大型高壓電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)設(shè)計(jì)

摘 要：闡述了企業(yè)6kV電網(wǎng)供電時(shí)，在電網(wǎng)短路容量較小而高壓電機(jī)容量較大情況下起動(dòng)方案的選擇、起動(dòng)設(shè)計(jì)的計(jì)算、分析和確定，以及在實(shí)際開(kāi)車(chē)時(shí)起動(dòng)數(shù)據(jù)的考核等。
關(guān)鍵詞：電網(wǎng)供電；高壓同步電動(dòng)機(jī)；起動(dòng)；設(shè)計(jì)
一、前言
我國(guó)工礦企業(yè)的供電系統(tǒng)很多是采用6kV配電電壓，在6kV配電電網(wǎng)上，如果用電設(shè)備中有大容量（2000kV以上）的高壓電動(dòng)機(jī)，在電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程中，電網(wǎng)電壓會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)，將會(huì)直接影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量和電網(wǎng)上其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行和使用壽命，這種情況是不允許出現(xiàn)的。針對(duì)這一問(wèn)題，在電控設(shè)計(jì)中往往采用降低電動(dòng)機(jī)端電壓的方式進(jìn)行起動(dòng)。因此，在設(shè)計(jì)中，必須根據(jù)電網(wǎng)條件，對(duì)大型高壓電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)進(jìn)行起動(dòng)計(jì)算、校核，選擇正確的起動(dòng)方法和合理的起動(dòng)設(shè)備。
二、電網(wǎng)條件和高壓電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)
1、電網(wǎng)條件
某空分廠電控系統(tǒng)電源來(lái)自上級(jí)降壓站，電壓6kV，降壓站出線側(cè)的最大、最小短路容量為：Smax=230MVA，Smin=130MVA；降壓站至空分廠高壓配電室距離400m，由兩根185mm2銅芯電力電纜并聯(lián)送電，折算到空分廠6kV電纜進(jìn)線處的最大、最小短路容量為：
Sbsmax=Sj/(Sj/Smax+XL)=212.31 MVA
Sbsmin=Sj/(Sj/Smin+XL)=123.46 MVA
式中：Sj—基準(zhǔn)容量，取100MVA；XL—電纜電抗標(biāo)幺值，XL=0.041 Ω
因此，該空分廠6kVA母線的最大、最小容量為：Sbsmax=212.31MVA，Sbsmin=123.46 MVA；空分廠6kVA母線為單母線分段運(yùn)行，3700kW電機(jī)接在Ⅰ段母線上級(jí)，Ⅰ段母線預(yù)接負(fù)荷的無(wú)功功率：Qx=2.10MVA。
2、高壓電機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)
該空分設(shè)備采用沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)的透平空氣壓縮機(jī)，其拖動(dòng)電機(jī)為上海電機(jī)廠生產(chǎn)的T3700-4/1430大型高壓同步電機(jī)。
電機(jī)參數(shù)：額定功率：3700kW；額定電壓：6kV；額定電流：408A；額定容量：4235kVA；起動(dòng)電流倍數(shù)：6倍；功率因素：cosΦ=0.9；頻率：50Hz；轉(zhuǎn)速：1500r/min；電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩相對(duì)值：1.8；機(jī)組靜阻轉(zhuǎn)矩相對(duì)值：0.3；同步電機(jī)牽入轉(zhuǎn)矩相對(duì)值：1.18；飛輪力矩：385kg.m2；電機(jī)最長(zhǎng)允許起動(dòng)時(shí)間：40s；電機(jī)允許連續(xù)起動(dòng)次數(shù)：2次。
三、高壓電機(jī)起動(dòng)方式的確定和設(shè)計(jì)
高壓電機(jī)的起動(dòng)方式取決于：電機(jī)起動(dòng)時(shí)高壓母線上的電壓降是否符合國(guó)家的有關(guān)規(guī)定（起動(dòng)不頻繁的電機(jī)，起動(dòng)時(shí)母線電壓不低于85%的額定電壓）和滿足電機(jī)廠提出的技術(shù)條件，如：上述電機(jī)起動(dòng)時(shí)電機(jī)端電壓不低于4.9kV，起動(dòng)時(shí)間不超過(guò)40s。目前，我國(guó)6kV電網(wǎng)高壓電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式常采用以下兩種：全電壓起動(dòng)（直接起動(dòng)），見(jiàn)圖1（a）；電抗器降壓起動(dòng)，見(jiàn)圖1（b）。

圖1(a)　全電壓起動(dòng)電路圖　　圖1(b) 電抗器降壓起動(dòng)電路圖
起動(dòng)方式選擇：
1、全電壓起動(dòng)，如圖2示

圖2　全電壓起動(dòng)的等值電路
起動(dòng)時(shí)電壓相對(duì)值：

式中：Usb——電機(jī)起動(dòng)時(shí)母線電壓相對(duì)值；Sbs——母線短路容量，為123.46 MVA；Qx——預(yù)接負(fù)荷的無(wú)功功率，為2.1 MVA；Ss——電機(jī)起動(dòng)時(shí)起動(dòng)回路額定輸入容量,MVA；Ss=1/(1/Ssm+XL/U2)；Ssm——電機(jī)額定起動(dòng)容量,Ssm=25.44 MVA；XL——電機(jī)線路電抗值
∵忽略XL，∴Ss=Ssm=25.44 MVA

∴ Usb=0.837＜0.85，不能滿足電機(jī)起動(dòng)時(shí)母線電壓不低于額定電壓85%的要求。因此，不能采取直接起動(dòng)方式。
2、電抗器降壓起動(dòng)（忽略XL，如圖3示）

取：得：Ss≤22.15 MVA

圖3　電抗器降壓起動(dòng)等值電路
取：　 得：　Xx=0.23 Ω
式中：Xx——電抗器電抗值
根據(jù)計(jì)算，起動(dòng)電抗值應(yīng)大于0.23Ω，我們選QKSG2—6500/6型起動(dòng)電抗器，其額定電壓6kV，每相額定電抗值0.6Ω，額定起動(dòng)電流1.9kA，額定起動(dòng)容量6500kVA。該電抗器在電抗值0.6Ω、0.48Ω、0.39Ω處各有一個(gè)抽頭，經(jīng)計(jì)算電抗器降壓起動(dòng)數(shù)據(jù),如表1示。
表1　電抗器降壓起動(dòng)計(jì)算數(shù)據(jù)
Xx
(Ω) Ss
(MVA) Usb Is
(kA) Usm
(kV) Ks Sbs
(MVA)
0.6 17.86 0.875 1.51 5.25 3.70 　
0.48 18.87 0.869 1.60 5.21 3.92 123.46
0.39 20.00 0.862 1.66 5.17 4.07 　

表中：Usm——電機(jī)起動(dòng)端電壓；Is=Usb(Ss/3U)；Ks=Is/Inm
從以上數(shù)據(jù)可知，采用電抗降壓起動(dòng)，既能保證母線壓降不低于85%，又能滿足電機(jī)生產(chǎn)廠對(duì)電機(jī)的起動(dòng)要求。在實(shí)際應(yīng)用中，3700kW電機(jī)選用電抗其中間檔0.49Ω進(jìn)行起動(dòng)，如上表所示：起動(dòng)時(shí)母線電壓0.869kV，電機(jī)端電壓5.21kV，起動(dòng)電流1.6kA，為電機(jī)額定電流的3.92倍，比全電壓起動(dòng)降低了約35%，而電抗器的允許起動(dòng)電流為1.9kA=Isx，Isx＞Is=1.6kA，校驗(yàn)電抗器的過(guò)負(fù)荷能力，也符合要求。
1996年1月在某空分廠3700kW高壓同步電機(jī)帶空氣透平壓縮機(jī)采用電抗器降壓起動(dòng)一次成功。當(dāng)時(shí)電網(wǎng)的母線電壓為6.35kV，電抗器接在0.48Ω檔，起動(dòng)時(shí)母線電壓5.5kV，起動(dòng)電流1.56kA，起動(dòng)時(shí)間25s左右。在后來(lái)的多次起動(dòng)中，均一次順利成功，其起動(dòng)數(shù)據(jù)和上述數(shù)據(jù)基本一致。
四、結(jié)論
從以上設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和開(kāi)車(chē)結(jié)果可以看出，這臺(tái)3700大型同步電機(jī)在上述電網(wǎng)條件下，采用電抗器降壓起動(dòng)的方式是合理的，設(shè)計(jì)計(jì)算也是正確的。而起動(dòng)設(shè)備的投資相對(duì)其他起動(dòng)設(shè)備（如自藕變壓器降壓起動(dòng)）要低，為企業(yè)節(jié)約了投資。