdSe 10.2525.80.115.752.36

0.69 1u11sb0.810.25

式中 k：自耦变压器变比

uqm:电动机额定启动电压相对值（额定标幺值），本工程所选电动机可以全压直接启动，故此取值为1

根据设计手册，选择变比为0.73的电动机起动用油浸自冷式三相自耦变压器。

3）自耦变压器启动时6kV母线实际电压水平： S1s1X1xl111k2S2smUbk2S0.732sm13.577.33MVA

uSbsQlxsbS25.80.11bsQlxSs25.80.117.330.784）启动时电动机定子端电压计算：

ussmuSsbkS0.787.33sm0.7313.570.58

5）启动电流：

ISssusb3U0.787.33b360.55kA

ISsmsmusm3U0.5813.57nm360.76kA

6）启动一次的启动时间

GD24gJGD2GD22ΣMGDB49.8(17362.08)

9.2kN·m2KqpKmst0.2(KmaxKmst)

1.150.2(1.91.15)1.3022tqGDΣnnm3580P2nm(usmKqpMpj)9.2993235802000(0.5821.300.3)9.2s0.15min7）自耦变压器容量选择

a)必须的子偶变压器容量 STZusmSsmtq220.5813.570.15220.34MVAb)电压降低后所需自耦变压器容量

STZ'STZusb0.340.780.44MVA

c)自耦变压器容量确定：

根据设计手册，自耦变压器容量最终选择为0.85MVA。 8）结论：

水泵机组采用自耦变压器降压启动时，6kV母线电压水平达到额定电压的78%，基本接近设定的启动条件，自耦变压器启动方式可行。

3 结束语

本文结合具体工程实例，详细介绍了6kV高压异步电动机启动方式选择的计算过程。全压启动、串电抗器降压启动机自耦变压器降压启动是异步电动机三种最传统的启动方式，虽然目前新型的软启动方式已渐成普及之势，但上述三种传统的启动方式凭借其技术简单、造价低廉、维护成本低的优势，仍在相当范围内使用，尤其是在一些技改项目中。

撰写本文的目的，一方面是对已完成工程设计的一个技术总结，另一方面是想较为全面的介绍一种泵站电力拖动设计的基本过程及思路，希望能与同行切磋交流。由于本人技术水平有限，文中错漏之处望不吝赐教。

参考文献：

[1]、《钢铁企业电力设计手册 上册》冶金工业出版社 1996年版 [2]、《钢铁企业电力设计手册 下册》冶金工业出版社 1996年版 [3]、《工业与民用配电设计手册 第二版》中国电力出版社 1994年版 [4]、《泵站设计规范》GB50265-97 国家技术监督局、建设部