大型同步電動機(jī)的起動問題分析

王德成 丁建華 范衛(wèi)民

（1.金川集團(tuán)公司動力廠，甘肅 金昌 737100；2.綏化學(xué)院，黑龍江 綏化 152300）

1 大型同步電動機(jī)的起動

高壓同步電動機(jī)具有可調(diào)的功率因數(shù)和輸出轉(zhuǎn)矩對電網(wǎng)電壓波動不敏感等優(yōu)點(diǎn)，適合于恒轉(zhuǎn)速負(fù)載，在大功率的空氣壓縮機(jī)、大型鼓風(fēng)機(jī)等沒有速度調(diào)節(jié)要求的設(shè)備上得到廣泛應(yīng)用。除早期采用的液力耦合器起動方式外，目前采用的起動方法有三種：輔助電動機(jī)起動法、調(diào)頻起動法、異步起動法。綜合分析技術(shù)、投資、起動可靠程度和現(xiàn)場應(yīng)用實踐等因素，大型同步電動機(jī)最常用的起動方式是異步起動[1-2]。異步起動方式是指先接入定子電源開始起動，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到準(zhǔn)同步速度（即同步轉(zhuǎn)速的95%）及以上時，切除降壓電阻投入勵磁，使電機(jī)由準(zhǔn)同步運(yùn)行至額定同步轉(zhuǎn)速，完成起動過程。考慮到起動時的電流沖擊和機(jī)械沖擊，工程上較多采用自耦變壓器、液態(tài)電阻（本文主要指水電阻）、電抗器等限流降壓起動技術(shù)。

在某企業(yè)生產(chǎn)流程中大多采用大型同步電動機(jī)作為大型空氣壓縮機(jī)、通風(fēng)機(jī)、水泵等的驅(qū)動設(shè)備，現(xiàn)場三種起動方式都有應(yīng)用。運(yùn)行實踐表明，液態(tài)電阻起動方式因其起動過程可預(yù)測、時間可控制，起動電流小（2.0～3.5 倍額定電流），起動過程功耗小、無諧波污染，起動設(shè)備安全可靠、操作方便、經(jīng)濟(jì)實惠等優(yōu)勢，受到現(xiàn)場技術(shù)人員的認(rèn)可[3-4]。但在運(yùn)行中時常有機(jī)組無法正常起動現(xiàn)象，影響生產(chǎn)。

2 22500Nm3/h 制氧機(jī)組的12100kW 驅(qū)動電機(jī)起動實例

2.1 設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

表1 制氧機(jī)組驅(qū)動電機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.2 起動電源及起動對供電系統(tǒng)的要求

電動機(jī)電源接線和起動回路如圖1所示。

圖1 空氣壓縮機(jī)供電系統(tǒng)圖

設(shè)計空氣壓縮機(jī)帶葉輪起動對必須滿足下列起動條件：供電系統(tǒng)起動容量200～250MVA，起動電流（3.2～3.5）Ie（電動機(jī)額定電流），堵轉(zhuǎn)電流3.5Ie，起動電壓6.1～6.3kV，采用定子回路中性點(diǎn)串聯(lián)液態(tài)電阻降壓起動，起動前初始水電阻阻值為6.1kV時0.75～0.82，6.3kV 時0.78～0.86。電動機(jī)使用無刷勵磁裝置，勵磁柜具有勵磁控制功能、電機(jī)起動和運(yùn)行功能、主電機(jī)保護(hù)功能，起動時18s 轉(zhuǎn)速達(dá)不到額定轉(zhuǎn)速的75%時，自動跳閘，起動時間50s（即依據(jù)轉(zhuǎn)速投勵時間）內(nèi)電機(jī)起動電流需下降到1.2 倍的額定電流，否則要求起動電流超時保護(hù)跳閘。

2.3 起動過程及現(xiàn)象

某日制氧機(jī)組按生產(chǎn)安排開機(jī)，圖1中40000kVA 變壓器未投運(yùn)，按下空壓機(jī)起動按鈕，18s后主電機(jī)勵磁柜連鎖保護(hù)跳閘，勵磁柜PLC 顯示信息為“同步電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測跳閘”。現(xiàn)場人員對該空壓機(jī)導(dǎo)葉等重點(diǎn)部位及起動參數(shù)進(jìn)行了檢查，未見異常。電氣人員對空壓機(jī)起動邏輯、高低壓開關(guān)柜、勵磁柜、主電機(jī)、水電阻等相關(guān)電氣設(shè)備進(jìn)行檢查，并與過去起動成功的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，認(rèn)為起動不成功是供電母線電壓較低，起動電流值偏小，造成主電機(jī)起動在18s 內(nèi)沒有達(dá)到75%額定轉(zhuǎn)速發(fā)出跳閘信號。記錄電流數(shù)據(jù)見表2。

表2 第一次起動供電系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)與 成功起動數(shù)據(jù)比較

調(diào)整63000kVA 變壓器有載開關(guān)，將電動機(jī)運(yùn)行母線電壓調(diào)至6.2kV 后再次起動，再次跳閘，現(xiàn)象同第一次。起動過程圖1中A 柜微機(jī)綜合保護(hù)裝置記錄的電壓、電流數(shù)據(jù)見表3。

表3 后兩次起動失敗的實測數(shù)據(jù)

再次安排人員對機(jī)械和電氣回路及設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)的檢查，仍未見異常。通過對第二次起動電流數(shù)值與初次成功起動值比較，偏小，認(rèn)為起動電流偏小的原因可能是液態(tài)電阻值不滿足要求。隨即測量起動回路的水電阻阻值見表4。實測值與水電阻初始阻值比較確實發(fā)生了變化，于是將水電阻阻值調(diào)整到表4所列初始的阻值后，第三次起動，50s后勵磁柜連鎖保護(hù)跳閘，勵磁柜PLC 顯示信息為“同步電機(jī)起動電流超時跳閘”。起動時實測的電壓和電流數(shù)據(jù)見表3。

表4 起動回路水電阻阻值對照表

2.4 另一例起動未成功實例

另一臺同樣的空壓機(jī)在首次起動失敗后測量液態(tài)電阻阻值為1.2～1.4，加入適量的電阻劑將水電阻初始阻值降到0.81～0.84后起動，起動時間達(dá)到70s 時未成功，手動打閘中止起動。經(jīng)檢查起動過程中水電阻設(shè)定極板調(diào)整時間完成，旁路開關(guān)未合閘，起動電流達(dá)到3.5kA，勵磁裝置顯示勵磁未投入。

3 起動過程分析

根據(jù)同步電機(jī)的起動特性，電機(jī)能否起動關(guān)鍵在于起動時異步力矩能否克服機(jī)組阻力矩。異步力矩的產(chǎn)生及強(qiáng)弱，取決于供電電源電壓和電流。當(dāng)電機(jī)起動電壓降低時，電流及力矩關(guān)系式為

式中，Iq為電壓降低時的電機(jī)起動電流，A；Iqe為電機(jī)全壓起動時的額定起動電流，A；Mq為電壓降低時的電機(jī)起動力矩標(biāo)么值；Mqe為電機(jī)全壓起動時的額定起動力矩標(biāo)么值；K一壓降系數(shù)（＜1）。

由以上關(guān)系式得知，壓降系數(shù)K是決定電機(jī)起動的重要因素。電壓降系數(shù)的大小取決于為電動機(jī)供電的供電系統(tǒng)的容量和起動回路的阻抗[1]。

3.1 起動不成功原因簡析

空氣壓縮機(jī)的起動故障一般分為電氣故障和機(jī)械故障，本文對因機(jī)械等原因引起的起動不成功不做詳細(xì)的分析，僅對電氣故障進(jìn)行分析探討。分析三次起動過程中圖1所示的A 柜微機(jī)綜合保護(hù)裝置的電流和電壓變化曲線及數(shù)值，三次起動未成功均是電動機(jī)保護(hù)動作跳閘所致。經(jīng)事后檢查第三次跳閘的主要原因是起動過程中壓縮機(jī)三級葉輪損傷，負(fù)載過大。另一例起動不成功經(jīng)檢查和分析是因空壓機(jī)入口導(dǎo)葉開度過大電動機(jī)帶載起動所致。說明電動機(jī)保護(hù)動作是正確的。似乎與電氣回路沒有關(guān)系？那前兩次起動不成功是什么原因造成的呢？仔細(xì)分析前兩次起動過程的數(shù)據(jù)和起動電流電壓曲線后，我們發(fā)現(xiàn)電機(jī)跳閘前起動過程中的電流變化是不一樣的，不考慮負(fù)載的影響，起動回路的液態(tài)電阻和供電系統(tǒng)的調(diào)整對此同步電動機(jī)的起動影響雖沒有機(jī)械故障明顯，但對成功起動的作用不能忽視，實際運(yùn)行經(jīng)驗也證明上述分析的正確性。

3.2 液態(tài)電阻阻值對起動的影響

定子側(cè)串入液態(tài)電阻本質(zhì)上屬于降壓起動，也就是提高壓降系數(shù)K。對于大功率高壓籠型同步電動機(jī)而言，在電網(wǎng)短路容量及變壓器容量不是足夠大或瞬時機(jī)械沖擊過大時，是最佳起動方式之一。液態(tài)電阻由3 個裝滿電解質(zhì)的容器組成。每相液態(tài)電阻內(nèi)部有2 個電極：1 個固定電極，3 個固定電極連接在一起形成星點(diǎn)；另一個移動電極用來改變液態(tài)電阻起動過程的阻值。液態(tài)電阻是依靠電解質(zhì)正負(fù)離子移動形成電流，控制電解質(zhì)濃度來控制載流子數(shù)量，也就能控制液態(tài)電阻阻值。液態(tài)電阻的初始阻值和極板間的初始距離及起動過程中的調(diào)整是按同步電機(jī)的起動特性實現(xiàn)設(shè)置好的，靠PLC 控制。液態(tài)電阻的電化學(xué)性能與導(dǎo)電介質(zhì)的穩(wěn)定性、電液的發(fā)熱、散熱與液箱容積、起動過程中電液阻值在變化中的三相平衡性、柔性傳動中的極板運(yùn)動及限流響應(yīng)速度等都會影響液態(tài)電阻的阻值。受上述因素影響的液態(tài)電阻阻值與起動過程的設(shè)計值若相差較大，會造成壓降系數(shù)K變化，使起動過程偏離了設(shè)計的起動過程，有可能出現(xiàn)起動失敗。

從起動不成功的過程分析，起動過程中液態(tài)電阻阻值的變化對起動電流的變化較大。本次起動前的液態(tài)電阻的初始值明顯與歷史上成功起動時的值不同，說明液態(tài)電阻已經(jīng)發(fā)生了大的變化，而在起動前現(xiàn)場人員憑經(jīng)驗認(rèn)為沒有變化，對起動沒有影響。因此，主要原因應(yīng)是與上次起動之間間隔時間近3 個月，液態(tài)電阻受溫度、極板腐蝕和自然蒸發(fā)等影響，電阻發(fā)生了變化，不能滿足設(shè)計的要求。從第三次起動過程的電流中看后兩次起動前調(diào)整電壓和調(diào)整液態(tài)電阻阻值都對起動電流有影響，間接影響了起動過程的電壓降系數(shù)。另一臺同型電機(jī)的液態(tài)電阻初始值變化也說明液態(tài)電阻阻值在每次起動前是有變化的，而且變化值較大，嚴(yán)重影響起動。

3.3 供電系統(tǒng)對起動的影響分析

從圖1中可看出，電機(jī)起動時供電方式有3 種：單臺63000kVA 主變供電、單臺40000kVA 主變供電、兩臺主變并聯(lián)供電。在63000kVA 主變供電回路串接有大容量高速開關(guān)（FSR，其作用為正常運(yùn)行時接入回路，短接電抗器，減少電抗器的運(yùn)行能耗，其電阻5～20m可不計。若電抗器后側(cè)短路，在不大于0.5ms 的時間快速熔斷，將電抗器接入，限制短路電流），與電抗器并聯(lián)。圖2為電機(jī)起動回路的等效阻抗圖。假設(shè)為電動機(jī)供電的6kV 母線短路，在圖2基礎(chǔ)上做電機(jī)起動回路的短路計算。

圖2 電機(jī)起動回路阻抗圖

在110kV 系統(tǒng)大、小運(yùn)行方式下及電抗器投入和退出時，分別計算3 種供電方式下6kV 母線的短路容量見表5。

表5 6kV 母線短路容量計算結(jié)果

從表5的計算結(jié)果分析，在系統(tǒng)小方式下，40000kVA 主變供電方式和63000kVA 主變電抗器投入的方式系統(tǒng)容量很難滿足電機(jī)起動的要求；其他供電方式下，系統(tǒng)的短路容量都能滿足電機(jī)起動對系統(tǒng)容量的要求，但一旦出現(xiàn)系統(tǒng)電壓偏低、回路阻抗變化或負(fù)載輕微變化，有可能造成起動不成功。同時可知，各種方式下起動時對起動過程的保障程度是不同的，供電方式的變化對電機(jī)起動的成功率影響較大。在本臺電機(jī)的起動設(shè)計時已考慮到此因素，用40000kVA 主變作為電機(jī)起動的備用變壓器，在系統(tǒng)變化容量不能滿足要求時與63000kVA 主變并列運(yùn)行提供起動電源。

在實例中，第一次起動前，適逢供電系統(tǒng)最近的一臺150MW 發(fā)電機(jī)檢修停運(yùn)，系統(tǒng)電壓與前比較偏低，電抗器因高速開關(guān)（FSR）故障投入運(yùn)行，供電系統(tǒng)條件接近小方式下單臺63000kVA 主變供電，從計算結(jié)果看存在起動不成功的可能性。我們采用兩臺主變并列運(yùn)行的方式為電機(jī)提供起動電源，電機(jī)單體起動正常，起動時間47s，起動瞬間母線電壓5.77kV，電流3393kA。與空壓機(jī)聯(lián)機(jī)起動一次成功。另一臺同樣未成功起動的電機(jī)起動時也采用上述運(yùn)行方式，成功起動。

該企業(yè)有6600kW 的SO2風(fēng)機(jī)也出現(xiàn)過類似的起動不成功，分析當(dāng)時的供電系統(tǒng)狀況，恰逢上級變電所一臺63000kVA 主變檢修，投運(yùn)40000kVA 備用變壓器，起動前母線線電壓5.92kV，起動瞬間母線相電壓降至3.39kV。后倒至另臺63000kVA 主變所在母線段，起動成功。

4 結(jié)論

通過上述幾例大型同步電動機(jī)起動不成功的案例分析，認(rèn)為，大型同步電機(jī)采用液態(tài)電阻起動優(yōu)于其他起動方式，維護(hù)調(diào)整方便、容易滿足起動要求，排除機(jī)械部分的原因，大型同步電機(jī)起動不成功的主要原因應(yīng)是液態(tài)電阻阻值變化和供電系統(tǒng)容量不滿足起動條件。由此我們得出如下啟示：

1）大型同步電動機(jī)在供電回路的設(shè)計時要進(jìn)行供電系統(tǒng)各種可能的運(yùn)行方式下短路容量的計算，使供電回路充分滿足起動容量的要求，在設(shè)計階段做到避免多次起動。

2）現(xiàn)場運(yùn)行人員和技術(shù)人員要了解大型電機(jī)初始投運(yùn)的技術(shù)條件，總結(jié)和積累成功起動的歷史數(shù)據(jù)，建立完善的技術(shù)檔案。

3）液態(tài)電阻受環(huán)境和運(yùn)行時間的影響較大，在每次電機(jī)起動投運(yùn)前要測試阻值，并調(diào)整，確保達(dá)到初始要求的值；對廠家提供的“3～5年不檢修，僅適量加水”的維護(hù)要求要慎重對待。

4）目前運(yùn)用的液態(tài)電阻起動方式大多是按起動時間由PLC 控制和調(diào)整極板，從而調(diào)整起動電阻來滿足電機(jī)起動過程中對起動電流的要求，每次起動過程不完全相同。再次起動前需要對每次起動過程的數(shù)據(jù)和電流波形分析，起動條件做些適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，確保一次起動成功。

5）電機(jī)起動前，技術(shù)人員要檢查供電系統(tǒng)的條件能否滿足設(shè)計的起動技術(shù)要求，重點(diǎn)關(guān)注母線電壓、上級變電所的運(yùn)行方式，必要時申請調(diào)整運(yùn)行方式。

6）依據(jù)電機(jī)的容量和拖動的機(jī)械設(shè)備的特點(diǎn)、生產(chǎn)要求，對大型電機(jī)起動次數(shù)要做出規(guī)定，建議一次不成功要重點(diǎn)分析、查明原因，兩次不成功原因不明或故障未排除不允許起動第三次。

[1] 《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊》編委會.鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊(下冊)[M].北京: 冶金工業(yè)出版社,1996.

[2] 宋吉祥.大型同步電動機(jī)異步起動過程中故障原因 分析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2013(4): 111.

[3] 羅一鐘.高壓液態(tài)電阻軟起動裝置在大型同步電動機(jī)的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)電,2008(4): 104-105.

[4] 吉文清,何美華,毛廣海.電動機(jī)液態(tài)電阻軟起動器在礦渣粉磨系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊,2010(6): 37-38.