25000Nm3/h空分装置压缩机电机启动简析

徐国舵

（金通铜业有限责任公司，内蒙古 赤峰 024076）

1 概况

随着铜冶炼工艺的技术升级能耗和环保要求日益严格，铜冶炼企业富氧熔炼工艺受到重视。根据冶炼工艺需求，需要新建一套25000Nm3/h空气分离装置提供高纯度氧气混入空气，吹入熔炼炉。空分装置核心设备之一就是空气压缩机。异步电机拖动压缩机的功率12400KW，它具有结构简单，制造使用和维护方便，运行可靠，成本较低等优点。异步电机有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒速运行，能满足空气压缩机械的传动要求。但是大功率异步电机启动电流过大，启动时间较长给实际应用中有需要克服一些困难，只有合理的配置保护方案才能消除影响。空分装置的空气压缩机电机功率很大、启动电流很大，影响工厂供配电系统的稳定和可靠性。

2 工厂配电网络系统

制氧系统用空压机由异步电动机拖动，12400KW高压大功率电机直接启动电流很大，在配备电力变压器是要求有足够的容量。过大的启动电流还会对冲击配电系统，大电流拉低同一母线的电压，影响网络中其他的对电压质量敏感的设备，可能使得欠压保护误动作，其他电机转距下降可能导致堵转等问题引起生产线中断。现在工厂配电两路进线110KV，110KV母线采用单母线分段接线，经过三台40MVA的变压器降压到10KV，10KV侧采用单母线分段接线环形接线。为保证厂区供电可靠性由两台主变分列供电，应对大电机启动过电流的压力做了仿真计算。

冶炼厂的配电系统电力变压器型式：三相双绕组有载调压变压器：容量40MVA；接线组别：YN，d11；阻抗电压：Uk=10.5%；接地系统的类型：中性点由接地变引出过消弧线圈接地。电源进线经过电缆桥架进入制氧区域的配电室。电缆长度约100m。

3 电机启动过程分析

3.1 制氧空压机异步电动机参数如下：

生产厂家：西门子

电机型号：1TV1552-8AE02-Z

三相电机COSφ0.91；转速1489 rpm

电机功率12400KW；电压10000V+10%/-5%；额定电流807A。

已知条件：空压机电动机功率12400kW，起动方式采用自耦变压器降压起动。

自耦变触头选择80%，该空压机主接线位于1#主变下10kV 1段母线上。

输电距离为100m，配电电缆按照每相3×YJV-8.7/10 300mm2敷设。

3.2 启动方式分析

12400 KW的异步电动机直接全压起动影响电机绝缘，降低电机寿命。变频启动经济成本太高。考虑到启动设备的可靠性要求采用自耦变压器降压启动。

启动大电流产生的焦耳热反复作用于导线外绝缘，加速绝缘老化。并且影响工厂配电系统的稳定性。影响因素如下：

（1）易导致同一主变的母线电压波动，影响同电网其它设备的运行交流电动机运行。理论上在全压直接起动时，起动电流会达到额定电流的4～7倍，当电机的容量相对较大时，该起动电流会引起电网电压的急剧下降，影响同电网其它设备的正常运行。

（2）大容量的异步电动机起动电流中含有大量的高次谐波，会与电网电路参数引起高频谐振，可能造成继电保护误动作、自动控制失灵等问题。降压起动时能降低起动电流，力求减小甚至完全免除影响。

（3）过大的电流在电机定子线圈和转子鼠笼条上产生较大的冲击作用，容易造成电机内部夹紧松动、线圈变形、鼠笼条受冲击应力断裂等故障。

（4）直接启动对压缩机设备同样也有一定的伤害。

空压机电机采用自耦变压器降压启动方法，自耦变压器一般有两组抽头(80%和65%抽头)。启动时使得自耦变压器其中的一组接入电动机，当电动机转速接近额定转速时，再直接接入三相10KV电源正常运转，切除自耦变压器，全压运行完成启动过程。

3.3 电机启动过程仿真

对本电动机的软起动方案进行数据论证和分析，确认所设计技术方案的可行性。计算书中对用户关心的技术数据进行计算说明，并对过程进行了简单模拟，还绘制有过程曲线以供参考。根据《GB 50055-2011通用用电设备配电设计规范》规定，电动机不频繁起动时，空压机电机启动时母线电压降不能过大，不宜低于额定电压的85%，根据运行经验电压降至85%时工厂车间部分高压电机过电流跳车。异步电机的转矩和端电压的平方成正比，端电压下降时电机转矩下降的更快。

理论计算数据根据等效电路，计算电机起动阻抗，将电动机等效为一个简单的LR串联回路；电动机并联电容后，回路等效阻抗；

各转速点对应关键数据表如下：

表1

利用软件通过分段计算，电动机的启动时间约为50s以内对电机启动过程的电压和电流进行仿真。站内110侧电压为：113.1kV，起动时间33s，25000空分装置变电站，启动过程仿真如下：

启动时母线电压仿真，10kV母线电压降为：9.62kV，变化曲线如图1：

图1 厂区10KV配电系统图

图1

起动电流：10kV线路侧电流，约2013A左右（约2.45倍额定电流）：

仿真计算在目前所提供的参数条件结果下：

（1）10kV母线压降可控制在90%以上；起动时母线压降小；

（2）电机起动时母线侧电流为2.7倍电机额定电流以内；

（3）起动时间约在50s以内。

该计算是在用户提供的现有参数下的理论计算，可能会与实际起动情况略有偏差。自耦降压启动与其它常见软起动装置对比，起动更可靠，成本明显优于其它方式。

而实际启动过程中空压机电机的起动时间问题，此电动机起动时间约为30s～50s之间，实际启动时间约43s，电机采用降压启动,(起动方式采用自耦变压器降压起动，自耦变触头选择80%)。减小在极端情况下电机启动时对别的线路的电机的启动或运行的影响。空压机异步电机实际9次综合保护装置采样的启动电流如下图3。

图2

图3

该启动电流从综合保护系统读出，由于每次启动条件不一样电流大小也不一致。由上图可知，实际启动电流平均值2418.62A启动电流是额定电流的3倍。

出现的最大启动电流3361A启动电流是额定电流的4.16倍。为了防止启动冲击电流导致保护误动作，实际上采用了复合电压闭锁过电流保护方式能够躲过电动机起动冲击电流，相比于普通的过电流保护启动时间过长一般的过电流保护动作难以起到作用，采用光纤纵差及复合电压闭锁过流保护制氧区域的10KV线路继电保护。

4 总结

空分装置压缩机电机一般功率都比较大，拖动压缩机电机通常选择异步电动机，电机启动时会产生较大的冲击电流采用仿真计算选择合适的启动方案。按启动计算模拟结果设定整定值时空分系统电机启动因电流过大仍旧导致跳车，该项目立即改变线路保护方案，简单的三段式过流保护无法满足总降变电站出线柜对该项目的保护方案启动时间过长、电流过大，难以实现对下端变电室的保护。项目实际改用差动保护出线电缆，复合电压闭锁过电流作为后备保护。该方案能较好的满足时效性要求避免长时间等待躲过电机启动的峰值。

因为高压电机工作电压高且容量大，考虑到经济因素变频软启动成本高，因而采用自耦变压器降压的启动经济成本较低，但在实际应用中电机启动电流仍较大没有计算仿真的良好效果，启动电流仍高达额定电流的4.16倍超出预期。因此工厂配电系统的要求足够的变压器容量和继电保护整定值裕量，防止空压机电机过电流保护动作导致电机启动失败。