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摘要：针对某大型现代钢铁厂新建制氧工程中一台10MW高压电机的启动问题进行分析和研究。介绍了实际项目电气系统概况，简述和评价了常见的计算方法及其特点。分析影响该电机启动的关键电气参数。介绍了如何利用ETAP对该电机进行精确模拟和计算并给出了计算结果和波形曲线。为该工程的设计和执行及业主决策提供了可靠、精准的技术支撑和决策依据。供类似工程参考。
关键词：10MW 异步电动机 直接启动 ETAP 母线电压 启动电流 启动时间
1.概述
大电机启动研究的内容是工业电气设计中一项十分关键的工作，其研究内容是根据项目实际的电力系统短路容量、主变容量、电机参数等情况，研究大电机究竟应该采用何种启动方式，以及采用此种方式启动时，对大电机的影响和对临近其他电力设备和元件的影响。对于现代钢铁厂大容量供电系统来说，由于电压等级高，系统容量大，一般来说5000kW及以下的10kV电机可以采取直接启动的方式，5000kW及以上的电机要考虑降压启动的方式；本文针对实际工程中一台10000kW的电机采取直接启动的方案进行了分析和研究，看到底能否在直接启动的方式启动成功，并研究其对系统的影响，为实际工程提供可靠的技术支持。
2.计算方法介绍和评估
对于这样关键和重要的大容量电机采用直接启动，国内罕见。手册中给出的计算方法只考虑系统短路容量、主变容量和阻抗电压、电机的启动倍数和母线上带负荷。这种计算方法从计算方法上说只是估算公式，没有算法，没有迭代计算，从考虑因素上来说，无法计及电机的等效模型和负载模型，故只能粗略估算电机启动压降，和启动电流，不精确。对于本次工程的电机启动研究来说，显然过于简单、不精确、片面且误差太大，难以满足要求。而且无法计算电机的启动时间。电机的启动时间是电机启动的关键参数，决定电机能否真正启动成功，影响继保设定值等。
针对上述问题，本工程决定采用ETAP对系统进行建模和分析，建立电机精确的动态模型，建立准确负载模型和系统模型，综合考虑各项影响电机启动的因素，对电机启动的关键问题进行了分析和阐述，给出并分析总结了启动过程的压降、电压、电流、转速、转差率、时间、功率、转矩等参数结果，结果全面精确，具有很高的可信度。本文使用的是ETAP动态电机加速模拟模块，在动态电机加速计算中，以动态模型模拟发动机，用程序模拟电机的整个加速过程。用这种方法来确定电机是否可以以这种形式起动，电机要用多长时间达到它的额定速度
3 启动分析采用的电机模型与系统参数概述
3.1制氧变电站系统参数及负荷潮流计算
电力系统的参数对于大电机启动来说具有十分重要的基础作用，电力系统的参数决定了大电机的启动方式。如果电力系统的短路容量大，在电机容量一定时（本系统为10MW），就具备了直起电机的条件；反之若电力系统容量小，那么大电机就只能考虑采取降压、软起或变频等较复杂和昂贵的启动方式，在这个系统中可以直接启动的电机的容量就只能被限制到一个较小的容量。
本制氧工程为其负荷单独新建一座110kV变电站，其高压系统为110kV，中性点直接接地，最小短路容量1038MVA，配电装置为户内GIS。3台50MVA主变，阻抗电压10.5%，中压系统为10kV，中性点不接地，带多台高压电机负荷和厂用电变压器。
为了更好的了解电机启动前后的系统条件和负荷分布，根据主接线建立了模型，输入各电力元件参数，进行潮流计算，结果见下图。需要说明的是在潮流计算时，考虑空压机（同步机，17MW）运行在功率因数0.95超前（发无功）的工况。
图1 制氧系统潮流计算结果
从潮流计算图上可以看到正常运行条件下，各支路吸取的电流及其功率因数，母线电压水平。在该运行条件下，10KV母线上电压102.7%；110kV母线上电压为100%，功率因数0.968>0.95。整个系统处于一个很理想的运行条件。
3.2电机模型分析与介绍
电机模型对于电机启动分析来说是最核心的数据，在进行电机启动分析模拟时，通常存在的问题是电机数据不全，导致完全无法模拟。通常意义上的电机参数如电机功率、功率因数、效率、转速、极对数、启动电流倍数等数据对电机启动模拟来讲相对易于获取，但是在电机启动模拟中仅获得这些电气参数是无法进行电机动态模拟计算的。电机等效模型、转动惯量、电机转矩、负载转矩等数据的获取和建立是电机启动模拟的核心。
本次模拟的电机采用的是某供货商提供的一台西门子的10020kW异步电机参数（三相感应电机用叠片式鼠笼转子），由于提供的文件中给出了比较全面和详实的数据和图表，电气的启动模型得以顺利建立，模拟过程也比较顺利。从电机数据表上来看，西门子的这台异步电机的性能还是不错的，而且这个电机的参数与本工程的需求结合度很高，可以说几乎一致。具体很高的分析研究参考价值。异步电机的基本参数详见下表。
4. 电气启动模拟计算与分析
根据上文阐述的理论，在ETAP软件中建立电力系统模型和电机模型，输入各电力元件参数，进行动态电机启动计算。模拟条件为：增压机（编号asyn）直接启动时，系统短路容量按最小短路容量考虑，其它10kV负荷全部投入运行，同步机运行在0.95超前的功率因数工况。启动计算的主要计算结果数据参数见下表；
主要电气量的波形见下图；
图2 电机直起母线电压波形曲线
通过软件模拟的结果可以看到，10MW增压机异步电机直起时，10kV最低电压为9.06kV，堵转电流3.5倍，持续时间20s左右，这个数值属于很好的启动数据，对各电压等级的电气设备和元件电压波动影响小，时间短，不会其它设备造成掉电。故结论是本工程的10MW增压机完全可以采取直接启动方式。
图3 电机直起电机电流波形曲线
5 结论
给出了利用ETAP模拟计算实际工程项目中大型高压电机启动方法、计算、结果和分析。软件计算结果精准、全面、有高度的可信性。分析，设计，模拟运行报告和结果得到业主及电气专家认可，为业主决策提供可靠依据，节约了启动装置和布置，供类似工程借鉴。
论文作者:李晴,柳经纬
论文发表刊物:《电力设备》2016年第3期
论文发表时间:2016/5/31
标签：电机论文; 参数论文; 电压论文; 模型论文; 容量论文; 系统论文; 工程论文; 《电力设备》2016年第3期论文;