大型同步高壓電機(jī)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(duì)纖維的切斷作用[1]。該系統(tǒng)不僅能保留纖維長(zhǎng)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(zhǎng)率和耐破度[2]。因此福建省青山紙業(yè)股份有限公司引進(jìn)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(jī)、破碎機(jī)、螺旋輸送機(jī)、帶式喂料機(jī)、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(jī)轉(zhuǎn)速1500 r/min，最大功率6000 kW，重載啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩10.2 kN·m。主電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中6 kV母線上允許的電壓降要小于10%。

1 主電機(jī)選型及配置

為了滿足高濃盤磨的需要，分析了異步電機(jī)和同步電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，由于同步電動(dòng)機(jī)有轉(zhuǎn)速恒定、功率因數(shù)可調(diào)、運(yùn)行效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此選擇了西門子公司生產(chǎn)的無(wú)刷同步高壓電機(jī)。選配的同步電機(jī)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(lì)磁電壓26 V、主勵(lì)磁電流1017 A、副勵(lì)磁電壓45.2 V、副勵(lì)磁電流6.9 A，冷卻方式采用IC 81 W水冷方式，IP55防護(hù)等級(jí)，額定轉(zhuǎn)矩38.2 kN·m，功率因數(shù)0.95。

高濃盤磨主電機(jī)電源取自熱電廠3#主變，熱電廠要求在電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中壓降不能超過(guò)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(fù)荷的無(wú)功功率QL=4 MVar，供電線路電纜型號(hào)為兩根600 m長(zhǎng)的YJV-10kV 3×240 mm2電纜，主電機(jī)直接啟動(dòng)電流倍數(shù)kst=4，為了滿足盤磨啟動(dòng)要求，對(duì)主電機(jī)直接啟動(dòng)、電抗器降壓?jiǎn)?dòng)、自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)和變頻器降壓?jiǎn)?dòng)進(jìn)行分析比較。

1.1主電機(jī)直接啟動(dòng)電網(wǎng)的壓降計(jì)算

主電機(jī)直接啟動(dòng)方案如圖1所示。主電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，對(duì)電網(wǎng)的要求較高，如果電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)壓降太大，會(huì)影響同一母線下其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。

圖1 主電機(jī)直接啟動(dòng)方案

1.1.1主電機(jī)的額定容量

主電機(jī)的額定容量計(jì)算見公式(1)。

=1.732×6×0.62=6.44 (MVA)

(1)

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

1.1.2主電機(jī)直接啟動(dòng)的額定啟動(dòng)容量

主電機(jī)直接啟動(dòng)的額定啟動(dòng)容量計(jì)算見公式(2)。

SstM=kstSrM

=4×6.44=25.76 (MVA)

(2)

式中，SstM為主電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)的額定啟動(dòng)容量，MVA；kst為主電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)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(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)度，km。

1.1.4主電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)回路的計(jì)算容量

主電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)回路的計(jì)算容量見公式(4)。

(4)

式中，Sst為主電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)回路的計(jì)算容量，MVA；Uav為系統(tǒng)平均電壓，6 kV。

1.1.5主電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)母線電壓相對(duì)值

主電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)母線電壓相對(duì)值計(jì)算見公式(5)。

=85.22%<90%

(5)

式中，ustB為主電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)母線電壓相對(duì)值；us為電源母線電壓相對(duì)值，取1.05；SscB為6 kV母線最小短路容量，126 MVA；QL為預(yù)接負(fù)荷的無(wú)功功率，4 MVar；Sst為主電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)回路的計(jì)算容量，MVA。

由于主電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)母線電壓相對(duì)值ustB為85.2%，小于90%，因此母線電壓降大于10%，需要采取降壓?jiǎn)?dòng)的方式。

1.2電抗器降壓?jiǎn)?dòng)計(jì)算

電抗器降壓?jiǎn)?dòng)是電機(jī)定子繞組串一個(gè)三相電抗器，限制電機(jī)啟動(dòng)電流，使電機(jī)啟動(dòng)時(shí)一部分電壓降落在電抗上，于是電機(jī)上的電壓就低于電網(wǎng)電壓，當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)到接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，將電抗器短接，使電機(jī)在額定電壓下正常運(yùn)行[3]。

圖2 電抗器降壓?jiǎn)?dòng)方案

1.2.1電抗器降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的額定啟動(dòng)容量

電抗器降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的額定啟動(dòng)容量計(jì)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(shí)啟動(dòng)回路的計(jì)算容量

電抗器使用不同抽頭時(shí)啟動(dòng)回路的計(jì)算容量見公式(7)。

(7)

1.2.3電抗器使用不同抽頭時(shí)母線電壓相對(duì)值

電抗器使用不同抽頭時(shí)母線電壓相對(duì)值計(jì)算見公式(8)。

(8)

1.2.4電抗器降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩

電抗器降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的計(jì)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(jī)帶電抗器降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩值，kN·m；k為電抗器降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的減壓比，取0.61；TN為主電機(jī)額定啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，kN·m。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，使用電抗器0.96、1.00、1.04 Ω3個(gè)抽頭分別降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，母線電壓相對(duì)值分別為94.17%、94.25%、94.33%，均大于90%；啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩TST為14.2 kN·m，大于10.2 kN·m，因此電抗器降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)電網(wǎng)壓降小于10%，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于10.2 kN·m，滿足啟動(dòng)要求。

1.3自耦變壓器啟動(dòng)壓降計(jì)算

自耦變壓器啟動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)利用自耦變壓器來(lái)降低加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的啟動(dòng)電壓，待電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，再使電動(dòng)機(jī)與自耦變壓器脫離，從而在全壓下正常運(yùn)行。

本項(xiàng)目自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)方案如圖3所示，自耦變壓器在70%、75%、80%處各有1個(gè)抽頭，對(duì)應(yīng)啟動(dòng)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?jiǎn)?dòng)方案

1.3.1自耦變壓器電壓取不同抽頭時(shí)的啟動(dòng)電流倍數(shù)

不同抽頭自耦變壓器啟動(dòng)電流倍數(shù)的計(jì)算見公式(10)。

(10)

1.3.2不同抽頭自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)額定啟動(dòng)容量

不同抽頭自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)額定啟動(dòng)容量的計(jì)算見公式(11)。

(11)

1.3.3不同抽頭自耦變壓器啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)回路的計(jì)算容量

不同抽頭自耦變壓器啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)回路的計(jì)算容量見公式(12)。

(12)

1.3.4不同抽頭自耦變壓器啟動(dòng)時(shí)的母線電壓相對(duì)值

不同抽頭自耦變壓器啟動(dòng)時(shí)母線電壓相對(duì)值的計(jì)算見公式(13)。

(13)

1.3.5自耦變壓器不同電壓抽頭啟動(dòng)時(shí)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩值

自耦變壓器不同電壓軸頭啟動(dòng)時(shí)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算見公式(14)。

(14)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，使用自耦變壓器70%、75%、80% 3個(gè)抽頭降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，母線電壓相對(duì)值usTB分別為：96.38%、95.23%、93.94%，均大于90%；啟動(dòng)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?jiǎn)?dòng)方式電網(wǎng)壓降小于10%，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于10.2 kN·m，滿足啟動(dòng)要求。

1.4變頻器降壓?jiǎn)?dòng)

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

圖4 變頻器降壓?jiǎn)?dòng)方案

以上3種降壓?jiǎn)?dòng)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(jià)格最高，而且高濃盤磨運(yùn)行時(shí)不需要調(diào)速，因此不選擇變頻器方案。高濃盤磨在啟動(dòng)過(guò)程中有時(shí)需要重載啟動(dòng)，因?yàn)楦邼獗P磨非正常停機(jī)時(shí)，磨片之間會(huì)留有木漿，清洗不徹底時(shí)電機(jī)重新啟動(dòng)需要較大的啟動(dòng)力矩。在同樣的電壓變比情況下，自耦變壓器的啟動(dòng)力矩比電抗器啟動(dòng)力矩大，而且啟動(dòng)電流小。因此最終采用自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)方案。

2 主電機(jī)綜合保護(hù)

由于西門子同步電機(jī)造價(jià)昂貴，因此在使用過(guò)程中電機(jī)的運(yùn)行保護(hù)就顯得格外重要。主電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的保護(hù)主要是由勵(lì)磁柜中的7UM6215綜合保護(hù)器完成，保護(hù)功能有差動(dòng)保護(hù)、定子接地保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、低電壓保護(hù)、頻率保護(hù)、欠勵(lì)保護(hù)、不平衡負(fù)載保護(hù)等。

2.1主電機(jī)的繼電保護(hù)

2.1.1電流速斷保護(hù)整定值

電流速斷保護(hù)整定值的計(jì)算見公式(15)。

=10.68 (A)

(15)

式中，IOP，K為保護(hù)裝置的動(dòng)作電流，A；Krel為可靠系數(shù)，用于電流速斷保護(hù)時(shí)取1.3；Kcon為接線系統(tǒng)，接于相電流時(shí)取1.0；Kst為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流倍數(shù)；IrM為電動(dòng)機(jī)額定電流，A；nTA為電流互感器變比。

2.1.2過(guò)負(fù)荷保護(hù)整定值計(jì)算

過(guò)負(fù)荷保護(hù)整定值的計(jì)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(guò)負(fù)荷保護(hù)時(shí)動(dòng)作于跳閘取1.1；Kr為繼電器返回系數(shù)，取0.9；tst為電機(jī)實(shí)際啟動(dòng)時(shí)間，取9 s；tOP為保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)限，s。

2.1.3電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)

(1) 差動(dòng)保護(hù)的啟動(dòng)電流

差動(dòng)保護(hù)的啟動(dòng)電流計(jì)算見公式(17)。

=0.62～1.24 (A)

取0.62 A，延時(shí)0.15 s

(17)

式中，ID，ST為差動(dòng)保護(hù)的啟動(dòng)電流，A；IrM為電動(dòng)機(jī)額定電流，A；nTA為電流互感器變比。

(2)差動(dòng)保護(hù)速斷動(dòng)作電流

差動(dòng)保護(hù)速斷動(dòng)作電流計(jì)算見公式(18)。

=2.5×3.1=7.75 (A)

(18)

3 結(jié) 語(yǔ)

高濃盤磨主電機(jī)采用自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)方式，啟動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)、啟動(dòng)壓降滿足工廠電網(wǎng)要求，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩滿足生產(chǎn)需要。西門子公司的無(wú)刷同步電機(jī)保護(hù)完善，在福建省青山紙業(yè)股份有限公司運(yùn)行多年，系統(tǒng)運(yùn)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(guò)跳閘現(xiàn)象，比如高濃盤磨刀盤磨損嚴(yán)重后會(huì)出現(xiàn)震動(dòng)跳閘；冬季環(huán)境溫度低時(shí)潤(rùn)滑油站的壓力和流量會(huì)波動(dòng)，導(dǎo)致主電機(jī)跳閘；由于外部設(shè)備故障導(dǎo)致主電機(jī)跳閘3次，重新啟動(dòng)電機(jī)需要等待8 h以上，影響正常生產(chǎn)。因此平時(shí)還需要精心維護(hù)，不斷深入研究，及時(shí)發(fā)現(xiàn)排除運(yùn)行過(guò)程中的安全隱患，才能確保電機(jī)的穩(wěn)定長(zhǎng)期運(yùn)行。