长距离配电风机启动计算方法及影响因素分析

摘要：国内轨道交通建设工程大量推进，尤其是市域、城際轨道交通工程的实施，在各条线路中均出现了较多的长大区间，为长大区间日常通风和消防防排烟的风机设备配置功率和数量均有一定的增加，由此而来的风机配电方案选择不当造成无法正常启动问题频发。本文结合长距离风机配电的压降计算方案，分析长距离配电时影响风机正常启动的主要因素，并提出对应的解决建议，本文工作有助于对城市轨道交通设计、建设和管理人员提供借鉴和参考。

关键词：轨道交通 风机启动 压降分析

一、引言

目前，城市轨道交通建设方兴未艾，尤其是伴随着大量市域、城际轨道交通工程的实施，在各条线路中均出现了较多的长大区间，为长大区间日常通风和消防防排烟的风机设备配置功率和数量均有一定的增加，由此而来的风机配电方案选择不当造成无法正常启动问题频发，已成为电气设计时必须考虑的重难点。本文从风机正常启动条件着手，假定条件对风机长距离配电的正常启动配电方案进行校验计算，分析风机启动的影响因素，进而提出长距离风机设备配电问题的重点关注方向和解决方案。

二、典型地下区间风机的配电条件

轨道交通地下区间内的风机一般设置距离车站较远，风机一般采用吊装或隧道侧边安装方式，风机容量不尽相同，为简要说明风机配电能否正常启动的校验方式，本次结合轨道交通地下区间风机配置特点假定参数，具体如下：

风机数量为1台，车站降压变电所至区间风机的距离为400米，电缆按4×95+1×50规格考虑。电机额定工作电压380V，额定功率为55kW，功率因数按0.8考虑，启动电流倍数按6考虑，启动转矩相对值1.1，启动静阻转矩相对值0.3。系统最小运行方式下短路容量200MVA，变电所采用10/0.4kV变压器，低压侧正常运行母线电压为380V，变压器容量1000kVA，短路阻抗6%，变电所低压侧其它负荷容量为400kW。

三、风机启动的校验计算

1、根据《工业与民用配电设计手册（第四版）》中计算电动机启动时电压暂降的计算方法，利用变压器的容量SrT和短路阻抗计算变压器的计算容量：

2、根据系统最小运行方式下短路容量Ssc和变压器的计算容量计算母线短路容量：

3、查阅《线路电压计算损失表》，确定电缆单位长度下的电感和电阻分别为：

由线路长度L=0.4km可以计算出线路阻抗：

4、基于以上数据得出线路的计算容量：

由电动机额定容量SrM和启动电流倍数kst计算出电动机的启动容量：

由电动机的启动容量和线路计算容量可以算出启动回路的计算容量：

由此算出预接负荷的无功功率：

最后可以计算出：

母线电压相对值，

电动机端子电压相对值：

根据《工业与民用供配电设计手册（第四版）》中第6.5.5.2小节中规定，对于不频繁启动的电机启动时配电母线上的电压不宜低于标称电压的85%。

《工业与民用供配电设计手册（第四版）》中第6.5.5.4小节中规定，电动机启动时还应该满足电动机端子电压应能保证传动机械要求的启动转矩。

经计算，电机启动电压应满足：

式中ms为启动静转矩相对值、mstM为启动转矩相对值。

结论：电机启动时配电母线上的电压相对值0.961，不低于标称电压的85%，电动机启动时电动机端子电压相对值0.739，大于最低要求0.548，因此，假定计算条件下，采用此种配电方案，区间风机可以直接启动。

四、风机启动的影响因素分析

由上节各步计算过程分析，我们可以看出，影响风机启动的直接电气参数主要有以下几个方面：

1、母线电压相对值ustB

影响母线电压相对值的电气参数是母线短路容量SscB、预接负荷的无功功率QL、启动回路的计算容量Sst。要减小直接启动时母线压降需增加母线电压相对值ustB，即增大SscB、减小QL和Sst。

1）增加母线电压相对值ustB需增加系统最小运行方式下短路容量Ssc和变压器的计算容量ST（即增加变压器容量）。解决方案是增加系统最小运行方式下短路容量Ssc和选用大容量变压器。

2）减小预接负荷的无功功率QL解决方案是可以减小预接负荷或者对预接负荷进行无功补偿。

3）减小启动回路的计算容量Sst可以减小电动机的启动容量SstM和线路的计算容量Sl，解决方案是选用启动电流倍数小的电机和选择阻抗较大的电缆线。

2、电动机端子电压相对值ustM。

合并以上部分公式可得：

在母线电压相对值一定时，影响电动机端子电压相对值的电气参数是线路的计算容量Sl和电动机的启动容量SstM。要减小电动机端子电压降需增加电动机端子电压相对值ustM，解决方案是减小电动机的启动容量SstM和增大线路的计算容量Sl，即选用启动电流倍数小的电机和选择阻抗较小的电缆线。

综上所述，影响风机直接启动的电气参数有系统最小运行方式下短路容量Ssc、变压器容量ST、负荷的无功功率QL、电动机的启动容量SstM、线路的计算容量Sl。

五、结论

长距离风机配电方案，当正常配电方案无法保证风机正常启动时，应从，以下几个方面予以关注：

1、增加系统最小运行方式下短路容量Ssc。

2、增加变压器容量ST。

3、减少系统预接负荷或者对预接负荷进行必要的无功补偿。

4、选用启动电流倍数小的电机。

5、当母线电压满足直接启动条件而电动机端子电压不满足启动条件时可以适当选用阻抗较小的电缆线;当电动机端子电压满足启动条件而母线电压不满足启动条件时可以适当选用阻抗较大的电缆线。

参考文献

[1]《城市轨道交通技术规范》（GB50490-2009）[S].中国建筑工业出版社，2009.

[2]《地铁设计规范》（GB50157-2003）[S].中国计划出版社，2003.

[3]《工业与民用供配电设计手册》（第四版） [S].中国电力出版社有限公司，2017.

作者简介：

张绍静（1981.08），教师，现任职于武汉铁路职业技术学院，主要从事供变电系统、继电保护、城市轨道交通系统的教学工作。

张绍静，1981.8，性别：女，民族：汉，职务/职称：讲师，学历：研究生，研究方向：继电保护，城市轨道交通概论，单位信息：（单位全名），湖北省武汉铁路职业技术学院

武汉铁路职业技术学院 武汉 430060