同步電動機啟動失敗的原因分析

王德成 范衛(wèi)民 常建賢

摘要：本文簡單介紹了同步電動機的啟動方式，通過對同步電機啟動失敗實例的分析，提出了確保成功啟動的改進措施。

關(guān)鍵詞：同步電動機；啟動；分析；措施

1.同步電動機的啟動

高壓同步電動機除早期采用的液力耦合器啟動方式外，目前采用的啟動方法有三種：輔助電動機啟動法、調(diào)頻啟動法、異步啟動法。綜合分析技術(shù)、投資、啟動可靠程度和現(xiàn)場應(yīng)用實踐等因素，最常用的啟動方式是異步啟動[1]。異步起動方式是指先接人定子電源開始起動，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到準同步速度（即同步轉(zhuǎn)速的95%）及以上時，切除降壓電阻投入勵磁，使電機由準同步運行至額定同步轉(zhuǎn)速，完成啟動過程?？紤]到啟動時的電流沖擊和機械沖擊，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）、電抗器等限流降壓啟動技術(shù)。

在某企業(yè)生產(chǎn)流程中采用同步電動機作為大型空氣壓縮機的驅(qū)動設(shè)備，運用液態(tài)電阻啟動方式。本文就該種啟動方式在運行中無法正常啟動的過程進行分析和探討。

2.空壓機12100kW驅(qū)動電機啟動實例

2.1啟動電源及啟動對供電系統(tǒng)的要求

電動機供電回路如圖1：《空氣壓縮機供電系統(tǒng)圖》。

設(shè)計空氣壓縮機帶葉輪啟動對供電系統(tǒng)的要求為：啟動容量200-250MVA，啟動電流（3.2-3.5）Ie（電動機額定電流），堵轉(zhuǎn)電流3.5 Ie，啟動電壓6.1-6.3kV，采用定子回路中性點串聯(lián)液態(tài)電阻降壓啟動，啟動前初始水電阻阻值為6.1 kV時0.75-0.82Ω，6.3 kV時0.78-0.86Ω。電動機使用無刷勵磁裝置，勵磁柜具有勵磁控制、電機啟動和運行、主電機保護等功能。

2.2啟動過程及現(xiàn)象

某日空壓機按生產(chǎn)安排開機，圖1中40000kVA變壓器未投運，按下空壓機啟動按鈕，18秒后主電機勵磁柜連鎖保護跳閘，勵磁柜PLC顯示信息為“同步電機轉(zhuǎn)速監(jiān)測跳閘”?，F(xiàn)場人員對該空壓機導(dǎo)葉等重點部位及啟動參數(shù)進行了檢查，未見異常。電氣人員將啟動過程的數(shù)據(jù)與過去啟動成功的實測數(shù)據(jù)進行了對比分析，認為啟動不成功是供電母線電壓較低，啟動電流值偏小，造成主電機啟動在18秒內(nèi)沒有達到75%額定轉(zhuǎn)速發(fā)出跳閘信號。記錄電流數(shù)據(jù)如表1：

調(diào)整63000kVA變壓器有載開關(guān)，將電動機運行母線電壓調(diào)至6.2kV后再次啟動，再次跳閘，現(xiàn)象同第一次。再次安排人員對機械和電氣回路及設(shè)備進行了詳細的檢查，仍未見異常。通過對第二次啟動電流數(shù)值與初次成功啟動值比較，偏小，認為啟動電流偏小的原因可能是液態(tài)電阻值不滿足要求。隨即測量啟動回路的水電阻阻值如表2。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2所列初始的阻值后，第三次啟動，50秒后勵磁柜連鎖保護跳閘，勵磁柜PLC顯示信息為“同步電機啟動電流超時跳閘”。

3.啟動過程分析

根據(jù)同步電機的啟動特性，電機能否啟動關(guān)鍵在于啟動時異步力矩能否克服機組阻力矩。異步力矩的產(chǎn)生及強弱，取決于供電電源電壓和電流。依據(jù)電機啟動時電流及力矩關(guān)系得知，啟動時電壓降系數(shù)是決定電機啟動的重要因素。電壓降系數(shù)的大小取決于為電動機供電的供電系統(tǒng)的容量和啟動回路的阻抗[2]。

實例中啟動過程中微機綜合保護裝置的電流和電壓變化曲線及數(shù)值顯示，啟動失敗均是電動機保護動作跳閘所致，電動機保護動作是正確的。排除機械部分影響電機啟動的各類因素，仔細分析前兩次啟動過程的數(shù)據(jù)和啟動電流電壓曲線后我們發(fā)現(xiàn)電機跳閘前啟動過程中的電流變化是不一樣的，啟動失敗的主要原因是引起啟動電流變化的啟動回路的液態(tài)電阻和供電系統(tǒng)。

3.1液態(tài)電阻阻值對啟動的影響

定子側(cè)串入液變電阻本質(zhì)上屬于降壓起動，也就是提高電壓降系數(shù)。對于大功率高壓籠型同步電動機而言，在電網(wǎng)短路容量及變壓器容量不是足夠大或瞬時機械沖擊過大時，是最佳起動方式之一。對液態(tài)電阻的組成、工作原理和運行維護要求進行分析得知液態(tài)電阻的阻值又受溫度的影響較大，其電化學(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、電液阻值變化的三相平衡性、極板運動及限流響應(yīng)速度等都將影響電機的啟動過程。

分析啟動不成功的過程，發(fā)現(xiàn)液態(tài)電阻阻值的變化對啟動電流的變化影響較大。實例中啟動前的液態(tài)電阻的初始值明顯與歷史上成功啟動時的值不同，說明液態(tài)電阻已經(jīng)發(fā)生了大的變化，現(xiàn)場人員憑經(jīng)驗認為沒有變化。因此，主要原因應(yīng)是與上次啟動之間間隔時間近三個月，液態(tài)電阻受溫度、極板腐蝕和自然蒸發(fā)等影響，初始阻值發(fā)生了變化，不能滿足設(shè)計的要求。

3.2供電系統(tǒng)對啟動的影響分析

從圖1中可看出，電機啟動時供電方式有三種：單臺63000kVA主變供電、單臺40000kVA主變供電、兩臺主變并聯(lián)供電。圖2為電機啟動回路的等效阻抗圖。假設(shè)為電動機供電的6kV母線短路，在110kV系統(tǒng)大、小運行方式下及電抗器投入和退出時，分別計算三種供電方式下6kV母線的短路容量如表3。

從表3的計算看，在系統(tǒng)小方式下，40000kVA主變供電方式和63000kVA主變投入的方式系統(tǒng)容量很難滿足電機啟動的要求；兩臺主變并聯(lián)，系統(tǒng)的短路容量都能滿足電機啟動對系統(tǒng)容量的要求，但一旦出現(xiàn)系統(tǒng)電壓偏低、回路阻抗變化或負載輕微變化，有可能造成啟動不成功。同時可知，各種方式下啟動時對啟動過程的保障程度是不同的，供電方式的變化對電機啟動的成功率影響較大。

在實例中，第一次啟動前，適逢供電系統(tǒng)最近的一臺150MW發(fā)電機檢修停運，系統(tǒng)電壓與前偏低，供電系統(tǒng)條件接近小方式下單臺63000kVA主變供電，存在啟動不成功的可能性。實踐中采用兩臺主變并列運行的方式為電機提供啟動電源，電機單體啟動正常，啟動時間47s，啟動瞬間母線電壓5.77kV，電流3393kA 。與空壓機聯(lián)機啟動一次成功。

4.結(jié)論及啟示

通過上述同步電動機啟動失敗的案例分析，認為同步電機啟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)容量不滿足啟動條件。由此我們得出如下啟示：

（1）大型同步電動機在設(shè)計時要進行供電系統(tǒng)各種可能的運行方式下短路容量的計算，使供電回路充分滿足啟動容量的要求。

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

（3）目前運用的液態(tài)電阻啟動方式大多是按啟動時間由PLC控制和調(diào)整極板，從而調(diào)整啟動電阻來滿足電機啟動過程中對啟動電流的要求，每次啟動過程不完全相同。再次啟動前要對每次啟動過程的數(shù)據(jù)和電流波形分析，啟動條件做些適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，確保一次啟動成功。

（4）電機啟動前，技術(shù)人員要檢查供電系統(tǒng)的條件能否滿足設(shè)計的啟動技術(shù)要求，重點關(guān)注母線電壓、上級變電所的運行方式，必要時申請調(diào)整運行方式。

參考文獻：

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

[2]《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.冶金工業(yè)出版社，北京，1996.1

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

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

作者簡介：

王德成（1966—），男，工程學(xué)士，高級工程師，從事企業(yè)供配電的技術(shù)和管理等方面的研究。

范衛(wèi)民（1975—），男，工學(xué)學(xué)士，工程師，從事企業(yè)供配電的技術(shù)和管理工作

常建賢（1991—），男，綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院，在校學(xué)生。