基于電網(wǎng)容量選擇高爐鼓風機軟起動的方法

唐 春

(成都成發(fā)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(jù)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(wǎng)的沖擊大，造成同一電網(wǎng)電壓大幅下降，影響同一電網(wǎng)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(shù)以及電磁轉(zhuǎn)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(shù)低、起動轉(zhuǎn)矩低等起動問題的規(guī)律。高壓感應電動機直接起動的突加轉(zhuǎn)矩對電動機本體以及相關(guān)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(chǎn)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(shù)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(wǎng)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(wǎng)的影響

某1080 m3高爐配套ACL63-15型軸流壓縮機，主電動機生產(chǎn)廠家為上海電機廠，型號為YGF1000-4，Y型接法，參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

該機組所在電網(wǎng)最小短路容量為247.6 MVA，若采用直接全壓起動，根據(jù)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(shù)；cosφ為電動機功率因數(shù)；η為電動機效率。

表1 某項目起動參數(shù)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(jù)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(wǎng)最小短路容量，MVA。

根據(jù)文獻[5]中對電能質(zhì)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(tǒng)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(tǒng)標稱電壓85%，則起動時的起動電流倍數(shù)，需不大于某個定值，根據(jù)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(tǒng)標稱電壓85%，需使電動機的起動電流倍數(shù)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(shù)屬于電動機特性，按目前的電動機生產(chǎn)制造工藝，變化范圍差異不大，后續(xù)推算中將2個數(shù)的乘積按常數(shù)0.8769處理，不影響結(jié)果。

2 對軟起動裝置的要求

根據(jù)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(wǎng)的要求：這就要求在電動機起動時，電網(wǎng)壓降不應低于系統(tǒng)標稱電壓的85%，不影響電網(wǎng)其他用電設(shè)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(shù)一致，現(xiàn)場調(diào)整參數(shù)方便。

3 根據(jù)電網(wǎng)容量選擇軟起動裝置

作為高爐鼓風站的主要用電設(shè)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(wǎng)吸收大量的無功功率，從而引起網(wǎng)壓的大幅下降。根據(jù)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(zhuǎn)子變阻式軟起動，下文單從電網(wǎng)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(chǎn)工藝等環(huán)節(jié)，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(tài)類的軟起動裝置起動電流倍數(shù)一般都只能控制在額定電流的2.5～4倍[8]。故根據(jù)式(1)和式(2)可以推算出，在系統(tǒng)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(shù)經(jīng)濟指標較高。

降補固態(tài)軟起動裝置在電動機端并聯(lián)無功發(fā)生器，電動機起動過程中所需要無功功率由此無功發(fā)生器提供[9-10]。電動機及無功發(fā)生器并聯(lián)，經(jīng)降壓器接入電網(wǎng)，可將電動機起動過程中從電網(wǎng)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(jù)式(1)和式(2)可以推算出，在系統(tǒng)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(shè)備較常規(guī)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(wǎng)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(tài)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(xiàn)起動電流低于電動機額定電流，但造價和維護成本都不經(jīng)濟，且只能把變頻器當成軟起動器使用，未能發(fā)揮出變頻器的最大特性，當系統(tǒng)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(tài)軟起動裝置，全過程32 s，起動過程機端數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)

圖2 電動機起動時母線電壓

5 結(jié)論

大型電動機的軟起動裝置的選擇，必定是基于電網(wǎng)容量、負載情況、電動機參數(shù)、設(shè)備成本等各種因素綜合考慮。本文提供的方法，是根據(jù)電動機功率和電網(wǎng)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(shù)，根據(jù)允許的最大起動電流倍數(shù)，選擇性價比合理的高壓軟起動裝置。電網(wǎng)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(shè)備的投資。選定高壓軟起動裝置后，根據(jù)實際的機端起動電壓降，可再次校驗其起動轉(zhuǎn)矩和起動時間是否符合負載要求。