泵站异步电动机启动压降计算及启动方式

练炤懿

（广东珠荣工程设计有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

电动机采用直接起动方式时，首先要计算电动机启动的数据，只有完全符合相关规定，才能利用，该文利用实例对计算过程进行分析，某泵站采用56zlb-70 型号的水泵，转数额定为365 r/min，电机配套功率为500 kW，共6 台电机。

1 选择电动机

1.1 选择压和额定容量

进行主电机的容量的选择要按照水泵运行中容易产生的最大轴功率决定的，并要进行储备，储量系数最佳值为并留有一定的储备，储量系数宜为1.02～1.08。通常以0.4 kV、6 kV 和10 kV 的电压等级作为泵站电动机使用的标准，所以，业内把0.4 kV 电动机称之为低电压电机，一般在异步电机上应用。6 kV 和10 kV 电动机通常称为高压电动机[1]。

当前形势下，电力工程电网结构的调整，城镇供电所的等级多数为110 kV/10 kV，6 kV 电压等级逐渐被10 kV 电压等级代替，由此，应该把10 kV 电压等级电动机作为使用的首选。如果变电站在不排斥的状态下，适合利用10 kV 直接供电，为了适当减少成本，泵站可以不进行主变压器的设置。泵站距变电站3.5 km，主变压器容量31.5 MVA。采用10 kV 线路直接向泵站供电，电机电压等级为10 kV。

1.2 电动机型选择

通常电动机分为同步电动机和异步电动机。

比起同步电动机，异步电动机有很多优势，例如方便维护、经久耐用、结构简单、价格低廉和运行可靠等。而异步电动机缺点在于功率因数低，尤其是在低转速的情况下，会出现低于0.72 的功率因数。按照泵站的设计要求，不允许发生计量点功率因数低于0.8 的情况，解决的途径是设置无功补偿设施，有效提升功率因数。同步电动机或异步电动机的选择可根据电动机的容量进行划分。《泵站设计规范》（GB/T 50265—97）有如下规定：当主电机单台额定容量为630 kW 或者以上时，最好利用应同步电动机实施弥补；如果泵站主电动机单台额定容量低于630 kW 的时候，就要利用静电电容器实施无功补偿。该文介绍的试验电站采用500 kW 的电动机，异步电动机初步应用，无功补偿可以利用成套的电容柜[1]。

2 启动方式选择

2.1 全压启动

全电压启动是最简单、最可靠、最经济的启动方式，这是最好的启动方法之一，它将所有电源电压（即全电压）直接加到异步电动机的定子绕组上，使电动机在额定电压下启动，因此又称为直接启动。全压启动具有启动转矩大、启动时间短、操作控制方便和维护简单等优点，经济实惠，设备故障率低。全电压启动的缺点是起动电流大，起动电流是额定电流的3～8 倍。如果电动机功率较大，电动机的起动电流会使配电系统显著降低电压，从而也对同变压器和同线路上的其他设施造成影响[2]。

2.2 降压启动

当电动机全电压起动会导致配电系统电压降过大时，或在某些情况下，不允许全电压起动，可用降压起动，通过起动装置使定子绕组的端电压低于额定电压。起动后，定子绕组的端电压为额定电压，称为降压起动。

2.2.1 角形措施

星形－三角降压起动表现形式为启动电动机过程中，为了将启动电压减下来、以对启动电流的限制，会把定子绕组接成星形（Y）；启动电动机之后，可以把定子绕组形成三角形（△），确保电动机电压运行的满负荷，可以保证在启动电动机时变成星形。试验表明，启动电压附加在施加在每相定子绕组上数值只是利用三角形接线直接起动1/，也就是57%的额定电压。如果利用三角接法直接进行时，呈1/3 的启动电流。由此可知，该降压启动方式能满足中小型泵站水泵机组的启动要求。星形－三角降压启动最大的优点是设备简单、维护方便，适合农村中小泵站的低压电动机启动。

2.2.2 自耦变压器降压启动

将自耦变压器的高压侧连接至电网，低压侧连接至电机。起动时，用自耦变压器分接头降低电动机电压，当转速上升到一定值时，自耦变压器自动切断，电动机接通电源，全电压运行正常。降压起动时利用自耦变压器具备显著的优点：在选择不同自耦变压器抽头时，可按照所需要的启动转矩和允许启动的电流进行参考，其使用的条件，完全不受动机定子绕组的Y 或△连接方式的影响。但是该变压器也有投资大、体积大的缺点[2]。

2.2.3 软启动

电动机软起动器是常用的降压起动方式之一，用软起动器起动电动机时，会逐渐升高晶闸管的输出的电压逐，电动机也开始加快速度，直到把晶闸管完全接通。这样就可以保证在额定电压的机械特征下平稳启动，把启动电流有效降低，就不会发生因为启动引起过流跳闸的情况。

3 启动计算

3.1 启动计算的工况

中小型泵站大多采用单母线接线，泵组台数大于6 台时，也可采用单母线分段接线。对于异步电动机，最后一台机组的启动是最大电压降的运行工况和泵站的启动标定条件。根据《泵站设计规范》（GB/T 50265—97），母线电压降在机组启动时不能超过额定电压的15%[3]。

3.2 启动计算

电排站单台电机容量500 kW，装机容量6×500 kW。进行直接供电的是变电所10 kV 线路。变电站配备的主变压器有效容量为31.4 MVA，其结构为载调压。基于3.4 公路的变电所与电排站之间的输电线路，必须对电动机启动电压进行计算。考虑到变电站的长久运行以及简化计算程序，其计算条件的规定是最后一台电动机启动后变压器满负荷运行[3]。

10 kV 母线电压降产生是因为电动机的启动，对该电压降进行计算，设计变电站10 kV 母线与变电站直接相连。母线的电压降得出结果后，务必估量变电站与电排站之间的线路影响。计算了变电站10 kV 母线的电压降。

3.2.1 异步电动机起动时变电站母线电压

式中：Uqm－电动机起动时变电站母线电压标幺值；Uk－变压器阻抗电压百分比；Ued－被起动电动机的额定电压；Iqd－被起动电动机的起动电流，（厂家提供数值为234A）；Sed－变压器的额定容量；Ped－被起动电动机的额定容量。将相关数据代入式（1）得：Uqm＝0.923。

3.2.2 异步电动机起动时电排站母线电压

式中：Ud－电动机起动时端电压标幺值（以额定电压为基准）；Uqm－电动机起动时变电站母线电压标幺值；Iqd－被起动电动机的起动电流（厂家提供数值为234A）；r1－线路单位长度电阻；xl－线路单位长度电抗；L－线路长度；Ued－被起动电动机的额定电压。

将相关数据代入式（2）得：Ud＝0.873。

以上计算为第一台电机启动时的电压降。由于架空线路长3.5 km，计算时忽略了电机电缆的电阻和电抗。在具体的运行过程中，电动机的运行程序导致输电路产生一定的电压降，电机转速越高，电压降就越大。基于全部异步电机实际运行中，当电动机投入运行时，输电线路会产生一定的电压降，电机运转越多，电压降就越大。基于均安装在站内，因此起动计算必须按最后一台最大机组的起动计算。

3.2.3 线路电压损失

变电站到泵站10 kV 输电线路长3.4 km，导线型号为LGJ-120。根据小水电站机电设计手册，当为0.9，电压降为7%时，LGJ-120 导线的负载力矩为16 240 kW·km。当一台机器投入运行时，线路上的电压降如下：

3.2.4 不同的电动机启动

因为第一台机组运行后的线路电压降为0.75%，机组启动引起的终端电压降为12.7%，那么第二台机组启动时的终端电压降为：

同理得：

4 结论

综上所述，开始启动第一台电动机启动时，变电所设置的10 kV 母线电压降为8%，电排站10 kV 母线电压降为13%。按照最后一台机组启动计算结果，启动最后一台电动机时，电排站10 kV 母线电压降为17%，以有关规定符合。基于计算的基础是最后一台电动机进行启动后变压器的满负荷运行。通常的规律是实际电压降将小于计算值，该变电站6 台机运行时间很短，就是4 台机投入运行时间很短。因此，该站电动机采用直接起动方式是可行的。