大型高压电动机起动分析与计算研究

神华包头煤化工有限责任公司 王 泓

在某公司项目中，烟气制酸系统中的风机是除项目中的出氧压机以外最高功率高压电动机，其额定电压10kV、额定功率4850kW。项目位于山区，上级站到该项目厂区110kV总降压站主要以架空进线为主，整体系统容量相对较小，同时此风机和项目总降压变电站间距离相对较远，不利于风机起动。结合具体规范要求分析，电动机起动中电动机端电压及母线电压需满足下列要求：电动机起动中电动机端电压需确保满足被拖动机械运行要求的起动转矩，同时在整个配电系统内能促进电压降低，不会对其他设备运行产生任何影响或妨碍；配电母线中没有接照明或其他对电压降敏感负荷，同时电动机不会频繁起动条件下不能小于标称电压80%。

1 配电系统结构和固态软起动装置分析

1.1 配电系统架构

相关项目厂前方设置了总降压变电站，为110kV，选择单母线进行分段接线，合理设置两个25MVA有载调压变压器，为110/10kV，对应阻抗电压是12.5%，上级站到此110kV站主要是选择同塔双回钢芯铝绞线架实施进线处理，一用一热备，各个线路长度是50km。二氧化碳风机相关制酸系统对应10kV配电站同时也是按照单母线进行分段接线，中性点不接地系统。而总降压变电站到10kV配电站间主要利用双回架空进线进行连接，对应导线型号是LGJ-3x300，其中单回路长度1.4km，风机和10kV配电I段母线相接。

1.2 系统参数

电动机相关型号参数：额定电压UeAC10kV，额定功率Pe4850kW，无刷励磁同步电动机，额定电流In323A，额定转速ne每分钟1500转，全压起动电流倍数为5，励磁电压是AC110V，起动转矩倍数是1.2，励磁电流是6A，电动机效率是96.4%，功率因数为0.9；风机机械参数：所需风机为德国进口KK&K风机，负载最大转矩11238Nm，负载静阻转矩为47938Nm负载转动惯量2558.58kg·m2。

电网系统参数：联系110kV的总降文件相关设计参数，上级220kV侧短路容量可根据无穷大数值进行充分考虑。通过对该冶炼厂中110kV入口对应的短路电流进行计算，得出入口侧短路电流是2.31kA，而对应短路容量是460.1MVA。对应10kV制酸系统母线短路电流数值为5.27kA，相关短路容量是95.87MVA。10kV总降母线中的短路电流数值为8.63kA，而短路容量是156.95MVA[1]。

图1 配电系统框图

1.3 晶闸管软起动装置

为了针对电动机相关起动电流进行合理控制，缩减电动机起动电流在电网方面的影响冲击，以及风机自身运行中所遭受的机械冲击，应针对风机合理设置晶闸管软起动设备。而相对液态软起动装置的晶闸管形式软起动装置普遍也会被叫做固态软起动装置，其中晶闸管形式的软起动装置主要是结合晶闸管之间相控调压等基础原理，结合晶闸管自身可控导通特征，再针对其中的相控α角进行调整，帮助定子中对应添加的电压均方根值进行合理改善，最终对电动机电压的无触点通断以及平稳升降进行合理控制，促进电动机实现平稳起动，是一种移相软起动技术。借助该项技术，能够通过电动机起动最小需求电流直接起动电动机，降低电网冲击，控制设备振动，缩小起动机械应力，促进电动机以及对应设备应用寿命的有效延长。因为在晶闸管相关耐压限制下，在应用到某些大型的中高压电动机过程中应通过晶闸管实施串联处理。

软起动装置在实际应用中体积较小、应用方便、控制灵活，同时拥有良好的起动性能。因为电力电子器件是和高压回路进行直接串联，因此直接承担了电网中的高电压，需针对串联晶闸管实施降压处理，影响了系统整体可靠性。同时在移相调压原理影响下，使得电动机定子中的加载电压存在相应的谐波，而谐波大小和负载功率因数以及晶闸管导通角之间具有密切联系，相关谐波同样会对电动机和电网造成一定威胁和损坏。固态软起动器相关控制方式主要包括软停控制、恒压控制、限流控制以及斜坡电压控制。而软起动本身配置了相对完善的旁路功能，在正式起动后能自动切换至旁路运行。

斜坡电压控制方面，在电动机起动中，根据一开始的初始电压以及软起动时间，软起动装置能够参考相应的步距值对电动机电压进行合理控制，使其能够随着时间呈现出一种线性上升趋势，在达速后投入全电压；限流控制中，电动机于起动中根据设计初始电压进行起动操作，随后对电流进行控制，使其能快速达到某种限流值，后期软起动装置能进行合理控制，使其维持在恒定电流状态，直到最终电动机达速为止；恒压控制中，电动机于起动中根据设计恒定电压进行起动操作，直到电动机达速为止。

在软停控制中，接收了软停相关指令信息后，控制、触发电路对应晶闸管将会再次全面开通，随后旁路接触器实施分闸操作，控制和触发电路，对应晶闸管导通角逐渐开始从全导通减小，促进电动机对应三相电压从最初的额定值开始降低，到最终晶闸管彻底关断为止，电动机相关转速也逐渐减小，到最终停车；同步电动机选择软起动装置进行驱动处理，普遍会选择异步起动方式，等到同步电动机转速达到某种亚同步速度条件下，可以继续将强励磁投入其中，同时针对电动机转速通过亚同步顺利拉入同步，同切10kV旁路柜，促进电动机的正常运行。

2 起动分析计算

2.1 起动转矩校验

电动机起动需满足以下条件：电动机的起动转矩应超出风机和电动机对应静阻力矩；在电动机起动中，在电压降能方面的控制应维持在国家规定要求内，进一步削弱其对于其他设备不良影响。电动机额定转矩Me=9550Pe/ne=9550×4850/1500=30878.33Nm。通过固态软起动装置进行相关操作，起动电流是额定电流3倍左右，通过计算得到对应转矩结果。结合风机厂家所提供的相关静阻力矩参数分析，电动机对应降压起动转矩是0.432Me，超出风机以及电动机对应静阻力矩0.16Me，符合相关条件要求[3]。

2.2 母线压降校验

对电动机起动状态下制酸系统10kV母线电压降进行有效计算，电动机起动相关计算公式如下：ustm=(Skm+Qkm)/(Skm+Qkm+Sst)，SstM=kstSrm，式中ustm是母线标称电压的相对值，Skm是母线的短路容量，单位是MVA，Qkm是预接负荷对应无功功率，MVar,Sst是起动回路对应额定输入容量，MVA，SstM是电动机的额定容量，MVA；kst是电动机起动中的电流倍数，UrM是电动机额定电压，单位是kA，IrM则是电动机的额定电流，单位是kA。在电动机实施全压起动条件下，结合设备资料分析，相关电动机对应起动电流数值为5IN,得出Srm是5.59MVA，而SST=SstM=27.97MVA。

在载器中母线电压相对值。如果已知硫酸侧对应10kV侧最低短路容量是95.87MVA，则电动机起动中硫酸10kV母线电压相对值如下：U=Smin/(Smin+S′)=95.87/(95.87+27.97)=77.4%＜85%，不 满足相关要求。如果总降10kV侧的短路容量数值最低是156.95MVA，则电动机起动中，相关电网电压相对值为：U=Smin/(Smin+S′)=156.95/(156.95+27.97)=84.87%＜85%，不满足相关要求。

根据软起动装置对起动电流限制为额定电流三到四倍进行计算，取3In,SST=SstM=16.78MVA。该种条件下，电机起动中硫酸系统内部10kV母线电压相对值为：U=Smin/(Smin+S′)=95.87/(95.87+16.78)=85.1%，和85%相近，因此判断从理论层面上满足具体要求，但在试车操作中相关压降远超出15%。该种条件下总降10kV母线电压相对值为：U=Smin/(Smin+S′)=156.95/(156.95+16.78)=90.34%＞85%。

3 整改措施和校验

参数优化。厂家针对软起动装置控制板程序实施了全面优化处理，联系现场实际发展状况，初步选择改进形式的限流起动控制方法，能够针对电动机起动中对应起动电流形成有效限制。

降低系统阻抗。调整系统运行模式，促进总降压变电所内部两个主变压器实现并列运行，而制酸系统对应10kV站可以选择双回路并网供电，合母联开关QF4能够有效控制系统阻抗，提升系统整体容量，等待电动机正常操作中实施解列操作。该种条件下，制酸系统对应10kV侧短路容量是8.73kA，计算短路容量为SL3=158.76MVA,SST=SstM=16.78MVA，U=Smin/(Smin+S′)=90.4%＞85%，满足电机起动中对于母线电压降相关要求。

整改前的10kV配电站电压最低减少到7.75kV，折算电压降达到22.5%，而实施全面整改后，电压最低降到8.68kV，折算电压降低达到13.2%。通过实验验证发现，风机起动电网压降呈现为正常状态，制酸系统对应10kV母线相关最大压降控制在有效范围内，从而进一步满足电动机起动中关于母线电压降基础要求，同时控制风机起动中对于各种设备和电网的影响与冲击。

综上，随着有色冶炼规模持续发展扩大，冶炼工程中所涉及的氧压机、二氧化碳风机等运行设备对应功率也持续提升，而相关设备起动会对电网以及周边运行负荷产生直接影响。为此需要采取有效措施针对相关大功率、高压设备实施有效的电机起动验算。