高壓大型同步電動(dòng)機(jī)電抗器降壓起動(dòng)方式的探討

劉明，滿淳

（1.天津渤化工程有限公司，天津300193；2.中國(guó)鐵塔股份有限公司天津市分公司，天津300000）

伴隨著我國(guó)電動(dòng)機(jī)制造工業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品品種和規(guī)格不斷增加，單機(jī)容量迅速增大，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不斷提高，與國(guó)外電動(dòng)機(jī)制造工業(yè)逐漸靠攏[1]。

同步電動(dòng)機(jī)是常用的交流電動(dòng)機(jī)的一種，與直流電動(dòng)機(jī)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)不同在于，同步電動(dòng)機(jī)既可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，又可以作為補(bǔ)償機(jī)運(yùn)行，還可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。在現(xiàn)代發(fā)電廠中，交流發(fā)電機(jī)幾乎都是同步發(fā)電機(jī)；在電力企業(yè)和工礦系統(tǒng)中，大容量的電動(dòng)機(jī)往往都是同步電動(dòng)機(jī)或者同步補(bǔ)償機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)直接投入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，存在著失步與起動(dòng)困難兩大難題，這些難題制約著同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)用與發(fā)展[2]。

1 同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式的選擇

1.1 交流電動(dòng)機(jī)的各種起動(dòng)方式

籠型異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式常用的有全壓起動(dòng)、降壓起動(dòng)和變頻起動(dòng)三種方式。繞線型異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式一般有頻敏變阻器起動(dòng)、電阻分級(jí)起動(dòng)和交流電力電子開(kāi)關(guān)起動(dòng)（交流電力電子開(kāi)關(guān)只用于交流低壓電動(dòng)機(jī)）[3]。

1.2 交流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式的比較

變頻起動(dòng)是一種高效率、高性能的起動(dòng)和調(diào)速方式，伴隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，變頻起動(dòng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是其系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)較高，轉(zhuǎn)速變化率小，對(duì)項(xiàng)目的初始投資造成一定的困難。

降壓起動(dòng)常用的有以下六種：1）星形-三角形降壓起動(dòng)；2）延邊三角形降壓起動(dòng)；3）電阻降壓起動(dòng)；4）晶閘管降壓起動(dòng)；5）電抗器降壓起動(dòng)；6）自耦變壓器降壓起動(dòng)。其中前四種往往用于低壓籠型異步電動(dòng)機(jī)，對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)和高壓籠型異步電動(dòng)機(jī)，一般只采用后兩種降壓起動(dòng)方式[4]。

電抗器降壓起動(dòng)和自耦變壓器降壓起動(dòng)均適用于高壓電動(dòng)機(jī)，電抗器降壓起動(dòng)的特點(diǎn)是起動(dòng)電流較小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大；電抗器降壓起動(dòng)的特點(diǎn)是起動(dòng)電流較大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小。

1.3 起動(dòng)方式的要求

對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)，應(yīng)優(yōu)先采用全壓起動(dòng)，且在起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電壓降、起動(dòng)容量、電動(dòng)機(jī)及其起動(dòng)設(shè)備的動(dòng)熱穩(wěn)定應(yīng)滿足要求。

不經(jīng)常起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)電壓降不應(yīng)大于15%；經(jīng)常起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)電壓降不應(yīng)超過(guò)10%；在保證生產(chǎn)機(jī)械所要求的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩又不影響其他用電負(fù)荷的正常運(yùn)行，起動(dòng)電壓降可允許到20%。

電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，應(yīng)對(duì)變壓器過(guò)負(fù)荷進(jìn)行校驗(yàn)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求、設(shè)備廠家試驗(yàn)數(shù)據(jù)，若每晝夜起動(dòng)6次，每次起動(dòng)時(shí)間不超過(guò)15s，變壓器的負(fù)荷率小于90%時(shí)，最大起動(dòng)電流允許為變壓器額定電流的4倍；若每晝夜起動(dòng)6次，每次啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間不超過(guò)30s，變壓器負(fù)荷率小于70%時(shí)，最大起動(dòng)電流允許值為變壓器額定電流的4倍；若每晝夜起動(dòng)10～20次，每次起動(dòng)時(shí)間不超過(guò)30s，變壓器負(fù)荷率小于70%時(shí)，最大起動(dòng)電流允許為變壓器額定電流的2～3倍；若每晝夜起動(dòng)10～20次，每次起動(dòng)時(shí)間不超過(guò)15s，變壓器負(fù)荷率小于90%時(shí)，最大起動(dòng)電流允許為變壓器額定電流的2～3倍。當(dāng)不符合上述條件時(shí)，應(yīng)加大變壓器的容量，而不是進(jìn)一步降低起動(dòng)電壓，否則會(huì)延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間，使變壓器過(guò)熱[5]。

1.4 實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目舉例（僅對(duì)電抗器降壓起動(dòng)方式進(jìn)行討論）

某項(xiàng)目1450kW軋鋼電動(dòng)機(jī)起動(dòng)條件如下：

1)變電所6kV母線上短路容量Sd1=46MVA；2)電動(dòng)機(jī)靜阻轉(zhuǎn)矩M*j=0.16；3)母線上的無(wú)功負(fù)荷Qfh=2.95Mvar；4)機(jī)組的總飛輪轉(zhuǎn)矩GD2=80Mg；5)電動(dòng)機(jī)額定容量Se=1.9MVA；6)電動(dòng)機(jī)額定功率Pe=1450kW；7)電動(dòng)機(jī)額定電流Ie=183A；8)電動(dòng)機(jī)額定電壓Ue=6kV；9)電動(dòng)機(jī)的全起動(dòng)電壓U*qe=1；10)電動(dòng)機(jī)全電壓起動(dòng)時(shí)的電流倍數(shù)Kiq=5.9；11)電動(dòng)機(jī)全電壓起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩M*q=1；12)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的平均轉(zhuǎn)矩M*qp=1.1；13)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)cosφ=-0.8；14)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速ne=500r/min；15)連續(xù)起動(dòng)次數(shù)N=3次；

計(jì)算全壓起動(dòng)的可能性：1）計(jì)算系數(shù)α=1/U*m-1=0.175（根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范GB50055要求，U*m=0.85，下同）；2）采用全壓起動(dòng)的條件：Kiq×Se＜α×（Sdl+Qfh）；Kiq×Se=5.9×1.9=11.2，α×（Sdl+Qfh）=0.175×（46+2.95）=8.55，11.2＞8.55，不滿足全壓起動(dòng)條件。

計(jì)算電抗器起動(dòng)的可能性：1）計(jì)算系數(shù)β=1.05/（1-U*m）=7；2）采用電抗器降壓起動(dòng)條件：U*qe×（Sdl+Qfh）/（Kiq×Se）＞β×（M*j/M*q）1/2；U*qe×（Sdl+Qfh）/（Kiq×Se）=1×（46+2.95）/（5.9×1.9）=4.37，β×（M*j/M*q）1/2=7×（0.16/1）1/2=2.8，4.37＞2.8，滿足電抗器降壓起動(dòng)條件；3）計(jì)算系數(shù)γ=U*m/（1-U*m）=5.67；4）起動(dòng)電抗器的電抗=62×[5.67/(46+2.95)-12/(5.9×1.9)]=0.95；5）可選用某廠家NKL-6-200-6型水泥電抗器Xk=6/100×6000/(31/2×200)=1.04Ω。

電抗器起動(dòng)校驗(yàn)：

1）起動(dòng)電壓降低后的起動(dòng)容量

Sq’=（Kiq×Se）]=1/[1.04/62+1/(5.9×1.9)]=8.5MVA；2）起動(dòng)時(shí)母線上的電壓U*m=（Sdl+Qfh）/（Sdl+Qfh+Sq’）=（46+2.95）/（46+2.95+8.5）=0.85；3）起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)端子上的電壓U*q=U*qe×（1-U*m）×（Sdl+Qfh）/（Kiq×Se）=1×（1-0.85）×（46+2.95）/（5.9×1.9）=0.655；4）起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流Iq=U*q×Kiq×Ie=0.655×5.9×183=707A；5）起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩M*q=U*q2×M*e=0.6552×1=0.429＞0.16，電動(dòng)機(jī)可以起動(dòng)；6）起動(dòng)一次時(shí)間

tq=/[3580×Pe×（×M*qp-M*j）]=80×5002/[3580×1450×（0.6552×1.1-0.16）]=12.4；7）連續(xù)起動(dòng)三次電抗器必需的熱穩(wěn)定度（kA2×s1/2）：

I×t1/2=0.9×Iq×（tq×N）1/2×10-3=0.9×707×（12.4×3）1/2×10-3=3.82；8）電抗器的熱穩(wěn)定度（kA2×s1/2）：某廠家NKL-6-20-6型設(shè)備，根據(jù)產(chǎn)品樣本得9.88，9.88＞3.82，滿足電抗器熱穩(wěn)定度要求。

2 結(jié)束語(yǔ)

2.1 高壓大型同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)有極大影響，因此，必須按照電壓降要求進(jìn)行起動(dòng)方法的選擇和計(jì)算。

2.2 在電網(wǎng)容量允許時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)盡量采用全壓起動(dòng)。只有在電網(wǎng)容量和電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)不允許全壓起動(dòng)時(shí)，才考慮采用電抗器起動(dòng)、自耦變壓器降壓起動(dòng)或變頻起動(dòng)。

2.3 同步電動(dòng)機(jī)是否允許直接起動(dòng)，首先取決于電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)條件，它由電機(jī)制造廠決定。如果不能取得電機(jī)制造廠的資料時(shí)，通?？砂聪率鰲l件估算，符合下述條件時(shí)，可以直接起動(dòng)：1）對(duì)于3kV電動(dòng)機(jī)：Pe/極對(duì)數(shù)≤250～300kW；2）對(duì)于6kV電動(dòng)機(jī)：Pe/極對(duì)數(shù)≤200～250kW。