高壓水泵電機軟啟動分析

金福鑫

(中國石油天然氣股份有限公司錦西石化公司電氣車間，遼寧葫蘆島125001)

0 引言

高壓水泵電機(以下簡稱水泵電機)是2010年延遲焦化隱患整改項目中，新增加的高壓電機，由高壓間6kV 母線直接供電。這臺電機采用的是開關變壓器式高壓電機軟啟動裝置進行起動的。水泵電機自投入運行以來在高壓間母線電壓低時先后幾次在繼電保護方面出現起動超時、過流保護動作跳閘的事故，不能正常起動，本文結合水泵電機的繼電保護設定值，對不同電壓下水泵電機的起動過程中電壓降進行詳細計算，找出起動失敗的原因，并對解決方案進行分析探討。

1 水泵電機的起動過程［2，4］

水泵電機起動方式是用開關變壓器的高壓繞組與電機串聯，低壓繞組與可控硅和控制系統相連，通過控制晶閘管的導通角，改變低壓側的電壓來改變高壓側的電壓，即可實現電機端電壓從零電壓到額定電壓的變化，將電機逐步平滑加速到額定速度，電機達到額定速度之后，電機起動電流開始下降，當下降到設定值時，將電機切換到運行回路，完成軟啟動過程。水泵電機起動時，3605 運行柜斷路器合閘，其常開接點聯鎖合3601隔離柜斷路器，電機軟啟動開始。當軟啟動柜檢測到電機電流下降到預設值時或時間到預設值時發出合3603 星點柜命令，3603 柜斷路器合閘，并將3601 斷路器分閘，使開關變壓器從電網脫離，電機軟啟動結束，進入運行狀態，如圖1 所示。

圖1 水泵電機配電一次系統圖

2 水泵電機起動失敗分析［1、3、4］

2.1 水泵電機參數

額定功率:3400kW;額定電壓:6kV;功率因數:0.87;轉 動 慣 量:255kg.m2;額 定 轉 速:1495rpm;起動轉矩倍數:0.5;最大轉矩倍數:1.8;堵轉電流:6.5;負載參數:轉動慣量:30kg.m2。

2.2 軟啟動系統參數

開關變壓器容量:2500kVA，阻抗:3.9%;采用恒流方式;大于3.6In 時直接跳閘;在起動過程中，大于1.2Un 或者小于0.8Un 時直接跳閘;40s內起動不起來，則直接跳閘。

2.3 水泵電機配電部分高壓綜合保護器保護定值

過流保護:定時限，600A，24s 跳閘，速斷保護:定時限，2220A，0s 跳閘，差動138A，0s 跳閘。

2.4 水泵電機起動失敗原因分析

水泵電機起動失敗時均出現了3603 星點柜未合閘，3601 隔離柜未跳閘狀態，而3605 運行柜綜合保護器面板上顯示相過流故障、起動超時，說明軟啟動過程尚未結束過流保護就已動作。

通過調取高壓綜合保護器兩次跳閘時的錄波文件，提取出水泵電機起動前和起動跳閘時刻的電壓、電流值，見表1。

表1 水泵電機跳閘時電壓電流記錄表

從表1 可以看出，水泵電機起動前電壓較低，而根據軟啟動廠家計算可知此臺電機起動時電壓要從0.4U 起調，滿足0.4U ～0.7U 的平均轉矩—轉速曲線，這時當系統電壓為6kV 時起動時間為△t=34.8s，最大起動電流為3.31 倍額定電流。這是正常電壓下的起動數據。這時電機起動時電壓波動率和電機端電壓計算如下

設高壓間母線電壓為6kV，短路容量為71.3MVA計算，則系統等效阻抗為XL=Un2/Sf=36×106/(71.3×106)=0.5Ω 6kV 母線電壓波動率

電機端電壓的計算

根據上述計算，可以按3.31Ie 完成起動，開關變壓器的短路壓降為4%，最大電流時壓降為13.24%，則最大電流時電機端電壓為電機端電壓:100%-13.24%-13.97%=72.79%。

當系統電壓降為6000V、5950V、5900V、5850V 時，按上述方式計算各端電壓見表2。

表2 各電壓下機端電壓計算值

由表2 可看出，由于系統電壓過低，導致電機端電壓降低，遠低于0.85U，由于轉矩與電壓的平方成正比造成起動轉矩倍數低于0.5，轉矩不夠至使起動電流長時間降不下來，超過過流保護動作時間32s，使過流保護動作跳閘。

通過調取軟啟動柜的起動曲線也發現起動成功時的起動時間僅為25.5s ～26.4s，電流就降下來，而起動失敗時的起動時間為35.5s 時，電流仍然為1085/391=2.77 倍額定電流還降不下來，導致過流保護動作跳閘，所以水泵電機無法正常起動的根本原因就在于起動前系統電壓過低。

3 水泵電機起動失敗解決方案的分析與探討［3、5、6］

通過上述論述，解決水泵電機無法正常起動的途徑可以通過改變保護定值或提高高壓間的母線電壓。下面就這兩方面進行分析與探討。

3.1 繼電保護定值更改的解決方案

水泵電機軟啟動采用的是恒流方式，起動倍數限定在3.2 倍，在起動過程中，系統電壓大于1.2Un 或者小于0.8Un 時直接跳閘(Un=6kV);40s 內起動不起來，則直接跳閘。

根據軟啟動的數據，可以將水泵電機過流保護時間延長為40s，即600A，40s 跳閘。這種方法僅適用于系統電壓降低不多的情況，當系統電壓波動大時不能保證電機起動成功。同時還必須保證焦化母線電壓不能低于85%，即系統電壓不能低于5078V/0.85=5974V。否則會對同一段上的其他電氣設備造成影響。

3.2 提高母線電壓的解決方案

高壓間從總降經電抗器配出，由3 根3×240 長度1120m 的電纜供電。由于電纜長度較長，電壓損失較多，且高壓間所帶高壓電機較多，功率因數較低，經現場實際考察，發現高壓間兩段的功率因數分別為0.86 和0.87，因此采用補償電容器對高壓間就地進行合理的補償，降低線路電壓損失，提高功率因數，進而提高高壓間的電壓。

3.2.1 用補償后功率因數按0.9 考慮進行補償

焦化高壓間進線電流互感器800/5，最大負荷按800A 考慮

Q=1.732×Ue×Ig×(tgΦ1-tgΦ2)=1.732×6×800(0.593-0.484)=906(kVar)式中，Ig—最大有功電流，A;tgΦ1、tgΦ2—補償前后功率因數角的正切值。

3.2.2 按提高電壓補償線路電壓降考慮

從總降到高壓間的線路壓降經現場表計顯示為60V，電抗器為1000A，7.5%，阻抗為0.26Ω，電纜阻抗為0.03Ω，若補償到電壓值為6kV，則，

Q=ΔU×U2/X=60×6/0.29=1241(kVar)式中，ΔU—需要提高的電壓值，V;U2—需要達到的電壓值，kV;X—線路電抗。

根據以上計算可以用1200kVar 補償即可。

4 結語

水泵電機容量大，且屬于帶載起動，尤其是其配電系統中的開關變壓器本身就是一種降壓起動方式，為保證電機能正常起動，當電壓降低不多時，可適當延長過流時限，但從根本上還應采用補償電容器對高壓間就地進行合理的補償，提高供電電壓，進行繼電保護，使得水泵電機能夠正常起動運行。

［1］ 賀家李.電力系統繼電保護原理.北京:中國電力出版社，2010.8.

［2］ 劉利，王棟.電動機軟啟動器入門與應用實例. 北京:中國電力出版社，2012.4.

［3］ 中國航空工業規劃設計院.工業與民用配電設計手冊.北京:中國電力出版社，2005.

［4］ 楊萬青.防爆防腐電機檢修技術問答.北京:機械工業出版社，2008.7.

［5］ 中國標準出版社第四編輯室.防爆電機與防爆電器標準匯編.北京:中國標準出版社，1998.4.

［6］ 王成員.現代電機控制技術.北京:機械工業出版社，2009.1.