25000Nm3/h空分裝置壓縮機電機啟動簡析

徐國舵

（金通銅業有限責任公司，內蒙古 赤峰 024076）

1 概況

隨著銅冶煉工藝的技術升級能耗和環保要求日益嚴格，銅冶煉企業富氧熔煉工藝受到重視。根據冶煉工藝需求，需要新建一套25000Nm3/h空氣分離裝置提供高純度氧氣混入空氣，吹入熔煉爐。空分裝置核心設備之一就是空氣壓縮機。異步電機拖動壓縮機的功率12400KW，它具有結構簡單，制造使用和維護方便，運行可靠，成本較低等優點。異步電機有較高的運行效率和較好的工作特性，從空載到滿載范圍內接近恒速運行，能滿足空氣壓縮機械的傳動要求。但是大功率異步電機啟動電流過大，啟動時間較長給實際應用中有需要克服一些困難，只有合理的配置保護方案才能消除影響。空分裝置的空氣壓縮機電機功率很大、啟動電流很大，影響工廠供配電系統的穩定和可靠性。

2 工廠配電網絡系統

制氧系統用空壓機由異步電動機拖動，12400KW高壓大功率電機直接啟動電流很大，在配備電力變壓器是要求有足夠的容量。過大的啟動電流還會對沖擊配電系統，大電流拉低同一母線的電壓，影響網絡中其他的對電壓質量敏感的設備，可能使得欠壓保護誤動作，其他電機轉距下降可能導致堵轉等問題引起生產線中斷。現在工廠配電兩路進線110KV，110KV母線采用單母線分段接線，經過三臺40MVA的變壓器降壓到10KV，10KV側采用單母線分段接線環形接線。為保證廠區供電可靠性由兩臺主變分列供電，應對大電機啟動過電流的壓力做了仿真計算。

冶煉廠的配電系統電力變壓器型式：三相雙繞組有載調壓變壓器：容量40MVA；接線組別：YN，d11；阻抗電壓：Uk=10.5%；接地系統的類型：中性點由接地變引出過消弧線圈接地。電源進線經過電纜橋架進入制氧區域的配電室。電纜長度約100m。

3 電機啟動過程分析

3.1 制氧空壓機異步電動機參數如下：

生產廠家：西門子

電機型號：1TV1552-8AE02-Z

三相電機COSφ0.91；轉速1489 rpm

電機功率12400KW；電壓10000V+10%/-5%；額定電流807A。

已知條件：空壓機電動機功率12400kW，起動方式采用自耦變壓器降壓起動。

自耦變觸頭選擇80%，該空壓機主接線位于1#主變下10kV 1段母線上。

輸電距離為100m，配電電纜按照每相3×YJV-8.7/10 300mm2敷設。

3.2 啟動方式分析

12400 KW的異步電動機直接全壓起動影響電機絕緣，降低電機壽命。變頻啟動經濟成本太高。考慮到啟動設備的可靠性要求采用自耦變壓器降壓啟動。

啟動大電流產生的焦耳熱反復作用于導線外絕緣，加速絕緣老化。并且影響工廠配電系統的穩定性。影響因素如下：

（1）易導致同一主變的母線電壓波動，影響同電網其它設備的運行交流電動機運行。理論上在全壓直接起動時，起動電流會達到額定電流的4～7倍，當電機的容量相對較大時，該起動電流會引起電網電壓的急劇下降，影響同電網其它設備的正常運行。

（2）大容量的異步電動機起動電流中含有大量的高次諧波，會與電網電路參數引起高頻諧振，可能造成繼電保護誤動作、自動控制失靈等問題。降壓起動時能降低起動電流，力求減小甚至完全免除影響。

（3）過大的電流在電機定子線圈和轉子鼠籠條上產生較大的沖擊作用，容易造成電機內部夾緊松動、線圈變形、鼠籠條受沖擊應力斷裂等故障。

（4）直接啟動對壓縮機設備同樣也有一定的傷害。

空壓機電機采用自耦變壓器降壓啟動方法，自耦變壓器一般有兩組抽頭(80%和65%抽頭)。啟動時使得自耦變壓器其中的一組接入電動機，當電動機轉速接近額定轉速時，再直接接入三相10KV電源正常運轉，切除自耦變壓器，全壓運行完成啟動過程。

3.3 電機啟動過程仿真

對本電動機的軟起動方案進行數據論證和分析，確認所設計技術方案的可行性。計算書中對用戶關心的技術數據進行計算說明，并對過程進行了簡單模擬，還繪制有過程曲線以供參考。根據《GB 50055-2011通用用電設備配電設計規范》規定，電動機不頻繁起動時，空壓機電機啟動時母線電壓降不能過大，不宜低于額定電壓的85%，根據運行經驗電壓降至85%時工廠車間部分高壓電機過電流跳車。異步電機的轉矩和端電壓的平方成正比，端電壓下降時電機轉矩下降的更快。

理論計算數據根據等效電路，計算電機起動阻抗，將電動機等效為一個簡單的LR串聯回路；電動機并聯電容后，回路等效阻抗；

各轉速點對應關鍵數據表如下：

表1

利用軟件通過分段計算，電動機的啟動時間約為50s以內對電機啟動過程的電壓和電流進行仿真。站內110側電壓為：113.1kV，起動時間33s，25000空分裝置變電站，啟動過程仿真如下：

啟動時母線電壓仿真，10kV母線電壓降為：9.62kV，變化曲線如圖1：

圖1 廠區10KV配電系統圖

圖1

起動電流：10kV線路側電流，約2013A左右（約2.45倍額定電流）：

仿真計算在目前所提供的參數條件結果下：

（1）10kV母線壓降可控制在90%以上；起動時母線壓降小；

（2）電機起動時母線側電流為2.7倍電機額定電流以內；

（3）起動時間約在50s以內。

該計算是在用戶提供的現有參數下的理論計算，可能會與實際起動情況略有偏差。自耦降壓啟動與其它常見軟起動裝置對比，起動更可靠，成本明顯優于其它方式。

而實際啟動過程中空壓機電機的起動時間問題，此電動機起動時間約為30s～50s之間，實際啟動時間約43s，電機采用降壓啟動,(起動方式采用自耦變壓器降壓起動，自耦變觸頭選擇80%)。減小在極端情況下電機啟動時對別的線路的電機的啟動或運行的影響。空壓機異步電機實際9次綜合保護裝置采樣的啟動電流如下圖3。

圖2

圖3

該啟動電流從綜合保護系統讀出，由于每次啟動條件不一樣電流大小也不一致。由上圖可知，實際啟動電流平均值2418.62A啟動電流是額定電流的3倍。

出現的最大啟動電流3361A啟動電流是額定電流的4.16倍。為了防止啟動沖擊電流導致保護誤動作，實際上采用了復合電壓閉鎖過電流保護方式能夠躲過電動機起動沖擊電流，相比于普通的過電流保護啟動時間過長一般的過電流保護動作難以起到作用，采用光纖縱差及復合電壓閉鎖過流保護制氧區域的10KV線路繼電保護。

4 總結

空分裝置壓縮機電機一般功率都比較大，拖動壓縮機電機通常選擇異步電動機，電機啟動時會產生較大的沖擊電流采用仿真計算選擇合適的啟動方案。按啟動計算模擬結果設定整定值時空分系統電機啟動因電流過大仍舊導致跳車，該項目立即改變線路保護方案，簡單的三段式過流保護無法滿足總降變電站出線柜對該項目的保護方案啟動時間過長、電流過大，難以實現對下端變電室的保護。項目實際改用差動保護出線電纜，復合電壓閉鎖過電流作為后備保護。該方案能較好的滿足時效性要求避免長時間等待躲過電機啟動的峰值。

因為高壓電機工作電壓高且容量大，考慮到經濟因素變頻軟啟動成本高，因而采用自耦變壓器降壓的啟動經濟成本較低，但在實際應用中電機啟動電流仍較大沒有計算仿真的良好效果，啟動電流仍高達額定電流的4.16倍超出預期。因此工廠配電系統的要求足夠的變壓器容量和繼電保護整定值裕量，防止空壓機電機過電流保護動作導致電機啟動失敗。