基于電網容量選擇高爐鼓風機軟起動的方法

唐 春

(成都成發科能動力工程有限公司，四川 成都 610503)

高爐鼓風機配套的高壓電動機功率在4000～40 000 kW居多，上海電機廠在高爐鼓風機上配套的最大同步高壓電動機有1臺，功率為51 200 kW，2臺功率為36 000 kW；高爐鼓風機配套的最大異步電動機有4臺，功率為34 000 kW。根據文獻[1]，交流電動機直接起動電流將達到其額定電流的4～7倍，對電網的沖擊大，造成同一電網電壓大幅下降，影響同一電網其他電動機的安全運行。文獻[2]比較了不同型號的高壓感應電動機在直接起動過程中功率因數以及電磁轉矩的變化情況，得出電動機容量越大、電壓等級越高,電動機更容易遇到功率因數低、起動轉矩低等起動問題的規律。高壓感應電動機直接起動的突加轉矩對電動機本體以及相關機械的沖擊損傷也很大。高壓感應電動機直接起動時，電流在電動機繞組里產生的熱損耗也相當大，電動機制造廠對電動機允許的起動次數也有嚴格的限制[3]。因此對于大型電動機而言，一般都需要采用軟起動方式進行起動。

選用何種軟起動裝置，除了要滿足負載升速需求、兼顧軟起動自身的功率覆蓋范圍外，還需要參照所處電網的外部因素，使各方均滿足條件，達到最佳性價比。

1 電動機起動過程對電網的影響

某1080 m3高爐配套ACL63-15型軸流壓縮機，主電動機生產廠家為上海電機廠，型號為YGF1000-4，Y型接法，參數匯總如表1所示。

該機組所在電網最小短路容量為247.6 MVA，若采用直接全壓起動，根據文獻[4]，主電動機的起動容量為

83.63 MVA

(1)

式中：PM為電動機額定功率，kW；kS為電動機全壓起動電流倍數；cosφ為電動機功率因數；η為電動機效率。

表1 某項目起動參數匯總

高爐鼓風機所在母線無其他預接負荷；母線至電動機電纜為45 m，可忽略其影響；故根據文獻[5]表6.5-4、表6.5-5中的公式，電動機全壓起動時，母線電壓相對值降為

(2)

式中：Sqd為電動機的起動容量，MVA；Ss為電網最小短路容量，MVA。

根據文獻[5]中對電能質量要求：不頻繁起動的電動機起動時，配電母線上的電壓不宜低于系統標稱電壓的85%。由此看出，全壓起動時母線電壓不符合要求。

若起動時，母線電壓要符合壓降不低于系統標稱電壓85%，則起動時的起動電流倍數，需不大于某個定值，根據式(1)和式(2)，可得計算如下。

=1.714

(3)

從計算來看，要達到母線壓降不低于系統標稱電壓85%，需使電動機的起動電流倍數不大于電動機額定電流的1.71倍。

式(1)中，電動機效率和功率因數屬于電動機特性，按目前的電動機生產制造工藝，變化范圍差異不大，后續推算中將2個數的乘積按常數0.8769處理，不影響結果。

2 對軟起動裝置的要求

根據文獻[6]，高壓軟起動裝置需要滿足以下幾個方面的要求。

首先需要滿足負載的起動要求：需要確保電動機的起動力矩比較大(相應的電動機電流也就要求比較大)，能克服負載的靜阻力矩，并使電動機具有一定的加速力矩，使電動機快速完成起動過程，避免沖擊力距以保護電動機本體以及所連接的機械負載。

其次需要滿足電網的要求：這就要求在電動機起動時，電網壓降不應低于系統標稱電壓的85%，不影響電網其他用電設備的正常運行。

最后還要滿足用戶的要求。比如降低運行成本及一次投資，軟起動裝置盡量簡易、可靠、免維護，多次起動時起動性能參數一致，現場調整參數方便。

3 根據電網容量選擇軟起動裝置

作為高爐鼓風站的主要用電設備，高爐鼓風機配套的主電動機在起動過程中，需要從上級電網吸收大量的無功功率，從而引起網壓的大幅下降。根據文獻[6]和文獻[7]，電動機軟起動裝置分為降壓式軟起動、變頻式軟起動、轉子變阻式軟起動，下文單從電網容量的角度分析選擇適用的軟起動裝置，但各起動裝置受限于功率元件能承受的電流上限、生產工藝等環節，又有自身的一些局限，此處暫未考慮。

電抗類、電阻類和電子固態類的軟起動裝置起動電流倍數一般都只能控制在額定電流的2.5～4倍[8]。故根據式(1)和式(2)可以推算出，在系統最小短路容量大于電動機容量的16倍時，可以選擇這一類的軟起動裝置，技術經濟指標較高。

降補固態軟起動裝置在電動機端并聯無功發生器，電動機起動過程中所需要無功功率由此無功發生器提供[9-10]。電動機及無功發生器并聯，經降壓器接入電網，可將電動機起動過程中從電網吸收的電流控制在1.5～2.5倍電動機額定電流。機端電流為電動機額定電流的2.6倍，機端電壓降為電動機額定電壓的0.75倍左右。根據式(1)和式(2)可以推算出，在系統最小短路容量是電動機容量的10～16倍時，可以選擇這一類的軟起動裝置，該設備較常規軟起動裝置價格貴一些，但低于同樣起動負載容量的變頻軟起動，是這個電網容量段適用的軟起動裝置一個很好的補充。

上例中，若采用降補固態軟起動裝置，電動機起動電流控制在1.5倍電動機額定電流，則母線電壓相對值ustM為

變頻軟起動能實現起動電流低于電動機額定電流，但造價和維護成本都不經濟，且只能把變頻器當成軟起動器使用，未能發揮出變頻器的最大特性，當系統最小短路容量小于電動機容量的10倍時，卻沒有太多的選擇余地。

4 軟起動裝置的校驗

上例項目實際采用降補固態軟起動裝置，全過程32 s，起動過程機端數據實錄如圖1所示，起動過程進線電壓曲線如圖2所示，進線電流約1.47倍額定電流，很好地滿足了電動機的起動需求。

在選擇了合適的軟起動方式后，需要對起動過程校驗。一是電動機起動時，機端電壓會降低，最低值應能保證傳動機械要求的起動轉矩；二是高壓電動機起動時的溫升不超過允許值，降壓起動過程的電流都比較大，起動時間越長，溫升越高。

圖1 電動機起動時機端數據

圖2 電動機起動時母線電壓

5 結論

大型電動機的軟起動裝置的選擇，必定是基于電網容量、負載情況、電動機參數、設備成本等各種因素綜合考慮。本文提供的方法，是根據電動機功率和電網的最小短路容量，核算在滿足最低起動電壓降的條件下的最大起動電流倍數，根據允許的最大起動電流倍數，選擇性價比合理的高壓軟起動裝置。電網最小短路容量與電動機起動容量的比值越大，對軟起動裝置的限制條件越小，可降低一次設備的投資。選定高壓軟起動裝置后，根據實際的機端起動電壓降，可再次校驗其起動轉矩和起動時間是否符合負載要求。