高压水泵电机软启动分析

2015-03-04金福鑫

防爆电机 2015年4期

金福鑫

(中国石油天然气股份有限公司锦西石化公司电气车间，辽宁葫芦岛125001)

0 引言

高压水泵电机(以下简称水泵电机)是2010年延迟焦化隐患整改项目中，新增加的高压电机，由高压间6kV 母线直接供电。这台电机采用的是开关变压器式高压电机软启动装置进行起动的。水泵电机自投入运行以来在高压间母线电压低时先后几次在继电保护方面出现起动超时、过流保护动作跳闸的事故，不能正常起动，本文结合水泵电机的继电保护设定值，对不同电压下水泵电机的起动过程中电压降进行详细计算，找出起动失败的原因，并对解决方案进行分析探讨。

1 水泵电机的起动过程［2，4］

水泵电机起动方式是用开关变压器的高压绕组与电机串联，低压绕组与可控硅和控制系统相连，通过控制晶闸管的导通角，改变低压侧的电压来改变高压侧的电压，即可实现电机端电压从零电压到额定电压的变化，将电机逐步平滑加速到额定速度，电机达到额定速度之后，电机起动电流开始下降，当下降到设定值时，将电机切换到运行回路，完成软启动过程。水泵电机起动时，3605 运行柜断路器合闸，其常开接点联锁合3601隔离柜断路器，电机软启动开始。当软启动柜检测到电机电流下降到预设值时或时间到预设值时发出合3603 星点柜命令，3603 柜断路器合闸，并将3601 断路器分闸，使开关变压器从电网脱离，电机软启动结束，进入运行状态，如图1 所示。

图1 水泵电机配电一次系统图

2 水泵电机起动失败分析［1、3、4］

2.1 水泵电机参数

额定功率:3400kW;额定电压:6kV;功率因数:0.87;转动惯量:255kg.m2;额定转速:1495rpm;起动转矩倍数:0.5;最大转矩倍数:1.8;堵转电流:6.5;负载参数:转动惯量:30kg.m2。

2.2 软启动系统参数

开关变压器容量:2500kVA，阻抗:3.9%;采用恒流方式;大于3.6In 时直接跳闸;在起动过程中，大于1.2Un 或者小于0.8Un 时直接跳闸;40s内起动不起来，则直接跳闸。

2.3 水泵电机配电部分高压综合保护器保护定值

过流保护:定时限，600A，24s 跳闸，速断保护:定时限，2220A，0s 跳闸，差动138A，0s 跳闸。

2.4 水泵电机起动失败原因分析

水泵电机起动失败时均出现了3603 星点柜未合闸，3601 隔离柜未跳闸状态，而3605 运行柜综合保护器面板上显示相过流故障、起动超时，说明软启动过程尚未结束过流保护就已动作。

通过调取高压综合保护器两次跳闸时的录波文件，提取出水泵电机起动前和起动跳闸时刻的电压、电流值，见表1。

表1 水泵电机跳闸时电压电流记录表

从表1 可以看出，水泵电机起动前电压较低，而根据软启动厂家计算可知此台电机起动时电压要从0.4U 起调，满足0.4U ～0.7U 的平均转矩—转速曲线，这时当系统电压为6kV 时起动时间为△t=34.8s，最大起动电流为3.31 倍额定电流。这是正常电压下的起动数据。这时电机起动时电压波动率和电机端电压计算如下

设高压间母线电压为6kV，短路容量为71.3MVA计算，则系统等效阻抗为XL=Un2/Sf=36×106/(71.3×106)=0.5Ω 6kV 母线电压波动率

电机端电压的计算

根据上述计算，可以按3.31Ie 完成起动，开关变压器的短路压降为4%，最大电流时压降为13.24%，则最大电流时电机端电压为电机端电压:100%-13.24%-13.97%=72.79%。

当系统电压降为6000V、5950V、5900V、5850V 时，按上述方式计算各端电压见表2。

表2 各电压下机端电压计算值

由表2 可看出，由于系统电压过低，导致电机端电压降低，远低于0.85U，由于转矩与电压的平方成正比造成起动转矩倍数低于0.5，转矩不够至使起动电流长时间降不下来，超过过流保护动作时间32s，使过流保护动作跳闸。

通过调取软启动柜的起动曲线也发现起动成功时的起动时间仅为25.5s ～26.4s，电流就降下来，而起动失败时的起动时间为35.5s 时，电流仍然为1085/391=2.77 倍额定电流还降不下来，导致过流保护动作跳闸，所以水泵电机无法正常起动的根本原因就在于起动前系统电压过低。

3 水泵电机起动失败解决方案的分析与探讨［3、5、6］

通过上述论述，解决水泵电机无法正常起动的途径可以通过改变保护定值或提高高压间的母线电压。下面就这两方面进行分析与探讨。

3.1 继电保护定值更改的解决方案

水泵电机软启动采用的是恒流方式，起动倍数限定在3.2 倍，在起动过程中，系统电压大于1.2Un 或者小于0.8Un 时直接跳闸(Un=6kV);40s 内起动不起来，则直接跳闸。

根据软启动的数据，可以将水泵电机过流保护时间延长为40s，即600A，40s 跳闸。这种方法仅适用于系统电压降低不多的情况，当系统电压波动大时不能保证电机起动成功。同时还必须保证焦化母线电压不能低于85%，即系统电压不能低于5078V/0.85=5974V。否则会对同一段上的其他电气设备造成影响。

3.2 提高母线电压的解决方案

高压间从总降经电抗器配出，由3 根3×240 长度1120m 的电缆供电。由于电缆长度较长，电压损失较多，且高压间所带高压电机较多，功率因数较低，经现场实际考察，发现高压间两段的功率因数分别为0.86 和0.87，因此采用补偿电容器对高压间就地进行合理的补偿，降低线路电压损失，提高功率因数，进而提高高压间的电压。

3.2.1 用补偿后功率因数按0.9 考虑进行补偿

焦化高压间进线电流互感器800/5，最大负荷按800A 考虑

Q=1.732×Ue×Ig×(tgΦ1-tgΦ2)=1.732×6×800(0.593-0.484)=906(kVar)式中，Ig—最大有功电流，A;tgΦ1、tgΦ2—补偿前后功率因数角的正切值。

3.2.2 按提高电压补偿线路电压降考虑

从总降到高压间的线路压降经现场表计显示为60V，电抗器为1000A，7.5%，阻抗为0.26Ω，电缆阻抗为0.03Ω，若补偿到电压值为6kV，则，

Q=ΔU×U2/X=60×6/0.29=1241(kVar)式中，ΔU—需要提高的电压值，V;U2—需要达到的电压值，kV;X—线路电抗。

根据以上计算可以用1200kVar 补偿即可。