Key words: large power motor, electric power system safety, voltage stability, thermistor, soft starter
摘要： 工業生產規模化進程伴隨著電力系統和電動機技術日新月異的發展。作為電力系統的一部分，電動機的單機容量與工業生產規模化的程度成正比增加；相比之下，電力系統容量增加的要慢得多。另一方面，電力供求市場化的進程有力地推動著電力供電系統向完善的網絡化方向發展，電力系統面臨著前所未有的脆弱化趨勢。這一矛盾的發展無疑將危及系統的穩定與安全。本文站在電網角度對電動機的發展趨勢、動態特征及對電網的影響進行了宏觀分析，并提出了有價值的解決方法。
關鍵詞: 大型電動機 電力系統安全 電壓穩定 熱變電阻 軟起動
1 現代電力系統的特征
簡單的說，電力系統由發電，輸變電和用電三部分組成。發電是電力生產單位，如分布在全國各地的火電廠，水電站，核電站，風力發電站，太陽能電站等等；所有的電力消費者都是電力的用戶，如行政機關，工礦企業，事業單位，家庭等等；輸變電是一個龐大而又復雜的網絡，將發電和用電聯在一起。
電力供求市場化有力地促進了電力供應向高度網絡化方向的發展進程。這一發展方便了千家萬戶的同時，也帶來了兩個方面的問題值得認證思考并慎重對待。首先是電力系統的安全涉及到區域經濟安全乃至于國家安全，網絡化的深入發展更加重了這一命題的重要性與緊迫性；第二是我國電力管理從保障供給機制轉換到利益驅動機制之后，電力系統網絡化的發展程度越來越高的同時也變得越來越脆弱。 這實際上是相互矛盾的兩個問題，但又的的確確是電力系統網絡化發展的必然。如何很好的解決這一矛盾，保障電力系統安全運行是關系到國計民生的戰略性問題。
電力系統是世界上目前已知的最復雜的系統。它涉及調度控制、優化運行、經濟規劃、生產管理、信息技術、經濟貿易等學科，針對每一單純的學科，全世界就有成千上萬的學者將之運用到電力系統行業中進行研究，至今還沒有一個適應全世界的、較統一、科學的電力系統理論或方法形成。研究表明，復雜網絡的不均勻特性，使得網絡的脆弱性大大增加，從而在某些關鍵局部發生故障時，容易引起大范圍的連鎖反應。電力系統也存在這種不均勻特性，從而隨著網絡互聯規模的擴大，電網的脆弱性也大大增加。電力系統的脆弱性來源包括多方面的原因，其中有些是外部的，有些是內部的，有些是不可抗拒的，有些是人為造成的。目前，我國正處于電網建設的高峰期，新老電網結構交錯分布，認真研究電力系統特征的變化，對工程建設、中長期規劃都有重要意義。
當然，電動機作為電力供應系統最為重要的負荷也是重要的組成部分，它的特征也在隨著工業生產規模化的進程發生重大變化，單機容量一天天的變大，因而電動機的起動、堵轉及其他故障狀態對電網造成的沖擊越來越不能忽視。回想十幾年前兩千千瓦的電動機就算大型電動機，而如今萬千瓦級的電動機才叫大電機，十年前人們對電動機軟起動還是那樣的陌生，而如今的軟起動已經發展成為一個產業，這一比較一方面說明了宏觀系統中的電動機特征發聲了巨大的變化， 另一方面也說明了電力系統在一天天變的脆弱。本文主要以大型電動機負荷為研究對象，研究其在宏觀電力系統中的特征變化及形成的電網脆弱性因素，并根據具體情況提出合理的解決方案。
2 宏觀系統中的電動機
2.1 電動機的發展趨勢
隨著工業產業規模化步伐的加快，工業裝備單機生產能力日益提高，而作為工業裝備德原動力的單機容量冶日益擴大。在國外，主要以ABB、西門子、西屋及ALSTOM為代表。目前ABB和西門子電動機在國內已有較多的使用，宣稱最大功率48MW。美國西屋公司在中國電力行業應用較多，宣稱功率有100000HP等等。國內的電機制造廠也不甘落后，先后有16500kw的同步電動機（蘭電）和上電18000kw的異步機問世并成功使用。沈陽電機廠及南陽防爆電機廠等電機制造企業也相繼擁有大型電動機設計、制造能力。工業生產規模化，強有力地帶動著電動機制造業向大容量方向高速發展。
另一方面，大型電動機控制技術地發展對電動機向大容量方向發展起到了推波助瀾地作用。比如高壓熱變電阻降壓軟起動裝置等各種降壓軟起動技術地產生和應用，高壓變頻軟起動軟停車技術地產生與發展,大型電動機的交—交變頻傳動技術的產生與發展等等, 都有力的促使工礦企業采用大型電動機代替汽輪機等作為重型工業裝備的原動機。相對于汽輪機拖動系統而言，電力拖動系統是一套能源供應方便, 控制系統簡單成熟,而且環保指數高的傳動方案。
盡管大型電動機向大容量方向發展地同時也伴隨著各種性能參數地優化, 比如起動電流倍數從7倍降到4倍左右,作為最簡單也是被最廣泛使用的感應式交流電動機, 在起動瞬間的低功率因數問題和低堵轉力矩問題卻無法得到很好的解決。一般情況下,堵轉時的功率因數可能低到0.1以下。可以想象4倍于額定電流的純感性無功電流突然接入一個容量有限的電網，結果會是什么樣的。但是這種特性又是感應電動機的結構決定的，在這方面目前還沒有取得重大突破。
2.2 感應電動機的直接起動與堵轉
眾所周知，在額定電壓下直接起動三相交流感應電動機，由于最初起動瞬間，主磁通φ減少到額定值的一半以下，功率因數也低到0.1左右，造成了的結果是電動機起動電流相當大，而起動轉矩又相當低。一般情況下，對于大型或超大型電動機而言，起動電流在4～5.5倍額定電流，而起動轉矩在0.3～0.8倍額定轉矩之間，對于要拖動的機械而言，這個轉矩確實相當的小。
非常大的起動電流和起動過程中非常低的功率因數是電動機起動時對電網造成嚴重影響的根源。非正常情況下電機的堵轉與電動機起動瞬間情況完全相同，而且有過之而無不及。大型電動機的起動可能把電網電壓拉低很多，以至于影響相鄰的電動機的正常運行，使其停轉或堵轉，進一步加重這種不良影響，嚴重時，可能會把電網拉跨。因此，大型電動機一般是不允許直接起動的，總是要采取一些措施以減少或全部消除起動對電網的沖擊。
2.3 同步電動機的失步
同步電動在運行中，若勵磁電壓降低或供電電壓降低，使得同步電動機的過負荷能力即輸出轉矩最大值小于機械負荷力矩時，同步電動機就會失步。由于此時同步電動機勵磁電壓并未消失，所以實際上是同步電動機的感應電動勢Eq與電源電動勢Es發生振蕩，即兩個電動勢的夾角在0—360度之間周期性變化 。
同步電動機失步后，轉速下降，在起動繞組和勵磁繞組中產生感應交變電流， 并產生異步轉矩，進入異步運行狀態。又因為勵磁電壓并沒有退出，在異步運行期間，產生交變轉矩，轉子轉速和定子電流發生振蕩，嚴重時可能引起電氣共振甚至電網崩潰。
2.4 同步電動機群
在化工、石油等工業領域，尤其是氮化工企業，非常多見同步電動機群運轉。同步電動機群運轉有很多優點， 第一、工廠用電功率因數很高，甚至可以超前；第二、可以根據電網的波動情況很方便的調整局域的電網電壓，使企業用電效率達到最高。另一方面，同步電動機群運轉存在較大的起動和運轉風險，尤其是在電網處于用電高峰時期，電網比較脆弱, 同步電動機的高起動電流和很低的功率因數可能造成網電壓進一步降低，進而過負荷能力較差的同步電動機進入失步狀態，進一步加聚電網的惡化程度，其他電動機相繼失步，造成局部電網電壓崩潰。 這一現象在中型或大型化工企業尤其是電力供應系統容量配置余量較小的氮化工企業，時有發生。
2.5 大型電動機的起動對電網影響程度的評估
電動機單機容量越來越大， 而電動機起動時的沖擊電流對電網來說也是很大的安全風險。很多文獻針對電動機的起動對電網產生的影響問題進行過詳細的闡述，《冶金企業電氣設備手冊》針對這一問題也有明確的論述。
如圖是一典型的用戶配用電網絡圖：該網絡由供電變壓器，固定負荷和電動機三個基本要素組成。 我們要研究的課題就是如何成功起動該電動機又有效的避免對固定負荷的正常運行造成影響。
圖中的Xs為系統最小運行方式時對應的短路阻抗，反映了系統供電能力的大小；固定負荷的阻抗可以通過有關運行參數計算出來；電動機的起動阻抗應該由電動機堵轉時的參數計算出來；Zo是上述兩個阻抗的并聯阻抗模值；Z則是系統的總阻抗。Us是系統供電電壓，一般取1.05，則電動機
Uot=Us＊Zo/Z
另一種簡單有效的評估方法是進行無功功率計算，對于實際的、有限容量的電網而言，電動機起動或同步電動機失步引起的電網電壓波動為電動機起動或同步電動機失步時回路總的無功功率波動量占母線最小短路容量的百分數，即：
ΔU％=ΔQ/Smin×100％ （1）
式中 ΔQ——無功功率的波動量，Mvar; Smin——母線最小短路容量，MVA。
我們可以根據具體情況計算出電動機起動時現場母線電壓波動情況，還可以計算出電動機過度過程對上一級公共接點處的電壓影響情況，通過比較設計最合理的配電方案，配置合理的變壓器及其參數， 選擇合理的電動機起動和保護方式，使電力系統的風險降至最低。
3 大型電動機起動方式
作為電動機起動問題的研究，在過去多數著眼于電動機的保護。與此不同的是，如今大型電動機從本體設計與制造而言，大多是允許全電壓直接起動的， 因此對大型電動機起動的研究著眼點應該放在電機起動對電力系統的影響方面。目前還有些行業因特殊原因必須采用全壓直接起動，這種情況一般都會配置非常大的電力供電系統或者是高阻抗的變壓器電機機組。
3.1變壓器電動機組
變壓器電動機組拖動方式（即一臺變壓器專供拖一臺電動機）在石油化工領域的大型催化裂化裝置的壓縮機拖動中常有應用，一般情況，變壓器采用高短路阻抗變壓器。在電機起動時，輸出電壓自然降低較多，等效于降壓起動。因為變壓器下端沒有其他負荷，因此在起動過程中，電壓降低不會造成鄰近負荷反應；又因為是高阻抗變壓器再加上電壓降低后電機起動電流也有所減少，因此電動機起動沖擊電流對上一級電網的影響也會有所降低。如果公共電網足夠大，或者公共接點的短路容量較大，就可以忽略它的影響。 但是隨著機組容量的逐漸增大和電力系統網絡化程度的逐步提高，這一起動方式對電力系統的影響問題已經不能再被忽略了。
另一方面，采用這一起動方式的機組大多是長期不間斷運行工況，有時侯一年也不會起動一回，這樣一來，高阻抗變壓器的長期低效率運行會造成巨大的電力浪費。一般情況下，變壓器電動機組容量對比為1.5：1左右，機組配電負荷率在60%左右，而實際工程中，電動機總是降容使用， 一般按照機械負荷功率選擇電動機時，總是乘于1.1的負荷系數，同時選擇機械時也留有足夠的裕量，這樣一來變壓器電動機組的實際運行負荷率比較低，機組功率因數當然也很低， 長期不間斷運行必然造成大量的電力浪費。這是變壓器電動機組起動方式的一大缺陷。比如一臺20000kW機組，一般選配變壓器容量為31500kVA，機組綜合效率每降低1%，運行有功損耗將增加200kW，年損將增加173萬kWH。這是一筆可觀的數字。
實際工作中，電動機起動電流對電網公共接點電壓的影響是不可能忽略的，一般情況為了減少或者降低這種風險，要求盡量的減少起動次數，維持電動機的空負荷運行，這樣一來也會造成巨大的電力浪費。
3.2 熱變電阻降壓起動方式
熱變電阻軟起動器是一種新型的高壓大功率電動機軟起動裝置。其主要技術特性是：電阻器是由具有負溫度系數的電阻材料制成。電阻器串于電機定子回路，當電機起動，電阻體通過起動電流時，電阻體溫度升高而阻值隨之減小，從而使電動機端電壓逐步升高，起動轉矩逐步增加，以實現電機的平穩起動。起動電阻值，可以根據電動機參數和負載要求的起動轉矩，能方便地配制到最佳的起動參數。即在較小的起動電流下，獲得足夠大的起動轉矩。
采用高壓熱變電阻器降壓起動的電動機有以下顯著的起動特性：
1、恒電流軟起動特性：在電機起動過程中，電流基本保持不變，數值在2.5Ie以下，且有顯著的軟起動特性。
2、起動過程中系統功率因數高且接近恒定：一般采用熱變電阻降壓起動的電動機系統功率因數都在0.8以上，且整個起動過程接近于恒定不變的。
3、母線電壓波動小：由于上述1、2特性，使電機起動對電力系統的影響降到最低，母線壓降在5%左右。
4、起動平穩無沖擊：起動過程接近于恒加速特性，電機的起動轉矩逐步增高，因而使機械設備起動平穩，無沖擊、無嘯叫聲，且機械能平穩越過諧振轉速，使設備免受傷害。
經過近十年的發展，該技術已可以滿足10kv、40000kw電機的降壓起動要求。對于大型超大型電動機的軟起動而言，該種起動方式最大的優異性能在于其起動電流對電力供電網絡的沖擊降到了最低，從而大大地減少了電機起動對電網地影響。該技術的產品本身結構簡單，安全可靠，安裝和使用成本也很低。
3.3 高壓變頻軟起動裝置
在石化、冶金、電力等工業領域的大型電動機或抽水蓄能的大型電動發電機常采用變壓變頻軟起動方式。高壓變頻軟起動方式主要還是針對風機、壓縮機及泵類設備的電動機起動而研制的，起動過程中這些機械阻力矩較低，或者可以通過調節風門、閥門來改變降低起動阻力矩，從而可以降低對電機起動力矩的要求，一般情況下，要求電機起動力矩為額定的50%左右就足夠了。
高壓變頻軟起動裝置實際上是一個直接轉矩控制的交直交電流型VVVF變頻器。 當輸出頻率從0Hz（同步起動）或5 Hz（異步起動）逐步升高到50 Hz，電機轉速從0轉速逐步升高到額定轉速，實現電動機的軟起動。一般情況，起動電流控制在額定電流的50%以內。
4、結束語
電動機單機容量越來越大，電力系統越來越復雜，這是工業化生產發展的必然，也是一對永遠存在的矛盾。工程技術人員可以通過制定合理的配電方案，選擇合理的電動機起動和保護方式來緩解這一矛盾，盡量減少電動機過度過程對電網的影響程度和范圍，確保電力系統安全運行，這里面還有很多工作要做。
參考文獻
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：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
