一拖二高壓變頻軟啟動系統在煉化企業中的應用

馬思眾

（中國石油天然氣股份有限公司寧夏石化分公司，寧夏 銀川 750021）

0 引 言

催化裝置是煉化企業的核心裝備。隨著近些年大型煉化企業的快速崛起，作為催化裝置的最主要設備，主風機系統的容量不斷增加。以某煉油廠催化裝置為例，主風機動力系統由一臺額定功率25 MW的電動機和一臺18 MW的電動機提供。根據生產需要，兩臺電動機一用一備，且不會同時啟動。因此，通過選擇合理的接線方式和控制方式，可以實現一臺高壓變頻器分時啟動兩臺電動機（即一拖二系統），節省項目資金投入，降低后期維護成本。

1 系統結構

一拖二變頻軟啟動系統由2臺電動機、1臺高壓變頻器以及若干臺高壓開關柜組成。高壓變頻器為軟啟動系統的核心，選用廣東白云電器設備股份有限公司生產的TMEIC系列變頻器。圖1為軟啟動一次系統圖，M1電機為主電機，KG1、V1、L1分別為主電機變頻軟啟動輸入斷路器、輸出斷路器、工頻斷路器；M2電機為備用電機，KG2、V2、L2分別為備機變頻軟啟動輸入斷路器、輸出斷路器、工頻斷路器。通過選擇不同的啟動方式，經PLC控制不同的斷路器動作，可以實現1臺電動機啟動完成切換到工頻后啟動另1臺電動機，實現一拖二的控制功能。

圖1 一拖二變頻軟啟動主接線圖

2 啟動過程及并網

2.1 軟啟動過程

以啟動主電機為例，啟動前選擇需要啟動的電動機，由電氣操作人員將變頻器選擇開關旋轉至“M1”，并將主電機對應的KG1、V1、L1斷路器手車推至運行位。控制系統發出啟動命令，由PLC控制KG1斷路器合閘；變頻器自檢完成后，自動合V1斷路器，電動機開始升速；當輸出頻率達到50 Hz后，自動調整輸出電壓、頻率、相位，鎖定并網點，工頻斷路器開關L1自動閉合，同期并聯成功；控制輸出斷路器V1、輸入斷路器KG1分閘，軟啟結束。主電機啟動結束后，變頻器退出運行，即可用來啟動備用電機。

2.2 電動機并網

電動機的并網即軟啟動結束，電動機從變頻切換到工頻運行[1]。當電動機加速到額定轉速時，如果不進行并網檢測，將直接將其切換到工頻，對電動機、電網和變頻器影響很大。

根據電動機的工作特性，常用的切換方式分別為直接切換、異步切換、同步切換和軟切換[2]。軟切換方式沖擊電流小，電機轉矩穩定。實現軟切換的關鍵元件是鎖相環。鎖相環是一個閉環的相位負反饋系統，已在通信、電子和導航等行業中應用多年。鎖相環基本結構由3個模塊組成——鑒相器、低通濾波器和壓控振蕩器，結構如圖2所示。通過實時采集變頻器的輸入電壓和輸出電壓，切換到工頻時，調整變頻器輸出電壓的相位、幅值和頻率，使之與電源電壓的相位、幅值和頻率相同或接近。

圖2 鎖相環結構圖

3 聯鎖及防誤

對于變頻軟啟動一拖二系統，變頻器只能分別啟動25 MW主電動機M1和18 MW備電動機M2，不允許兩臺電動機同時啟動，更不允許誤啟動，否則會造成設備損壞并導致更大的事故。因此，為了確保設備的安全性和啟動過程順利完成，必須為兩臺電動機設置必要的聯鎖和防誤措施。當主機M1軟啟動KG1輸入斷路器、V1輸出斷路器、L1工頻斷路器處于工作位置時，備機M2軟啟動KG2輸入斷路器、V2輸出斷路器、L2工頻斷路器合閘控制回路閉鎖，不能啟動。同樣，當啟動備機時，閉鎖主機合閘控制回路。開關柜合閘聯鎖原理如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 變頻器進線柜合閘聯鎖原理圖

圖4 變頻器出線柜合閘聯鎖原理圖

圖5 工頻進線柜合閘聯鎖原理圖

同時，對軟啟動器的PLC進行設置，分別將兩臺電動機的變頻輸入斷路器位置引入PLC，通過控制柜上的轉換開關選擇不同的電機。當一臺電動機處于啟動過程時，另一臺電動機處于閉鎖狀態[3]。

4 系統的繼電保護

變頻軟啟動系統除了要選擇可靠性高的變頻器外，還必須設置完善的繼電保護。在變頻器或電動機發生故障時，及時將設備從電網中脫離，防止更多設備損壞或影響電網的安全運行。變頻軟啟動系統中，電動機的啟動過程共分為變頻啟動和工頻運行兩個階段。因此，針對不同的階段，需要設置不同的繼電保護參數。

4.1 變頻方式下的保護

市場上有許多類型的變頻器且品牌很多，每個變頻器在保護配置方面都有自己的特點，但基本上都具有以下的主要保護功能——過載保護、欠壓保護、過壓保護和過流保護[4]。

過載保護一般采用反時限方式，保護動作的時間與電動機過載電流成反比。過載電流越大，保護動作的啟動時間越短，使電動機更加快速地停止運轉。

在變頻器輸入電壓降低至額定值以下或者出現斷相時，可能會造成半導體元件損壞。此時，應該快速停止變頻器，以避免對半導體元件造成更大程度的損壞。通常，欠壓保護可以根據半導體元件的額定電壓的70%～80%來設定。

產生過電壓的原因有系統電壓過高、操作過電壓等。當輸入電壓超過額定電壓時，開關元件將會損壞，將進一步影響變頻器的正常運行。過壓保護值通常設定為半導體器件額定值的1.5倍。

過流產生的原因有控制回路誤動作、電路連接故障以及短路電流等。長期過流會造成開關元件損壞，這種情況下必須盡快關斷開關元件，才能讓變頻器停止工作，同時電源側斷路器應立即跳閘。保護值通常設定為變頻器額定電流的1.1～2.0倍。當電流超過設定值時，保護應立即作用。

4.2 工頻方式下的保護

當電動機處于工頻狀態時，大多數故障都是繞組故障，因此繼電保護是對定子繞組的保護。采用微機繼電保護裝置，通過實時監測電動機的電壓、電流等參數來實現對電動機的保護。大型電動機尤其是功率超過2 000 kW的電動機，通常采用縱聯差動保護或磁平衡差動保護作為電動機的主要保護。此外，需要設置電流速斷保護、過電流保護、熱過載保護、負序保護、低電壓保護以及堵轉保護等作為后備保護。

磁平衡差動保護是基于磁平衡原理的差動保護[5]。差動保護包含三組自平衡互感器和3個電流繼電器。在電動機正常運行狀態時，流入每個繞組的初始端和末端的電流是相同的電流，且該電流經自平衡互感器穿入、穿出各一次，互感器一次側電流為零，二次側不產生感應電流，保護不起作用。當電動機內部出現相間短路或接地時，互感器一次側電流不為零，二次側產生感應電流；當電流達到保護動作值時，電動機配電柜中的斷路器跳閘，切除供電電源。原理如圖6所示。

圖6 磁平衡式差動保護原理圖

磁平衡式差動保護需要躲過差動互感器的最大不平衡電流和當供電網絡發生單相接地時電動機的最大容性電流。磁平衡差動保護的動作電流通常根據電動機額定電流的10%設定。

5 結 論

本文設計的一拖二高壓變頻軟啟動系統，解決了大型電動機啟動時啟動電流大、對電網和電機沖擊大的問題。使用一臺變頻器實現兩臺電動機的啟動，既滿足了現場的工況要求，又節省了投資，具有良好的經濟效益和社會效益。本次項目成功驗證了變頻器在大型異步電動機軟啟動中的良好效果，可為此類工程提供可靠依據。