大型高壓同步電機在高濃盤磨系統啟動過程的控制

李建橋

（福建省青山紙業股份有限公司，福建三明，365056）

在伸性紙袋紙的生產過程中通常應用高濃磨漿系統，其主要作用是提高紙張的透氣度、撕裂度、抗張能量吸收值等物理指標[1]。高濃磨漿相比于低濃磨漿，磨區料層較厚，磨齒的沖擊作用減弱，漿料之間的摩擦作用加強[2]。高濃盤磨系統是生產高強度伸性紙袋紙的關鍵設備，為了滿足生產需要，高濃盤磨需要配置大型高壓同步電機。盤磨機由大功率的同步電機帶動，運行過程中動、定盤擠壓并摩擦纖維，同時由液壓推進控制進退刀，并通過旋轉螺旋推進器進料[3]。在磨漿過程中，紙漿纖維首先發生初生壁和次生壁的破裂，繼而使纖維產生吸水潤脹、分絲帚化及適度切斷等[4]。福建省青山紙業股份有限公司（以下簡稱福建青山）2#紙機高濃盤磨系統配置了1 臺西門子高壓同步電機，電機型號1DZ1238-8AC02-Z，額定功率6000 kW、額定電壓6000 V、額定電流620 A、額定轉速1500 r/min、功率因數0.95。該電機采用自耦變壓器降壓啟動，啟動電流為額定電流的2.48 倍，啟動時間9 s。為了不影響電網電壓的波動和其他相關電氣設備的運行，該電機采用降壓啟動方式，啟動過程比較復雜，容易出現事故。電機一旦多次啟動失敗，需要強制停機冷卻，長時間的停機等待，將影響企業正常生產，造成嚴重的經濟損失。本課題采用7UM62 綜合保護器對電機進行保護，尤其是電機頻繁啟動控制功能有效地保障了電機安全運行。

1 電機頻繁啟動控制功能介紹

電機正常運行時，轉子的溫度通常低于允許的最高溫度。當電機啟動時，由于熱時間常數很小，會產生很大的啟動電流，連續頻繁啟動電機，電機的轉子很容易過溫。電機繞組絕緣結構所采用的材料，在溫度的作用下，其機械、電氣、物理等性能都將逐漸變壞，而當溫度升高到一定程度時，絕緣材料的性能會發生本質的變化，最后甚至失去絕緣的能力[5]。頻繁啟動電機將導致繞組過溫，甚至燒毀電機繞組；因此，必須阻止電機的頻繁啟動。西門子綜合保護器7UM62 提供了電機頻繁啟動的閉鎖功能，在電機多次頻繁啟動后，保護裝置將發出1個抑制信號來閉鎖電機的再次啟動，直到電機滿足下一次啟動條件為止。

1.1 電機重新啟動的門檻值

為了保護電機，避免電機頻繁啟動，控制電機溫升，電機一般都設置了重新啟動門檻值。電機多次啟動后，電機轉子的溫度超過允許的門檻值，電機啟動將會被禁止。只有當轉子溫度下降到再次啟動的門檻值以下，或者電機再次啟動時產生的轉子溫升不會超過轉子的溫升極限，保護裝置的閉鎖信號才會復位，電機才允許啟動。電機再次啟動的門檻值θRe.Inh.與轉子允許最大溫升的關系如表1所示。

表1 電機再次啟動的門檻值與轉子允許最大溫升的關系Table 1 Relationship between threshold value of motor restart and allowable maximum temperature rise of rotor

由表1 可知，電機允許冷啟動2 次時，電機再次啟動的門檻值為轉子允許最大溫升的50%，電機允許冷啟動3 次時，電機第3 次啟動時的門檻值為轉子允許最大溫升的66.7%，電機允許冷啟動4 次時，電機第4 次啟動時的門檻值為轉子允許最大溫升的75%；即電機在重新啟動前要留有溫升余量，電機重新啟動后轉子的溫升不能超過轉子允許的最大溫升。

1.2 電機轉子溫升計算

電機轉子的溫升對電機的運行很關鍵。由于無法直接測量電機轉子繞組的電流，必須用定子繞組電流的有效值來確定轉子的溫升。轉子繞組的溫升θ通過三相電流中的最大電流值來計算。保護裝置采用微分方程，根據單體熱模型計算電機的溫升，見式(1)。

式中，θ為每單位電機溫升，即相對于最大允許溫升的百分比比值；θK為冷卻介質溫度或環境溫度與40°C 參考溫度的差值；τ為電機發熱的熱時間常數；I為每單位電機電流，即相對于最大允許的持續運行電流的百分比比值。

當環境溫度為40℃時，式(1)可轉化為式(2)。

當電機啟動電流相對于最大允許的持續運行電流的百分比比值I為2.48，啟動時間t為9 s，電機啟動時發熱的熱時間常數τ為165，環境溫度為40℃時，電機每單位溫升θ相對于最大允許溫升的百分比比值見式(3)。

通過式（2）可知，電機完成1 次啟動，轉子的溫升增加為相對于最大允許溫升比值的32.67%。根據電機的設計，電機允許在冷態下啟動3次，熱態下啟動2次，但是要避免電機短時間連續啟動，電機啟動的間隔時間太小，電機繞組沒有充分冷卻，電機內部的熱量不能及時散發，電機溫升易急劇升高，有可能導致電機過溫跳閘，甚至燒毀電機繞組，因此要避免短時間內連續啟動電機。

1.3 電機熱過載保護

大型高壓同步電機在運行過程中溫度控制很關鍵，電機運行溫度超過規定的限值將會報警或跳閘。7UM62 熱過載保護功能可以對電機定子繞組進行有效保護。電機一般允許的最大環境溫度為40℃，如果環境溫度過高將會對電機的運行產生影響。根據不同的環境溫度或冷卻介質計算熱過載跳閘時間，具體見式(3)。

式中，τ 為電機的熱時間常數；K為系數KFactor。其計算見式(4)。

式中，IMaxprim為電機持續允許的最大電流；INMachine為電機的額定電流；INCTprim為CT 額定1 次電流；IN為電機的額定電流；I為實際流過的二次電流值；IPre為之前的負荷電流；θN為對應于二次額定電流的電機溫度。

福建青山高濃盤磨系統主電機的額定電流IN為620 A，電流互感器的變比為1000/5，電機允許持續的最大負載電流為1.1IN，負荷電流IPre一般為0 A，對應于二次額定電流的電機溫度θN一般為100℃，電機的熱時間常數τ設為1200 s，對于不同的環境溫度θK，主電機跳閘時間t計算如下。

當環境溫度不同時，電機同樣在1.1IN下運行，電機跳閘的時間不同，環境溫度或冷卻介質溫度越低，電機溫升達到極限跳閘的時間越長。因此,在電機運行過程中要控制環境溫度或冷卻水的溫度。在夏季，環境溫度和冷卻水的溫度相對較高，需要采取必要的措施降低環境溫度和冷卻水的溫度。福建青山高濃盤磨電機對電機繞組、前后軸瓦、電機內部循環的冷風、熱風進行溫度測量，實時檢測和保護電機。

1.4 電機熱模型

按照電機的額定啟動電流IN、額定啟動時間、允許的冷啟動次數ncold、允許的熱啟動次數、電機啟動時的溫升θ、電機運行時的冷卻時間擴展系數、電機停止時冷卻時間擴展系數、電機允許的最大溫升θL，在電機進行一次完整的重新啟動后，建立電機熱模型剖面。

如果電機溫升超過允許的最大溫升，7UM62 綜合保護器將根據熱模型，發出閉鎖信號，直到轉子的熱模型下降到電機再次啟動的門檻值以下。通過轉子的熱模型來保護電機，限制電機頻繁啟動，電機轉子的熱曲線以及反復啟動過程中的熱模型如圖1所示。

圖1 電機轉子的熱曲線及反復啟動過程中的熱模型Fig.1 Thermal curve of motor rotor and thermal model during repeated starting

從圖1 可知，電機在冷態下可以啟動3 次，在熱態下可以啟動2 次。電機第1 次啟動時，電機的溫升相對于最大允許溫升的百分比比值為32.67%，電機啟動后運行一段時間，進行第2次熱啟動時相對于最大允許溫升的百分比比值再增加32.67 個百分點，如果進行第3次熱啟動，相對于最大允許溫升的百分比比值已經超過66.7%的門檻值，此時禁止再次啟動電機。

1.5 重新啟動時間

重新啟動過程的熱控制如下：電機每次停機后，保護裝置就啟動熱平衡計時器（地址6604TEqual）。在熱平衡計時器運行的這段時間內，轉子的熱剖面保持不變，為常數。然后，熱模型在相應的時間常數（轉子的時間常數× 擴展系數）后冷卻下來。在熱平衡計時器運行的這段時間內，電機不可以再次啟動。

電機再次啟動前需要等待的時間，等于電機的重啟動熱平衡時間，加上計算得到的轉子熱模型溫度下降到再次啟動門檻值所需要的時間，見式(4)。

式中，TRem為電機距離下次啟動所需等待的時間；TLeveling為設置電機轉子的熱平衡時間；Kτ為設置電機運行狀態下的冷卻時間常數的擴展系數或電機停機狀態下的冷卻時間常數的擴展系數；θPre為電機停機時的熱剖面；τL為轉子時間常數，在保護裝置內部計算見式(5)。

式中，tStart為電機的額定啟動時間；Ion為電機的額定啟動電流標幺值。

1.6 最短的重啟動抑制時間間隔

在電機反復啟動的次數超出了電機的規定次數時，電機內部的熱量不能及時向周圍介質散發熱量，導致電機溫度升高，此時保護裝置需要提供1 個最短的再次啟動時間間隔，以冷卻電機。在這種情況下，電機再次啟動的時間間隔取決于2 個時間參數TMinInhibit和TRem.，采用時間長的作為等待時間。

1.7 緊急重啟動功能

在緊急情況下，雖然再次啟動電機將導致轉子的溫升超過允許的最大溫升值，仍然不得不啟動電機。此時，需通過開關量輸入信號（4823＞Emer.StartθR）來閉鎖保護裝置中電機反復啟動抑制功能的輸出信號，才能開始再次啟動電機。但是，保護裝置的轉子熱剖面模型還在繼續運行，可能會導致超出允許的最大溫升。保護裝置不會發出閉鎖信號來中斷電機的重啟動過程，但是可以看到轉子的過溫度值以評估緊急啟動的風險。

1.8 電機反復啟動抑制功能邏輯圖

圖2為電機反復啟動抑制功能邏輯圖。

圖2 電機反復啟動抑制功能邏輯圖Fig.2 Logic block diagram of motor repeated start suppression function

1.9 電機頻繁啟動控制功能參數整定注意事項

只有在做保護功能配置時將地址166 RESTART INHIBIT 的參數整定為ENABLE（激活），電機反復啟動抑制功能才會開放并有效。地址6601 RESTART INHIBIT 的參數用來切換電機反復啟動抑制功能的狀態為ON（投入）或OFF（退出）或僅僅是閉鎖保護裝置的出口跳閘命令（Block relay）。

計算轉子溫度的變量參數包括電機的額定啟動電流IStart、定子額定電流IMot.Nom、允許的最大啟動時間TStartMax（地址6603）、電機冷啟動次數（ncold）和熱啟動次數（nwarm）。對于電機轉子溫升熱平衡時間，實踐表明，定值TEqual一般設置為1 min。最短的重啟動抑制時間間隔TMin.Inhibit，在任何情況下，這個值都要大于TEqual。表2 為電機反復啟動抑制功能的定值參數設定表。表3 為電機反復啟動抑制功能的信息列表描述。

表3 電機反復啟動抑制功能的信息列表描述Table 3 Description of the information list of the motor repeated start suppression function

表2 中的參數需根據需求準確設置，通過合理設置表2 中電機轉子的熱平衡時間（地址6604TEqual）、電機停機狀態下的冷卻時間擴展系數（地址6608Kτat STOP）、電機運行狀態下的冷卻時間擴展系數（地址6609Kτat RUNNING）、電機重啟動抑制的最短間隔時間（地址6610TMin.Inhibit），可以調節電機重新啟動的等待時間，避免連續頻繁啟動電機。熱模型保護能夠實時跟蹤電機運行中的熱積累狀態，有效避免過熱運行[6]。

表2 電機反復啟動抑制功能的定值參數設定Table 2 The parameter setting of the fixed value table of the motor repeated start suppression function

2 電機頻繁啟動控制功能應用分析

2.1 電機連續兩次熱啟動后的溫度特征分析

有效利用熱模型的發熱、散熱計算，在出現故障時可大大縮短動作時間，有效控制故障范圍[7]。由于本系統高濃盤磨主電機的啟動時間tstart為9 s，冷啟動次數ncold為3次，熱啟動次數nwarm為2次，電機的額定啟動電流標幺值為2.48，電機轉子時間常數τL計算見式(6)。

由于電機轉子熱平衡時間TLeveling設置為1 min，電機停機狀態下的冷卻時間擴展系數Kτ為100，電機轉子時間常數τL為55 s，電機第3 次啟動后的熱剖面θPre為0.97，冷啟動次數ncold為3 次，電機距離下次啟動所需要的等待時間TRem計算見式(7)。

圖3 為連續2 次熱啟動后的電機溫度特征。由圖3 可知，電機在額定電流下連續運行，在第一次電機停機后，參數TEqual開始生效。150 s 后電機重新啟動并很快地又被切斷。電機等待150 s 后，又開始了第二次熱啟動。電機第二次熱啟動再次被切斷。在電機第二次重新啟動失敗后，重新啟動極限已經超出，因此停機后保護裝置的反復啟動抑制功能生效。經計算反復啟動的抑制時間TRem為2122 s，即電機需要停機等待35 min后才運行再次啟動。

圖3 連續2次熱啟動后的電機溫度特征Fig.3 Motor temperature characteristics after two consecutive hot starts

2.2 電機2次熱啟動后繼續運行的溫度特征分析

為了避免電機連續頻繁啟動導致電機溫升超過極限，需要嚴格控制電機連續啟動之間時間。福建青山高濃盤磨電機采用水冷方式冷卻，并且電機軸上帶有冷卻風扇，電機運行時在電機內部會形成循環氣流，通過水冷交換器帶走熱量。因此電機啟動成功后連續運行一段時間會有效降低電機溫度。

由于電機轉子熱平衡時間TLeveling為1 min，電機運行狀態下的冷卻時間擴展系數Kτ設置為50，電機轉子時間常數τL為55 s，電機經過冷卻后第3 次啟動的熱剖面θPre為0.81，冷啟動次數ncold為3 次，電機距離下次啟動所需要的等待時間TRem計算見式(8)。

圖4 為電機2 次熱啟動后繼續運行的溫度特征。由圖4 可知，電機2 次熱啟動間的間隔大于圖3。本次電機第二次熱啟動正常，電機正常運行14 min，電機得到了充分冷卻，電機在運行過程中冷卻效果比在停機時好，經計算，第3 次啟動后再冷卻10 min，電機的溫升已經低于重新啟動門檻值66.7%。

圖4 電機2次熱啟動后繼續運行的溫度特征Fig.4 Temperature characteristics of continuous operation of motor after two hot starts

福建青山高濃盤磨主電機采用水冷裝置冷卻，工業清水作為冷卻介質，受季節的影響水溫和環境溫度不同，導致電機的散熱系數不同，為了有效保護電機，可以通過調節電機重啟抑制的最短間隔時間TMinInhibit、電機轉子熱平衡時間TRem2 個參數，多次頻繁啟動電機后停機冷卻時間可以延長到8 h，長時間的等待對電機冷卻有利，但對企業生產不利，因此需要嚴格控制電機頻繁啟動的次數，保障電機正常、穩定的運行。

3 結語

大型高壓同步電機功率因素高、運行穩定性高、過載能力強、運行效率高，已經得到廣泛使用。為了保障電機的可靠運行，通過分析主電機的熱模型，根據電機轉子的熱平衡時間、電機的最大熱啟動次數、電機停機狀態下的冷卻時間擴展系數、電機運行狀態下的冷卻時間擴展系數、電機重新啟動的最短間隔時間、電機的額定電流、電機允許的最大啟動時間等參數對電機的啟動過程進行控制，精確計算電機重新啟動需要等待的時間，達到保護電機安全運行的目的。大型高壓同步電機都是企業的關鍵設備，需要高效穩定的運行。如果電機頻繁跳閘，將給企業帶來嚴重的經濟損失。因此大型高壓同步電機的啟動非常關鍵，降低電機啟動頻率可以有效提高電機工作效率，降低電機的運行風險。7UM62 綜合保護器的反復啟動抑制功能有效地保護了電機，抑制了電機頻繁啟動，提高了電機運行的可靠性和穩定性。