大型同步高壓電機在高濃盤磨系統(tǒng)的應(yīng)用

李建橋

(福建省青山紙業(yè)股份有限公司，福建三明，365056)

高濃盤磨系統(tǒng)可以增加木漿纖維之間的摩擦力，加劇纖維的帚化，在一定程度上避免了打漿設(shè)備刀刃對纖維的切斷作用[1]。該系統(tǒng)不僅能保留纖維長度，還能使磨漿后的紙漿纖維切斷少，纖維束少，濾水性能好，使抄造的紙張具有較高的撕裂度、伸長率和耐破度[2]。因此福建省青山紙業(yè)股份有限公司引進了一套安德里茲公司生產(chǎn)的高濃盤磨系統(tǒng)，該盤磨系統(tǒng)包括雙網(wǎng)擠漿機、破碎機、螺旋輸送機、帶式喂料機、高濃盤磨等，其中高濃盤磨是高濃磨漿系統(tǒng)的核心設(shè)備。高濃盤磨要求電機轉(zhuǎn)速1500 r/min，最大功率6000 kW，重載啟動轉(zhuǎn)矩10.2 kN·m。主電機在啟動過程中6 kV母線上允許的電壓降要小于10%。

1 主電機選型及配置

為了滿足高濃盤磨的需要，分析了異步電機和同步電機的優(yōu)缺點，由于同步電動機有轉(zhuǎn)速恒定、功率因數(shù)可調(diào)、運行效率高等諸多優(yōu)點，因此選擇了西門子公司生產(chǎn)的無刷同步高壓電機。選配的同步電機參數(shù)為：額定功率6000 kW、額定電壓6000 V、額定轉(zhuǎn)速1500 r/min、主勵磁電壓26 V、主勵磁電流1017 A、副勵磁電壓45.2 V、副勵磁電流6.9 A，冷卻方式采用IC 81 W水冷方式，IP55防護等級，額定轉(zhuǎn)矩38.2 kN·m，功率因數(shù)0.95。

高濃盤磨主電機電源取自熱電廠3#主變，熱電廠要求在電機啟動過程中壓降不能超過10%，熱電廠電網(wǎng)有關(guān)數(shù)據(jù)為：3#主變額定容量SrT=20 MVA，6 kV母線最小短路容量SscB=126 MVA，預(yù)接負荷的無功功率QL=4 MVar，供電線路電纜型號為兩根600 m長的YJV-10kV 3×240 mm2電纜，主電機直接啟動電流倍數(shù)kst=4，為了滿足盤磨啟動要求，對主電機直接啟動、電抗器降壓啟動、自耦變壓器降壓啟動和變頻器降壓啟動進行分析比較。

1.1主電機直接啟動電網(wǎng)的壓降計算

主電機直接啟動方案如圖1所示。主電機直接啟動時啟動轉(zhuǎn)矩大，對電網(wǎng)的要求較高，如果電機直接啟動時系統(tǒng)壓降太大，會影響同一母線下其他電氣設(shè)備的正常運行。

圖1 主電機直接啟動方案

1.1.1主電機的額定容量

主電機的額定容量計算見公式(1)。

=1.732×6×0.62=6.44 (MVA)

(1)

式中，SrM為主電機的額定容量，MVA；UrM為主電機的額定電壓，kV；IrM為主電機的額定電流，kA。

1.1.2主電機直接啟動的額定啟動容量

主電機直接啟動的額定啟動容量計算見公式(2)。

SstM=kstSrM

=4×6.44=25.76 (MVA)

(2)

式中，SstM為主電機直接啟動時的額定啟動容量，MVA；kst為主電機直接啟動時的啟動電流倍數(shù)，為額定電流的4倍。

1.1.3電纜線路電抗值

電纜線路電抗值計算見公式(3)。

(3)

式中，Xl為電纜線路的電抗，Ω；x為電纜線路單位長度的電抗，經(jīng)查表YJV-10 kV 3 ×240 mm2三相線路電纜每公里每相電抗值為0.087 Ω/km；l為電纜線路的長度，km。

1.1.4主電機直接啟動時啟動回路的計算容量

主電機直接啟動時啟動回路的計算容量見公式(4)。

(4)

式中，Sst為主電機直接啟動時啟動回路的計算容量，MVA；Uav為系統(tǒng)平均電壓，6 kV。

1.1.5主電機直接啟動時母線電壓相對值

主電機直接啟動時母線電壓相對值計算見公式(5)。

=85.22%<90%

(5)

式中，ustB為主電機直接啟動時母線電壓相對值；us為電源母線電壓相對值，取1.05；SscB為6 kV母線最小短路容量，126 MVA；QL為預(yù)接負荷的無功功率，4 MVar；Sst為主電機直接啟動時啟動回路的計算容量，MVA。

由于主電機直接啟動時母線電壓相對值ustB為85.2%，小于90%，因此母線電壓降大于10%，需要采取降壓啟動的方式。

1.2電抗器降壓啟動計算

電抗器降壓啟動是電機定子繞組串一個三相電抗器，限制電機啟動電流，使電機啟動時一部分電壓降落在電抗上，于是電機上的電壓就低于電網(wǎng)電壓，當電動機啟動到接近額定轉(zhuǎn)速時，將電抗器短接，使電機在額定電壓下正常運行[3]。

圖2 電抗器降壓啟動方案

1.2.1電抗器降壓啟動時的額定啟動容量

電抗器降壓啟動時的額定啟動容量計算見公式(6)。

=2.29×6.44=14.75 (MVA)

(6)

1.2.2電抗器使用不同抽頭時啟動回路的計算容量

電抗器使用不同抽頭時啟動回路的計算容量見公式(7)。

(7)

1.2.3電抗器使用不同抽頭時母線電壓相對值

電抗器使用不同抽頭時母線電壓相對值計算見公式(8)。

(8)

1.2.4電抗器降壓啟動時啟動轉(zhuǎn)矩

電抗器降壓啟動時啟動轉(zhuǎn)矩的計算見公式(9)。

TST=k2TN

=0.612×38.2

=14.2 (kN·m)>10.2 (kN·m)

(9)

式中，TST為主電機帶電抗器降壓啟動時電機啟動轉(zhuǎn)矩值，kN·m；k為電抗器降壓啟動時的減壓比，取0.61；TN為主電機額定啟動轉(zhuǎn)矩，kN·m。

經(jīng)過計算，使用電抗器0.96、1.00、1.04 Ω3個抽頭分別降壓啟動時，母線電壓相對值分別為94.17%、94.25%、94.33%，均大于90%；啟動轉(zhuǎn)矩TST為14.2 kN·m，大于10.2 kN·m，因此電抗器降壓啟動時電網(wǎng)壓降小于10%，啟動轉(zhuǎn)矩大于10.2 kN·m，滿足啟動要求。

1.3自耦變壓器啟動壓降計算

自耦變壓器啟動是指電動機啟動時利用自耦變壓器來降低加在電動機定子繞組上的啟動電壓，待電動機啟動后，再使電動機與自耦變壓器脫離，從而在全壓下正常運行。

本項目自耦變壓器降壓啟動方案如圖3所示，自耦變壓器在70%、75%、80%處各有1個抽頭，對應(yīng)啟動電流分別為1436、1538、1641 A，額定容量分別為10.45、11.99、13.64 MVA。

圖3 自耦變壓器降壓啟動方案

1.3.1自耦變壓器電壓取不同抽頭時的啟動電流倍數(shù)

不同抽頭自耦變壓器啟動電流倍數(shù)的計算見公式(10)。

(10)

1.3.2不同抽頭自耦變壓器降壓啟動時額定啟動容量

不同抽頭自耦變壓器降壓啟動時額定啟動容量的計算見公式(11)。

(11)

1.3.3不同抽頭自耦變壓器啟動時啟動回路的計算容量

不同抽頭自耦變壓器啟動時啟動回路的計算容量見公式(12)。

(12)

1.3.4不同抽頭自耦變壓器啟動時的母線電壓相對值

不同抽頭自耦變壓器啟動時母線電壓相對值的計算見公式(13)。

(13)

1.3.5自耦變壓器不同電壓抽頭啟動時電機啟動轉(zhuǎn)矩值

自耦變壓器不同電壓軸頭啟動時電機啟動轉(zhuǎn)矩計算見公式(14)。

(14)

經(jīng)過計算，使用自耦變壓器70%、75%、80% 3個抽頭降壓啟動時，母線電壓相對值usTB分別為：96.38%、95.23%、93.94%，均大于90%；啟動轉(zhuǎn)矩Tst分別為：18.718 kN·m、21.488 kN·m、24.488 kN·m，均大于10.2 kN·m，因此自耦變壓器降壓啟動方式電網(wǎng)壓降小于10%，啟動轉(zhuǎn)矩大于10.2 kN·m，滿足啟動要求。

1.4變頻器降壓啟動

變頻器降壓啟動方案如圖4所示。由圖4可知，6 kV母線先經(jīng)過4.7 MVA的降壓變壓器降到2.8 kV，降壓后通過3.66 MW的中壓變頻器調(diào)節(jié)電機頻率和電壓，再經(jīng)過4.3 MVA升壓變壓器將電壓升高為主電機提供電源，變頻器啟動對電網(wǎng)要求最小，啟動電流小，性能最好。

圖4 變頻器降壓啟動方案

以上3種降壓啟動的方案都能滿足系統(tǒng)壓降的要求。變頻器性能最好，但是價格最高，而且高濃盤磨運行時不需要調(diào)速，因此不選擇變頻器方案。高濃盤磨在啟動過程中有時需要重載啟動，因為高濃盤磨非正常停機時，磨片之間會留有木漿，清洗不徹底時電機重新啟動需要較大的啟動力矩。在同樣的電壓變比情況下，自耦變壓器的啟動力矩比電抗器啟動力矩大，而且啟動電流小。因此最終采用自耦變壓器降壓啟動方案。

2 主電機綜合保護

由于西門子同步電機造價昂貴，因此在使用過程中電機的運行保護就顯得格外重要。主電機在運行過程中的保護主要是由勵磁柜中的7UM6215綜合保護器完成，保護功能有差動保護、定子接地保護、過載保護、過流保護、短路保護、過電壓保護、低電壓保護、頻率保護、欠勵保護、不平衡負載保護等。

2.1主電機的繼電保護

2.1.1電流速斷保護整定值

電流速斷保護整定值的計算見公式(15)。

=10.68 (A)

(15)

式中，IOP，K為保護裝置的動作電流，A；Krel為可靠系數(shù)，用于電流速斷保護時取1.3；Kcon為接線系統(tǒng)，接于相電流時取1.0；Kst為電動機啟動電流倍數(shù)；IrM為電動機額定電流，A；nTA為電流互感器變比。

2.1.2過負荷保護整定值計算

過負荷保護整定值的計算見公式(16)。

=3.79 (A)

tOP=(1.1～1.2)tst

=(1.1～1.2)×9

=9.9～10.8 (s)， 取11s

(16)

式中，Krel為可靠系數(shù)，用于過負荷保護時動作于跳閘取1.1；Kr為繼電器返回系數(shù)，取0.9；tst為電機實際啟動時間，取9 s；tOP為保護裝置的動作時限，s。

2.1.3電動機差動保護

(1) 差動保護的啟動電流

差動保護的啟動電流計算見公式(17)。

=0.62～1.24 (A)

取0.62 A，延時0.15 s

(17)

式中，ID，ST為差動保護的啟動電流，A；IrM為電動機額定電流，A；nTA為電流互感器變比。

(2)差動保護速斷動作電流

差動保護速斷動作電流計算見公式(18)。

=2.5×3.1=7.75 (A)

(18)

3 結(jié) 語

高濃盤磨主電機采用自耦變壓器降壓啟動方式，啟動過程平穩(wěn)、啟動壓降滿足工廠電網(wǎng)要求，啟動轉(zhuǎn)矩滿足生產(chǎn)需要。西門子公司的無刷同步電機保護完善，在福建省青山紙業(yè)股份有限公司運行多年，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，安全可靠，保障了高濃盤磨系統(tǒng)穩(wěn)定生產(chǎn)。但是也出現(xiàn)過跳閘現(xiàn)象，比如高濃盤磨刀盤磨損嚴重后會出現(xiàn)震動跳閘；冬季環(huán)境溫度低時潤滑油站的壓力和流量會波動，導(dǎo)致主電機跳閘；由于外部設(shè)備故障導(dǎo)致主電機跳閘3次，重新啟動電機需要等待8 h以上，影響正常生產(chǎn)。因此平時還需要精心維護，不斷深入研究，及時發(fā)現(xiàn)排除運行過程中的安全隱患，才能確保電機的穩(wěn)定長期運行。