大功率中壓電機的啟動分析與校驗

劉立峰

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

0 前言

交流電機是有色冶金礦山工程中常用的動力設(shè)備,交流電機直接啟動時,因瞬時啟動電流一般為電機額定電流的6～7 倍,會對所在母線和電力系統(tǒng)有一定沖擊,造成母線電壓的波動,因此中、大功率電機的配電設(shè)計時,需對電機啟動進行校驗分析,并采取合理的啟動方式。當前,在項目設(shè)計過程中存在一刀切誤區(qū),有些地區(qū)主管部門或用戶簡單規(guī)定多大的電動機應降壓啟動,按照電動機功率統(tǒng)一規(guī)定啟動方式,是沒有依據(jù)的。在滿足工藝控制要求和電網(wǎng)容量允許前提下,采用電機直接啟動方式無疑是一種經(jīng)濟可靠的方式。按照一刀切方式,容易造成軟啟設(shè)備大量使用導致投資增加,不僅降低了系統(tǒng)的可靠性,而且增加了運維人員的維護工作。

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊》第4 版相關(guān)要求,電動機啟動時,電動機所在母線電壓應滿足以下要求[1]:

(1)電動機啟動時,其端子電壓應能保證所拖動的機械要求的啟動轉(zhuǎn)矩,且在配電系統(tǒng)中引起的電壓波動不應妨礙其他用電設(shè)備的工作。

(2)交流電動機啟動時,各級配電母線上的電壓應符合下列要求:

①一般情況下,電動機頻繁啟動時,不宜低于額定電壓的90%;電動機不頻繁啟動時,不宜低于額定電壓的85%。

②配電母線上未接照明或其他對電壓波動較敏感的負荷,且電動機不頻繁啟動時,不應低于額定電壓的80%。

③配電母線上未接其他用電設(shè)備時,可按保證電動機啟動轉(zhuǎn)矩的條件決定;對于低壓電動機,尚應保證接觸器線圈的電壓不低于釋放電壓。

某年產(chǎn)10 萬t 陽極銅的礦銅冶煉項目建于西南某偏遠山區(qū),根據(jù)項目的用電需求和當?shù)仉娋W(wǎng)情況,建有1 座110 kV 總降壓站。項目所在地區(qū)為經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū),地區(qū)電力系統(tǒng)條件差,電網(wǎng)薄弱,系統(tǒng)短路容量小。受山區(qū)地形的影響,廠區(qū)布置落差大,布局分散。110 kV 總降壓站與制酸區(qū)高差約100 m。制酸區(qū)二氧化硫風機主電機為該項目中功率緊次于制氧站空壓機主電機(緊挨110 kV 總降壓站)的中壓電動機(10 kV、4 850 kW),110 kV 總降壓站至制酸區(qū)10 kV 配電站之間由于電纜敷設(shè)困難,因此采用架空線路方式,線路距離超過1 300 m,二氧化硫風機的啟動是該項目的一個難點問題。

1 配電系統(tǒng)介紹

廠前區(qū)設(shè)有110/10 kV 總降壓站,設(shè)兩臺25 MVA 主變壓器,采用單母線分斷接線,110 kV 電源引自上級110 kV 站,架空線路長度約50 公里。制酸區(qū)10 kV 配電站建于二氧化硫風機房輔跨,采用單母線分段接線方式,雙回10 kV 電源分別取自廠區(qū)110 kV 總降壓站10 kV Ⅰ、Ⅱ段母線,采用鋼芯鋁絞線架空進線,規(guī)格LGJ-3 ×300,線路長約1.3 km,二氧化硫風機接在二氧化硫風機房10 kV 配電站母線Ⅰ段。全廠配電系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 全廠配電系統(tǒng)框圖

1.1 設(shè)備及電力系統(tǒng)主要參數(shù)

(1)電機型號參數(shù):TW4850-4/1500 無刷同步電機,額定功率Pe=4 850 kW,額定電壓Ue=10 kV,額定電流In=323 A,功率因數(shù)0.9 超前,額定轉(zhuǎn)速ne=1 500 r/min,電機效率η=96.4%,全壓啟動電流倍數(shù)Ki=6,啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Km=1.1,負載轉(zhuǎn)動慣量(J=)為2 558.5 kg·m2,勵磁電壓:110 V,勵磁電流:6 A。

(2)風機機械參數(shù):KK&K 風機,負載靜阻力矩:4 793 N·m;負載最大轉(zhuǎn)矩:11 238 N·m;負載轉(zhuǎn)動慣量(J=)2 558.5 kg·m2。

(3)電網(wǎng)參數(shù):根據(jù)當?shù)毓╇娋痔峁┳杩剐蚓W(wǎng)絡(luò)參數(shù),計算得:廠區(qū)110 kV 入口側(cè)短路電流:IK1∞=2.31 kA,SK1=460 MVA;總降10 kV 母線:IK2∞=8.63 kA,SK2=157 MVA;二氧化硫風機房10 kV 母線Ⅰ段:IK3∞=3.26 kA,SK3=59.29 MVA。

圖2 電力系統(tǒng)阻抗序網(wǎng)絡(luò)圖

1.2 分析計算

電動機啟動可行性分析主要需從兩方面考慮,一是電動機啟動轉(zhuǎn)矩需大于風機的靜阻轉(zhuǎn)矩。二是風機啟動過程中其所在的二氧化硫風機房10 kV 母線Ⅰ段的最大壓降須小于20%。

(1)啟動轉(zhuǎn)矩驗算[2]

電動機的額定轉(zhuǎn)矩:Me=9 550Pe/ne=30 878 N·m。其中,Me為電機額定轉(zhuǎn)矩;Pe為電機額定功率;ne為電機額定轉(zhuǎn)速。

計算得,風機負載靜阻力矩比0.16Me。

全壓啟動時啟動轉(zhuǎn)矩滿足要求。

降壓啟動時,按軟啟動裝置通常限流水平2.5～3.5In 考慮,啟動電流取額定電流的3 倍。計算得:Mst=2KmMe=0.3Me。其中,Mst為電機啟動轉(zhuǎn)矩為電機啟動電流倍數(shù);Ki為電機全壓啟動電流倍數(shù);Km為啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù);Me為電機額定轉(zhuǎn)矩。

電動機降壓啟動時,啟動轉(zhuǎn)矩不小于0.3Me大于風機負載的靜阻力矩0.16Me,滿足啟動轉(zhuǎn)矩要求。

(2)電機啟動時二氧化硫風機房10 kV 母線Ⅰ段網(wǎng)壓降驗算。

電動機啟動計算公式[1]:

式中Sst—電機啟動時啟動回路的額定輸入容量,MVA;

ustm—母線標稱電壓相對值;

SstM—電機額定啟動容量,MVA;

Srm—電機額定容量,MVA;

kst—電機啟動電流倍數(shù);

X1—線路電抗,Ω;

Um—母線標稱電壓,kV;

Skm—母線短路容量,MVA;

Qfh—預接負荷的無功功率,Mvar。

①假設(shè)采用全壓啟動

電機啟動電流6In,SstM=33.6 MVA,Sst=59.29 MVA。

此時,電動機啟動時二氧化硫風機房10 kV 母線Ⅰ段相對電壓值:

電動機啟動時總降壓站10 kV 母線Ⅰ段相對電壓值:

不滿足電機啟動時電機所在母線電壓降要求。

②假設(shè)采用軟啟降壓啟動

啟動電流取3In,Qfh為0,由公式(1)～(3),求得:SstM=16.78 MVA,Sst=59.29 MVA,此時,電動機啟動時二氧化硫風機房10 kV 母線Ⅰ段相對電壓值:

電動機啟動時總降壓站10 kV 母線Ⅰ段相對電壓值:

不滿足電機啟動時電機所在母線電壓降要求。

得出單純采用軟啟動裝置無法解決該小容量電網(wǎng)條件下,二氧化硫風機的啟動問題。

1.3 解決措施及驗算

經(jīng)過對全廠配電系統(tǒng)進行分析,嘗試過在電動機啟動前投入電容補償裝置提高母線電壓和提供容性電流等方法,效果均不理想。最后得出采取短時改變系統(tǒng)運行方式,提高二氧化硫風機房10 kV 母線短路容量的電動機加軟啟啟動方案。即在電機啟動前,將總降壓變電站兩臺110 kV 主變壓器并列運行,合二氧化硫風機房10 kV 站母聯(lián)開關(guān),使10 kV系統(tǒng)短時合環(huán)運行,以提高系統(tǒng)短路容量,電機啟動完成后斷開二氧化硫風機房10 kV 站母聯(lián)開關(guān),恢復到正常分列運行模式。

此時,二氧化硫風機房10 kV 母線Ⅰ段短路容量:IK3∞=5.78 kA,SK3=105.1 MVA。

計算得:U=Smin/(Smin+S′)=86.2% >80%。滿足電機啟動時電機所在母線電壓降要求。

1.4 軟啟動裝置的選擇

綜合考慮配電室空壓布局和常見各類軟啟動裝置的技術(shù)性能特點,本項目選用晶閘管型固態(tài)軟啟動裝置。相對液態(tài)軟啟動裝置晶閘管固態(tài)軟啟動裝置啟動性能好,控制靈活,且體積小,占地面積少,可與10 kV 配電柜同室布置。晶閘管固態(tài)軟啟動裝置應用晶閘管相控調(diào)壓原理,利用晶閘管的可控導通特性,通過改變相控角來改變加在電動機定子端的電壓均方根值,屬于移相調(diào)壓軟啟動技術(shù)[4-5]。圖3 為晶閘管固態(tài)軟啟動裝置的典型電路示意圖。

圖3 晶閘管固態(tài)軟啟動裝置主電路示意圖

軟啟動器的主要控制方式:斜坡電壓控制、限流控制、恒壓控制、軟停控制等。軟啟動器自帶自動旁路功能,啟動完成后自動切換到旁路運行。本項目為同步電機,在啟動時采用異步啟動,當轉(zhuǎn)速達到準同步轉(zhuǎn)速時,勵磁系統(tǒng)投入強勵磁將同步電機拉入同步運行,在此過程中軟啟動裝置擇機自動投旁路開關(guān),切除軟啟動裝置。圖5 為二氧化硫風機主電機10 kV 主接線系統(tǒng)圖。

圖4 固態(tài)軟啟裝置典型控制方式

圖5 電機主接線系統(tǒng)圖

2 仿真分析驗算

本項目采用ETAP 軟件進行了仿真分析。ETAP 軟件是由美國OTI(Operation Technology Inc)公司開發(fā)和發(fā)行的一款功能全面的電力系統(tǒng)分析計算軟件,該軟件在美國確立了電力系統(tǒng)設(shè)計和分析軟件的標準,具有最高安全級別的核電行業(yè)認證。經(jīng)過多年的開發(fā)完善,該軟件已具有電動機啟動分析、電動機加速分析、短路分析、潮流分析、繼電保護配合和動作序列分析、電纜分析、接地網(wǎng)設(shè)計等模塊和功能。此外,該軟件可以提供全圖形的用戶界面和工程數(shù)據(jù)庫,方便用戶的系統(tǒng)建模。ETAP 軟件還具有虛擬現(xiàn)實操作特點,利用ETAP 軟件得到的仿真分析結(jié)果,能以直接顯示、文本報告及動態(tài)仿真曲線等形式直觀地輸出[3]。該軟件已成為國際公認的電氣分析計算軟件之一。

通過ETAP 軟件對不同模式下的電動機啟動仿真結(jié)果如下:

從ETAP 仿真分析報告得出:二氧化硫風機房10 kV 母線Ⅰ段初始電壓10.5 kV 時,系統(tǒng)分列運行模式下,采用軟啟動裝置,啟動過程10 kV 母線最低電壓7.854 47 kV。系統(tǒng)在合環(huán)運行模式下,采用軟啟動裝置,啟動過程10 kV 母線最低電壓8.979 9 kV。仿真計算結(jié)果與手動計算結(jié)果基本一致。

通過手動計算和仿真分析指導了電機的啟動系統(tǒng)的設(shè)計,并在二氧化硫風機試車實踐中驗證了計算及仿真結(jié)果的正確性。

圖6 電動機啟動系統(tǒng)仿真模型

圖7 電動機直接啟動仿真結(jié)果

圖9 系統(tǒng)合環(huán)運行時電動機加軟啟啟動仿真結(jié)果

相對于手動計算,ETAP 軟件仿真計算不僅可以靈活方便建立系統(tǒng)仿真模型,參數(shù)設(shè)置靈活,仿真速度快,計算結(jié)果準確,而且具有良好的圖形界面,結(jié)果更直觀。通過ETAP 軟件仿真可以得到電機在不同啟動模式下對系統(tǒng)各母線的影響,從而有助于選擇更合理的電機啟動方式,是值得推薦的輔助設(shè)計方式。

3 總結(jié)

隨著有色冶金礦山項目建設(shè)規(guī)模越來越大,項目中用到的中、低壓電動機功率也越來越大,從電氣設(shè)計角度需借助類似ETAP 仿真計算軟件等工具,對電機啟動進行科學計算,一方面減少大電機啟動對電力系統(tǒng)的沖擊,保證電機設(shè)備能可靠安全啟動,滿足工藝生產(chǎn)連續(xù)性要求;另一方面在不需要采用軟啟動等場合避免使用軟啟動裝置,節(jié)約工程投資。