一拖二高壓變頻軟啟動系統(tǒng)在煉化企業(yè)中的應(yīng)用

馬思眾

（中國石油天然氣股份有限公司寧夏石化分公司，寧夏 銀川 750021）

0 引 言

催化裝置是煉化企業(yè)的核心裝備。隨著近些年大型煉化企業(yè)的快速崛起，作為催化裝置的最主要設(shè)備，主風(fēng)機系統(tǒng)的容量不斷增加。以某煉油廠催化裝置為例，主風(fēng)機動力系統(tǒng)由一臺額定功率25 MW的電動機和一臺18 MW的電動機提供。根據(jù)生產(chǎn)需要，兩臺電動機一用一備，且不會同時啟動。因此，通過選擇合理的接線方式和控制方式，可以實現(xiàn)一臺高壓變頻器分時啟動兩臺電動機（即一拖二系統(tǒng)），節(jié)省項目資金投入，降低后期維護成本。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一拖二變頻軟啟動系統(tǒng)由2臺電動機、1臺高壓變頻器以及若干臺高壓開關(guān)柜組成。高壓變頻器為軟啟動系統(tǒng)的核心，選用廣東白云電器設(shè)備股份有限公司生產(chǎn)的TMEIC系列變頻器。圖1為軟啟動一次系統(tǒng)圖，M1電機為主電機，KG1、V1、L1分別為主電機變頻軟啟動輸入斷路器、輸出斷路器、工頻斷路器；M2電機為備用電機，KG2、V2、L2分別為備機變頻軟啟動輸入斷路器、輸出斷路器、工頻斷路器。通過選擇不同的啟動方式，經(jīng)PLC控制不同的斷路器動作，可以實現(xiàn)1臺電動機啟動完成切換到工頻后啟動另1臺電動機，實現(xiàn)一拖二的控制功能。

圖1 一拖二變頻軟啟動主接線圖

2 啟動過程及并網(wǎng)

2.1 軟啟動過程

以啟動主電機為例，啟動前選擇需要啟動的電動機，由電氣操作人員將變頻器選擇開關(guān)旋轉(zhuǎn)至“M1”，并將主電機對應(yīng)的KG1、V1、L1斷路器手車推至運行位?？刂葡到y(tǒng)發(fā)出啟動命令，由PLC控制KG1斷路器合閘；變頻器自檢完成后，自動合V1斷路器，電動機開始升速；當(dāng)輸出頻率達(dá)到50 Hz后，自動調(diào)整輸出電壓、頻率、相位，鎖定并網(wǎng)點，工頻斷路器開關(guān)L1自動閉合，同期并聯(lián)成功；控制輸出斷路器V1、輸入斷路器KG1分閘，軟啟結(jié)束。主電機啟動結(jié)束后，變頻器退出運行，即可用來啟動備用電機。

2.2 電動機并網(wǎng)

電動機的并網(wǎng)即軟啟動結(jié)束，電動機從變頻切換到工頻運行[1]。當(dāng)電動機加速到額定轉(zhuǎn)速時，如果不進(jìn)行并網(wǎng)檢測，將直接將其切換到工頻，對電動機、電網(wǎng)和變頻器影響很大。

根據(jù)電動機的工作特性，常用的切換方式分別為直接切換、異步切換、同步切換和軟切換[2]。軟切換方式?jīng)_擊電流小，電機轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定。實現(xiàn)軟切換的關(guān)鍵元件是鎖相環(huán)。鎖相環(huán)是一個閉環(huán)的相位負(fù)反饋系統(tǒng)，已在通信、電子和導(dǎo)航等行業(yè)中應(yīng)用多年。鎖相環(huán)基本結(jié)構(gòu)由3個模塊組成——鑒相器、低通濾波器和壓控振蕩器，結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過實時采集變頻器的輸入電壓和輸出電壓，切換到工頻時，調(diào)整變頻器輸出電壓的相位、幅值和頻率，使之與電源電壓的相位、幅值和頻率相同或接近。

圖2 鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)圖

3 聯(lián)鎖及防誤

對于變頻軟啟動一拖二系統(tǒng)，變頻器只能分別啟動25 MW主電動機M1和18 MW備電動機M2，不允許兩臺電動機同時啟動，更不允許誤啟動，否則會造成設(shè)備損壞并導(dǎo)致更大的事故。因此，為了確保設(shè)備的安全性和啟動過程順利完成，必須為兩臺電動機設(shè)置必要的聯(lián)鎖和防誤措施。當(dāng)主機M1軟啟動KG1輸入斷路器、V1輸出斷路器、L1工頻斷路器處于工作位置時，備機M2軟啟動KG2輸入斷路器、V2輸出斷路器、L2工頻斷路器合閘控制回路閉鎖，不能啟動。同樣，當(dāng)啟動備機時，閉鎖主機合閘控制回路。開關(guān)柜合閘聯(lián)鎖原理如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 變頻器進(jìn)線柜合閘聯(lián)鎖原理圖

圖4 變頻器出線柜合閘聯(lián)鎖原理圖

圖5 工頻進(jìn)線柜合閘聯(lián)鎖原理圖

同時，對軟啟動器的PLC進(jìn)行設(shè)置，分別將兩臺電動機的變頻輸入斷路器位置引入PLC，通過控制柜上的轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇不同的電機。當(dāng)一臺電動機處于啟動過程時，另一臺電動機處于閉鎖狀態(tài)[3]。

4 系統(tǒng)的繼電保護

變頻軟啟動系統(tǒng)除了要選擇可靠性高的變頻器外，還必須設(shè)置完善的繼電保護。在變頻器或電動機發(fā)生故障時，及時將設(shè)備從電網(wǎng)中脫離，防止更多設(shè)備損壞或影響電網(wǎng)的安全運行。變頻軟啟動系統(tǒng)中，電動機的啟動過程共分為變頻啟動和工頻運行兩個階段。因此，針對不同的階段，需要設(shè)置不同的繼電保護參數(shù)。

4.1 變頻方式下的保護

市場上有許多類型的變頻器且品牌很多，每個變頻器在保護配置方面都有自己的特點，但基本上都具有以下的主要保護功能——過載保護、欠壓保護、過壓保護和過流保護[4]。

過載保護一般采用反時限方式，保護動作的時間與電動機過載電流成反比。過載電流越大，保護動作的啟動時間越短，使電動機更加快速地停止運轉(zhuǎn)。

在變頻器輸入電壓降低至額定值以下或者出現(xiàn)斷相時，可能會造成半導(dǎo)體元件損壞。此時，應(yīng)該快速停止變頻器，以避免對半導(dǎo)體元件造成更大程度的損壞。通常，欠壓保護可以根據(jù)半導(dǎo)體元件的額定電壓的70%～80%來設(shè)定。

產(chǎn)生過電壓的原因有系統(tǒng)電壓過高、操作過電壓等。當(dāng)輸入電壓超過額定電壓時，開關(guān)元件將會損壞，將進(jìn)一步影響變頻器的正常運行。過壓保護值通常設(shè)定為半導(dǎo)體器件額定值的1.5倍。

過流產(chǎn)生的原因有控制回路誤動作、電路連接故障以及短路電流等。長期過流會造成開關(guān)元件損壞，這種情況下必須盡快關(guān)斷開關(guān)元件，才能讓變頻器停止工作，同時電源側(cè)斷路器應(yīng)立即跳閘。保護值通常設(shè)定為變頻器額定電流的1.1～2.0倍。當(dāng)電流超過設(shè)定值時，保護應(yīng)立即作用。

4.2 工頻方式下的保護

當(dāng)電動機處于工頻狀態(tài)時，大多數(shù)故障都是繞組故障，因此繼電保護是對定子繞組的保護。采用微機繼電保護裝置，通過實時監(jiān)測電動機的電壓、電流等參數(shù)來實現(xiàn)對電動機的保護。大型電動機尤其是功率超過2 000 kW的電動機，通常采用縱聯(lián)差動保護或磁平衡差動保護作為電動機的主要保護。此外，需要設(shè)置電流速斷保護、過電流保護、熱過載保護、負(fù)序保護、低電壓保護以及堵轉(zhuǎn)保護等作為后備保護。

磁平衡差動保護是基于磁平衡原理的差動保護[5]。差動保護包含三組自平衡互感器和3個電流繼電器。在電動機正常運行狀態(tài)時，流入每個繞組的初始端和末端的電流是相同的電流，且該電流經(jīng)自平衡互感器穿入、穿出各一次，互感器一次側(cè)電流為零，二次側(cè)不產(chǎn)生感應(yīng)電流，保護不起作用。當(dāng)電動機內(nèi)部出現(xiàn)相間短路或接地時，互感器一次側(cè)電流不為零，二次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電流；當(dāng)電流達(dá)到保護動作值時，電動機配電柜中的斷路器跳閘，切除供電電源。原理如圖6所示。

圖6 磁平衡式差動保護原理圖

磁平衡式差動保護需要躲過差動互感器的最大不平衡電流和當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生單相接地時電動機的最大容性電流。磁平衡差動保護的動作電流通常根據(jù)電動機額定電流的10%設(shè)定。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計的一拖二高壓變頻軟啟動系統(tǒng)，解決了大型電動機啟動時啟動電流大、對電網(wǎng)和電機沖擊大的問題。使用一臺變頻器實現(xiàn)兩臺電動機的啟動，既滿足了現(xiàn)場的工況要求，又節(jié)省了投資，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。本次項目成功驗證了變頻器在大型異步電動機軟啟動中的良好效果，可為此類工程提供可靠依據(jù)。