高压大功率电机启动技术研究

　　10000kW、6kV大容量同步电动机起动技术研究时间:2007-8-3 17:41:27　周刊:《技术论文汇编》 10000kW、6kV大容量同步电动机起动技术研究李咸全（济钢集团公司鲍德气体有限公司 济南 250101）1 概述 济钢鲍德气体有限公司15000m3/h制氧机组是九三年投产的前苏联产品，配套主电机为俄罗斯产的6kV、10000kW同步电动机，采用乌克兰产的励磁装置和交直交大功率变频起动装置进行起动，自投运以来，随着控制系统模拟元器件的不断老化，备品备件无从采购（原厂家已采用数字控制技术），变频起动装置多次出现故障和起动困难，有时起动时间高达10多小时，严重影响了制氧机的生产，同时也使全济钢总公司的钢铁生产陷入被动，主电机起动困难的问题成为影响总公司生产的重大隐患，对该变频系统进行改造势在必行。 首先我们考虑到新上一套先进的具有数字化控制系统的大功率变频起动装置，但受投资、场地、工期等诸多问题的限制，该方案无法实现。如果采用在保持电气主回路的基础上，只对变频起动系统的模拟元件控制单元进行数字化改造，则需要半年的设计、生产时间，3个多月的停产改造调试时间以及160多万的资金，而济钢总公司目前的生产形势根本不允许15000m3/h制氧机有一天的停产机会，该方案也不可行。最后，我们在考察了诸多起动装置的基础上，将眼光放在了最近几年发展起来的“液态软起动技术”上，尽管济钢鲍德气体有限公司已成功地应用液态软起动装置起动过3800kW、10kV异步电动机，有一定的经验，但是要用液态软起动装置起动10000kW、6kV、额定电流1097A的大电流高压同步电动机在国内以及世界上还没有先例。但由于液态软起动装置具有施工周期短、调试简单、运行维护方便等许多优点，且利用该设备进行改造非常符合我公司的生产实际情况，因此我公司决定对液态软起动装置进行调研、论证，确定其可行性。 2 液态软起动装置的工作原理及特点 2.1 工作原理 在电机的定子回路中串接液体电阻，电机的起动过程中通过液阻柜中电极板的移动来均匀改变液体电阻值的大小，均匀地提高电机端电压，从而降低电机的起动电流，减少电网的电压降，减小对电网的冲击，电机转速随着电阻值的减小而平滑升高，当励磁柜中的检测设备检测到电机的转速达到电机额定转速的85％时，发出投全压信号，液态软起动设备中的切换柜合闸，将液体电阻切除，同时电机星点短接，电机继续升速，当达到电机亚同步转速时，电机励磁柜投励，拉入同步运行，由于该装置的核心部分在电气一次主回路上，故设备维护量小，起动运行可靠。 主回路原理图 2.2 技术特点 (1)安全性：设置了过压、欠压、缺相、接地不良、起动超时保护，采取了严格的接地和避雷保护措施，并保证整个液态软起动产品的液阻箱体在起动开始前和结束后与高压电网分离。 (2)液态电阻的可调整性：由于液态电阻可以很方便地根据不同的电机参数，负载特征现场调配适当的电阻值，而且采用了PLC控制技术，整个起动过程可跟踪起动电流或起动转矩的变化，达到恒流软起动，因而可以最好地满足电动机的软起动要求。 (3)温度闭环控制技术：在电机起动前根据液态电阻箱中液体温度的变化自动调整电极板之间的距离，实现在不同季节、不同环境温度、连续起动情况下，电机起动电流值的一致性。 电机的起动过程是：先合上两个隔离开关1GK、2GK，再合上电机工作柜断路器1DL，电机开始带液体电阻降压起动，起动完毕后，切换柜中的断路器2DL合闸，将电机星点短接，断开隔离开关2GK，将液阻柜切除，电机正常运行。 3 研究、论证及相关计算 由于济钢鲍德气体有限公司的10000kW、6kV高压同步电动机原来是由乌克兰生产的变频起动装置进行起动的，原设计也是针对变频起动进行设计的，现在采用液态软起动装置进行降压起动，电机、供电电网、原励磁系统以及液态软起动装置本查找电机的随机说明书确认，与该型号同系列的俄罗斯同步电动机功率在8000kW以下的可以直接起动，功率在8000kW以上的可以采用降压起动，同时在无锡钢厂的小容量同步电动机上得到了证实，说明电机本身允许采用降压起动。 液态软起动装置可以将电机起动电流限制在3倍电机额定电流以内，根据电机及电网的参数进行计算并用专用的仿真软件进行验证，计算及仿真结果如下： 3.1 原始数据 (1)主电机为俄罗斯产同步双极三相电动机 额定功率：Pe ＝10000kW 额定电压：Ue ＝6000V 额定电流：Ie ＝1097A 额定转速：ne ＝3000rpm 起动转矩倍数：Km＝2.06 起动电流倍数：Kq ＝8.1 额定效率：η＝97.8 功率因数：COSφ＝0.9 转动惯量：GD2 ＝910kgm2 励磁电压：174V 励磁电流：270A (2)空压机 额定轴功率： 7300kW 额定转速：ne ＝4390 rpm 电机起动时吸入阀开度：8%－10% 空载电流：300A (3)供电系统由110kV／35kV／6kV 50MVA变压器供电，直接变为6.3kV,经分裂电抗器及600m、240mm 四根电缆引到现场母线，系统短路容量为： Smin＝122.47MVA。 3.2 计算 (1)电机起动时刻(S=1)等效阻抗 Z＝6000/（×8.1×1097）＝0.3898Ω 等效电阻 rk ＝0.2Z＝0.078Ω 等效电抗xk = ＝0.382Ω (2)该电机采用液态软起动装置降压起动时，若按3倍额定电流起动，起动转矩倍数为： Km ′= ( KI ′/KI)2=0.2826＞0.1 该转矩足以克服压缩机静阻转矩，实现起动。 (3)关于起动时间的计算 额定转矩Me＝9550Pe/ne＝31833Nm 起动转矩Mq=Km′Me=8995Nm 系统GD2按5000kgm2计算，起动时间为： T=(GD2/375)×9.8×(3000／8995)＝43s (4)关于电力系统阻抗xs 按甲方提供的系统参数，折合到6kV母线（三段）的短路容量S＝122.47MVA。那么： 系统总阻抗为xs=6.32／122.47=0.324Ω 该阻抗含进厂阻抗、变压器阻抗、分裂电抗器阻抗、线路阻抗。 (5)当电机采用液态软起动装置降压起动时，考虑系统电抗，降压起动时的等效电路如下： 按3倍起动电流计算，有 得起动电阻为Rq=0.95Ω (6)按3Ie起动时，6KV母线进线电压相对值为 K=(1.05×=0.88 则电机起动时母线压降为： △U＝11.1% (7)起动回路功率因数COSΦq 3.3 计算结果表明 该电机采用液态软起动装置进行降压起动，起动电流可限制在3倍额定电流以内，起动时母线电压降约为11.1％，起动时间约为43S 。 3.4 软起动仿真 应用液态软起动装置的电机拖动系统仿真软件，将相关的电机和空压机的参数输入程序，仿真的主要结果是： 按3倍的电机起动电流进行仿真计算，电网的电压降只有14％，电机的起动时间为43秒，起动设备可保证连续起动两次的热容量。 电机起动时，电流、转速、转矩根据实际参数的仿真曲线如下： 起动电流、转速与时间的关系曲线 起动转矩、负载转矩与时间的关系曲线 4 方案的实施和运行效果 我们通过前后三个多月的反复分析、论证、计算、仿真，确定15000m3／h制氧机10000kW 、6kV主电机完全可以利用液态软起动装置进行起动，但为了增加主电机起动的可靠性，新上一套数字控制系统的励磁柜与之配套，并且新上的液态软起动装置和励磁装置必须同原乌克兰变频起动装置及励磁系统实现互为备用、简单切换，高、低压供配电新老起动系统共用。2002年12月进行了液态软起动设备的定货，2003年1月进行了改造工程的施工设计， 方案的实施和运行效果 我们通过前后三个多月的反复分析、论证、计算、仿真，确定15000m3／h制氧机10000kW 、6kV主电机完全可以利用液态软起动装置进行起动，但为了增加主电机起动的可靠性，新上一套数字控制系统的励磁柜与之配套，并且新上的液态软起动装置和励磁装置必须同原乌克兰变频起动装置及励磁系统实现互为备用、简单切换，高、低压供配电新老起动系统共用。2002年12月进行了液态软起动设备的定货，2003年1月进行了改造工程的施工设计，2003年2月设备到货并进行了安装调试，具备接火的条件，2003年3月11日利用15000m3/h制氧机停机检修的机会进行了接火，只用了10个小时的时间就将这套液态软起动装置投入运行，并一次试车成功。 此次起动时间30秒、起动电流2600A（额定电流为1097A）、全部软起动过程中电网最大压降为13.7％，起动过程非常平稳、可靠。如现场通过将起动时间再适当延长，则起动效果更好。同时这次改造还实现了新老起动设备的互为备用，大大降低了成本并节约了时间。我公司对目前的起动状况非常满意，已经决定将液态软起动装置起动主电机的方案由紧急备用转为主力起动装置。 5 结论 经过周密的研究、严谨的计算和科学的设计施工，实现了采用液态软起动装置起动成功6kV，10000kW同步电动机的目标，排除了俄罗斯电机生产厂的“只能用乌克兰的变频起动装置进行起动，不能进行降压起动”的传真的影响。相信科学、相信自己，仅利用一次制氧机停产检修机会，将全国目前最大额定电流的高压液态软起动装置一次投运成功。经山东省科学院科技检索查询，在国际上尚无如此电压、容量等级的高压同步电动机液态软起动产品使用的先例，这项技术的应用成功，是我国大功率高压同步电动机软起动技术的新突破，翻开了液态软起动技术的新篇章，彻底解决 了多年来影响气体公司乃至济钢总公司稳定生产的老大难问题，具有极高的推广和应用价值。