大型高壓電動機起動分析與計算研究

神華包頭煤化工有限責任公司 王 泓

在某公司項目中，煙氣制酸系統中的風機是除項目中的出氧壓機以外最高功率高壓電動機，其額定電壓10kV、額定功率4850kW。項目位于山區，上級站到該項目廠區110kV總降壓站主要以架空進線為主，整體系統容量相對較小，同時此風機和項目總降壓變電站間距離相對較遠，不利于風機起動。結合具體規范要求分析，電動機起動中電動機端電壓及母線電壓需滿足下列要求：電動機起動中電動機端電壓需確保滿足被拖動機械運行要求的起動轉矩，同時在整個配電系統內能促進電壓降低，不會對其他設備運行產生任何影響或妨礙；配電母線中沒有接照明或其他對電壓降敏感負荷，同時電動機不會頻繁起動條件下不能小于標稱電壓80%。

1 配電系統結構和固態軟起動裝置分析

1.1 配電系統架構

相關項目廠前方設置了總降壓變電站，為110kV，選擇單母線進行分段接線，合理設置兩個25MVA有載調壓變壓器，為110/10kV，對應阻抗電壓是12.5%，上級站到此110kV站主要是選擇同塔雙回鋼芯鋁絞線架實施進線處理，一用一熱備，各個線路長度是50km。二氧化碳風機相關制酸系統對應10kV配電站同時也是按照單母線進行分段接線，中性點不接地系統。而總降壓變電站到10kV配電站間主要利用雙回架空進線進行連接，對應導線型號是LGJ-3x300，其中單回路長度1.4km，風機和10kV配電I段母線相接。

1.2 系統參數

電動機相關型號參數：額定電壓UeAC10kV，額定功率Pe4850kW，無刷勵磁同步電動機，額定電流In323A，額定轉速ne每分鐘1500轉，全壓起動電流倍數為5，勵磁電壓是AC110V，起動轉矩倍數是1.2，勵磁電流是6A，電動機效率是96.4%，功率因數為0.9；風機機械參數：所需風機為德國進口KK&K風機，負載最大轉矩11238Nm，負載靜阻轉矩為47938Nm負載轉動慣量2558.58kg·m2。

電網系統參數：聯系110kV的總降文件相關設計參數，上級220kV側短路容量可根據無窮大數值進行充分考慮。通過對該冶煉廠中110kV入口對應的短路電流進行計算，得出入口側短路電流是2.31kA，而對應短路容量是460.1MVA。對應10kV制酸系統母線短路電流數值為5.27kA，相關短路容量是95.87MVA。10kV總降母線中的短路電流數值為8.63kA，而短路容量是156.95MVA[1]。

圖1 配電系統框圖

1.3 晶閘管軟起動裝置

為了針對電動機相關起動電流進行合理控制，縮減電動機起動電流在電網方面的影響沖擊，以及風機自身運行中所遭受的機械沖擊，應針對風機合理設置晶閘管軟起動設備。而相對液態軟起動裝置的晶閘管形式軟起動裝置普遍也會被叫做固態軟起動裝置，其中晶閘管形式的軟起動裝置主要是結合晶閘管之間相控調壓等基礎原理，結合晶閘管自身可控導通特征，再針對其中的相控α角進行調整，幫助定子中對應添加的電壓均方根值進行合理改善，最終對電動機電壓的無觸點通斷以及平穩升降進行合理控制，促進電動機實現平穩起動，是一種移相軟起動技術。借助該項技術，能夠通過電動機起動最小需求電流直接起動電動機，降低電網沖擊，控制設備振動，縮小起動機械應力，促進電動機以及對應設備應用壽命的有效延長。因為在晶閘管相關耐壓限制下，在應用到某些大型的中高壓電動機過程中應通過晶閘管實施串聯處理。

軟起動裝置在實際應用中體積較小、應用方便、控制靈活，同時擁有良好的起動性能。因為電力電子器件是和高壓回路進行直接串聯，因此直接承擔了電網中的高電壓，需針對串聯晶閘管實施降壓處理，影響了系統整體可靠性。同時在移相調壓原理影響下，使得電動機定子中的加載電壓存在相應的諧波，而諧波大小和負載功率因數以及晶閘管導通角之間具有密切聯系，相關諧波同樣會對電動機和電網造成一定威脅和損壞。固態軟起動器相關控制方式主要包括軟停控制、恒壓控制、限流控制以及斜坡電壓控制。而軟起動本身配置了相對完善的旁路功能，在正式起動后能自動切換至旁路運行。

斜坡電壓控制方面，在電動機起動中，根據一開始的初始電壓以及軟起動時間，軟起動裝置能夠參考相應的步距值對電動機電壓進行合理控制，使其能夠隨著時間呈現出一種線性上升趨勢，在達速后投入全電壓；限流控制中，電動機于起動中根據設計初始電壓進行起動操作，隨后對電流進行控制，使其能快速達到某種限流值，后期軟起動裝置能進行合理控制，使其維持在恒定電流狀態，直到最終電動機達速為止；恒壓控制中，電動機于起動中根據設計恒定電壓進行起動操作，直到電動機達速為止。

在軟?？刂浦校邮樟塑浲Ｏ嚓P指令信息后，控制、觸發電路對應晶閘管將會再次全面開通，隨后旁路接觸器實施分閘操作，控制和觸發電路，對應晶閘管導通角逐漸開始從全導通減小，促進電動機對應三相電壓從最初的額定值開始降低，到最終晶閘管徹底關斷為止，電動機相關轉速也逐漸減小，到最終停車；同步電動機選擇軟起動裝置進行驅動處理，普遍會選擇異步起動方式，等到同步電動機轉速達到某種亞同步速度條件下，可以繼續將強勵磁投入其中，同時針對電動機轉速通過亞同步順利拉入同步，同切10kV旁路柜，促進電動機的正常運行。

2 起動分析計算

2.1 起動轉矩校驗

電動機起動需滿足以下條件：電動機的起動轉矩應超出風機和電動機對應靜阻力矩；在電動機起動中，在電壓降能方面的控制應維持在國家規定要求內，進一步削弱其對于其他設備不良影響。電動機額定轉矩Me=9550Pe/ne=9550×4850/1500=30878.33Nm。通過固態軟起動裝置進行相關操作，起動電流是額定電流3倍左右，通過計算得到對應轉矩結果。結合風機廠家所提供的相關靜阻力矩參數分析，電動機對應降壓起動轉矩是0.432Me，超出風機以及電動機對應靜阻力矩0.16Me，符合相關條件要求[3]。

2.2 母線壓降校驗

對電動機起動狀態下制酸系統10kV母線電壓降進行有效計算，電動機起動相關計算公式如下：ustm=(Skm+Qkm)/(Skm+Qkm+Sst)，SstM=kstSrm，式中ustm是母線標稱電壓的相對值，Skm是母線的短路容量，單位是MVA，Qkm是預接負荷對應無功功率，MVar,Sst是起動回路對應額定輸入容量，MVA，SstM是電動機的額定容量，MVA；kst是電動機起動中的電流倍數，UrM是電動機額定電壓，單位是kA，IrM則是電動機的額定電流，單位是kA。在電動機實施全壓起動條件下，結合設備資料分析，相關電動機對應起動電流數值為5IN,得出Srm是5.59MVA，而SST=SstM=27.97MVA。

在載器中母線電壓相對值。如果已知硫酸側對應10kV側最低短路容量是95.87MVA，則電動機起動中硫酸10kV母線電壓相對值如下：U=Smin/(Smin+S′)=95.87/(95.87+27.97)=77.4%＜85%，不 滿足相關要求。如果總降10kV側的短路容量數值最低是156.95MVA，則電動機起動中，相關電網電壓相對值為：U=Smin/(Smin+S′)=156.95/(156.95+27.97)=84.87%＜85%，不滿足相關要求。

根據軟起動裝置對起動電流限制為額定電流三到四倍進行計算，取3In,SST=SstM=16.78MVA。該種條件下，電機起動中硫酸系統內部10kV母線電壓相對值為：U=Smin/(Smin+S′)=95.87/(95.87+16.78)=85.1%，和85%相近，因此判斷從理論層面上滿足具體要求，但在試車操作中相關壓降遠超出15%。該種條件下總降10kV母線電壓相對值為：U=Smin/(Smin+S′)=156.95/(156.95+16.78)=90.34%＞85%。

3 整改措施和校驗

參數優化。廠家針對軟起動裝置控制板程序實施了全面優化處理，聯系現場實際發展狀況，初步選擇改進形式的限流起動控制方法，能夠針對電動機起動中對應起動電流形成有效限制。

降低系統阻抗。調整系統運行模式，促進總降壓變電所內部兩個主變壓器實現并列運行，而制酸系統對應10kV站可以選擇雙回路并網供電，合母聯開關QF4能夠有效控制系統阻抗，提升系統整體容量，等待電動機正常操作中實施解列操作。該種條件下，制酸系統對應10kV側短路容量是8.73kA，計算短路容量為SL3=158.76MVA,SST=SstM=16.78MVA，U=Smin/(Smin+S′)=90.4%＞85%，滿足電機起動中對于母線電壓降相關要求。

整改前的10kV配電站電壓最低減少到7.75kV，折算電壓降達到22.5%，而實施全面整改后，電壓最低降到8.68kV，折算電壓降低達到13.2%。通過實驗驗證發現，風機起動電網壓降呈現為正常狀態，制酸系統對應10kV母線相關最大壓降控制在有效范圍內，從而進一步滿足電動機起動中關于母線電壓降基礎要求，同時控制風機起動中對于各種設備和電網的影響與沖擊。

綜上，隨著有色冶煉規模持續發展擴大，冶煉工程中所涉及的氧壓機、二氧化碳風機等運行設備對應功率也持續提升，而相關設備起動會對電網以及周邊運行負荷產生直接影響。為此需要采取有效措施針對相關大功率、高壓設備實施有效的電機起動驗算。