尹澤陽,宋佳樂,嚴(yán) 亮,徐蘭柱
(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300450)
額定電壓超過1000V的電動(dòng)機(jī)都被稱為高壓電動(dòng)機(jī)。海上平臺(tái)所使用的發(fā)電機(jī)透平型號(hào)不同,經(jīng)常使用的額定電壓為6.3kV和10.5kV。
高壓電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)就是功率較大,遭受沖擊能力也相對(duì)較強(qiáng),而缺點(diǎn)就是其具有的慣性較大,在啟動(dòng)與制動(dòng)方面都相對(duì)困難。隨著海上油氣田的迅速發(fā)展,電氣化的程度及作用范圍在不斷擴(kuò)大,因此燃?xì)鈮嚎s機(jī)的燃?xì)怛?qū)動(dòng)設(shè)備也開始逐漸由燃?xì)怛?qū)動(dòng)演變?yōu)楦邏弘妱?dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。由于高壓電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性,在許多情況下,這些電機(jī)不允許直接連接到電源系統(tǒng)中,當(dāng)電機(jī)進(jìn)行直接啟動(dòng)時(shí),將產(chǎn)生一個(gè)非常大的沖擊電流,此電流可達(dá)到電動(dòng)機(jī)額定電流的 4~7倍。這種大電流將加重電源系統(tǒng)與開關(guān)設(shè)備的負(fù)擔(dān),并且當(dāng)電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)非常高的峰值轉(zhuǎn)矩,施加于傳動(dòng)電機(jī)和機(jī)械系統(tǒng)。高壓電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊將會(huì)對(duì)采油平臺(tái)同網(wǎng)供電的其他設(shè)備的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)帶來嚴(yán)重威脅,同時(shí)也會(huì)形成過大的啟動(dòng)能量耗損。
本文以某海洋采用平臺(tái)為例,介紹一拖一式固態(tài)軟啟動(dòng)方式對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)控制。
海上采油平臺(tái)電力系統(tǒng)采用孤島電站運(yùn)行模式,或幾個(gè)中心平臺(tái)采用海底電纜組成的電網(wǎng)運(yùn)行模式。高壓電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)通過接觸器將電動(dòng)機(jī)直接接到所在電力網(wǎng),這也帶來了不容忽視的危害。
1.1.1 電氣方面問題
①?zèng)_擊電網(wǎng),可能會(huì)導(dǎo)致電力組網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各采油平臺(tái)供電網(wǎng)電壓波動(dòng)、降低電能質(zhì)量,引起綜保欠壓保護(hù)功能動(dòng)作,造成設(shè)備的有害跳閘,發(fā)生海上采油平臺(tái)關(guān)斷事故。
②過大的沖擊電流破壞電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部絕緣,使電動(dòng)機(jī)繞組發(fā)熱,從而加劇其絕緣老化程度,降低電動(dòng)機(jī)的使用壽命。
③將對(duì)電動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定沖擊。高壓電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí),將會(huì)產(chǎn)生很大的啟動(dòng)電流,這樣就導(dǎo)致在繞組間產(chǎn)生相應(yīng)的電動(dòng)力,使電動(dòng)機(jī)各部件受到過大的應(yīng)力作用而導(dǎo)致本體損壞。
1.1.2 機(jī)械方面問題
①過大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩將產(chǎn)生機(jī)械沖擊,加速其內(nèi)部結(jié)構(gòu)磨損,對(duì)被帶動(dòng)的泵類、壓縮機(jī)等設(shè)備在瞬時(shí)產(chǎn)生較大的沖擊力,縮短使用壽命,導(dǎo)致設(shè)備故障頻發(fā)。
②造成機(jī)械傳動(dòng)部件的非正常磨損及較大的沖擊,加速其老化程度,影響各部件的傳動(dòng)精度。
根據(jù) GB/T 12325—2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》規(guī)范要求:35kV及以上供電電壓正、負(fù)偏差絕對(duì)值之和不超過標(biāo)稱電壓的10%;20kV及以下三相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的±7%[1]。
在滿足現(xiàn)場工藝要求供配電設(shè)計(jì)的前提下,同時(shí)為達(dá)到降低啟動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的沖擊電流與較大應(yīng)力,傳統(tǒng)的方式為使用啟動(dòng)輔助裝置,包括啟動(dòng)用串飽和電抗器和自耦變壓器來完成正常的啟動(dòng)工作。這種方法可以降低高壓電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電壓,但是這些常規(guī)方法只允許電壓一致降低且逐步降低電壓,無法從根本上解決啟動(dòng)瞬時(shí)電流尖峰打擊的影響。
海上采油平臺(tái)生產(chǎn)過程中常見的軟啟動(dòng)方式為使用軟啟動(dòng)器和變頻器 2種裝置。變頻器是用以調(diào)速的設(shè)備,其輸出不但改變電壓且同時(shí)改變相應(yīng)頻率,如現(xiàn)場油井需要根據(jù)實(shí)際情況選擇不同頻率運(yùn)行工況;軟啟動(dòng)器實(shí)際上是個(gè)調(diào)壓器件,在高壓電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí),輸出只改變電壓,并沒有改變頻率,如現(xiàn)場燃?xì)鈮嚎s機(jī)最終是在工頻工況下運(yùn)行。軟啟動(dòng)器在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)提供無極加速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不斷提高輸出電壓,可以實(shí)現(xiàn)無沖擊啟動(dòng),這種啟動(dòng)方法能降低高浪涌電流,將電機(jī)及驅(qū)動(dòng)負(fù)載的影響降到最小,不會(huì)使電網(wǎng)承受峰值電流的沖擊,提高了供電電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
軟啟動(dòng)器是由串接于三相交流電源與被控制電動(dòng)機(jī)之間的三相反并聯(lián)晶閘管及其電子控制電路構(gòu)成的晶閘管三相交流調(diào)壓電路[2],如圖1所示。
圖1 軟啟動(dòng)器的電路圖Fig.1 Circuit diagram of soft starter
如圖 1可知,軟啟動(dòng)器主電路是由相位控制的3組反并聯(lián)晶閘管組成的交流調(diào)壓電路。在每一相中均有2個(gè)反并聯(lián)的晶閘管,其中1支晶閘管用以正半周期,另 1支用以負(fù)半周期。軟啟動(dòng)器中電子控制電路以微處理器為控制核心元件,電子控制電路控制晶閘管的觸發(fā)脈沖控制角α來調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角,從而改變軟起動(dòng)器的輸出電壓,即三相交流電動(dòng)機(jī)定子繞組電壓大小,從而控制交流電動(dòng)機(jī)。它可以使軟啟動(dòng)器輸出電壓完全導(dǎo)通,電動(dòng)機(jī)在全電壓下運(yùn)行,從而實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。
對(duì)于現(xiàn)場實(shí)際的軟啟動(dòng)高壓控制柜(電動(dòng)機(jī)控制中心),大部分都具有 2種啟動(dòng)方式:直接啟動(dòng)、軟啟動(dòng)。固態(tài)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器在將電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)到額定電壓之后,軟啟動(dòng)器中的晶閘管將處于全開狀態(tài)。每個(gè)晶閘管的管壓降到 1V左右,故損耗較大,為了降低這樣的運(yùn)行損耗,延長軟啟動(dòng)器的使用壽命,使電網(wǎng)避免諧波的污染,消減軟啟動(dòng)器中晶閘管的發(fā)熱損耗。采取必要的措施,等待軟啟動(dòng)結(jié)束后,往往會(huì)使用1個(gè)旁路接觸器接晶閘管旁路。
旁路接觸器軟啟動(dòng)器分為2類:①內(nèi)置旁路型的軟啟動(dòng)器,在軟啟動(dòng)器內(nèi)部晶閘管兩頭并聯(lián)內(nèi)接旁路接觸器;②旁路型的軟啟動(dòng)器,在軟啟動(dòng)器內(nèi)部晶閘管兩端并聯(lián)外接旁路接觸器。軟啟動(dòng)器電路圖如圖 2所示。
圖2 旁路接觸器軟啟動(dòng)器電路圖Fig.2 Circuit diagram of bypass contactor soft starter
固態(tài)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器對(duì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制方式通常有以下2種。
這種控制方式不具備電流閉環(huán)控制,啟動(dòng)方式相對(duì)最為簡單,僅調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通角,使之與時(shí)間成一定函數(shù)關(guān)系[3]。如圖 3所示,用戶可以預(yù)先設(shè)置一個(gè)啟動(dòng)電壓和啟動(dòng)時(shí)間,在加速斜坡時(shí)間內(nèi),電動(dòng)機(jī)的定子電壓從某一個(gè)可設(shè)置的啟動(dòng)電壓均勻升高到電源電壓,電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程結(jié)束,進(jìn)入運(yùn)行階段。由于其不限制電流,在電機(jī)啟動(dòng)的過程中,有時(shí)會(huì)發(fā)生較大的沖擊電流致使晶閘管損壞,對(duì)現(xiàn)場電網(wǎng)的影響比較大,實(shí)際應(yīng)用過程中很少出現(xiàn)。
圖3 電壓斜坡控制Fig.3 Voltage ramp control
這種控制方式會(huì)在某一個(gè)可設(shè)置的啟動(dòng)時(shí)間內(nèi),以線性方式將電動(dòng)機(jī)中所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩從某一個(gè)可設(shè)定參數(shù)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩升高到某一個(gè)可設(shè)定參數(shù)的最終轉(zhuǎn)矩。軟啟動(dòng)器可根據(jù)所設(shè)置的參數(shù),以連續(xù)線性方式,對(duì)電動(dòng)機(jī)上所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié),一直到完成電動(dòng)機(jī)加速為止。
高壓固態(tài)軟啟動(dòng)柜采用模塊化設(shè)計(jì),這樣方便對(duì)其進(jìn)行日常檢修和維護(hù)。軟啟裝置與配有真空斷路器的高壓進(jìn)線柜配套使用,采用金屬防電磁干擾屏蔽設(shè)計(jì),減少外部環(huán)境對(duì)裝置內(nèi)部的干擾。該裝置主要由可控硅組件單元、控制和保護(hù)單元、人機(jī)顯示單元組成。1臺(tái)固態(tài)軟啟動(dòng)器帶動(dòng)1臺(tái)高壓電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式稱為一拖一的運(yùn)行方式。
此次案例中的注水泵使用的則是最普遍的一拖一方式,即一臺(tái)軟啟動(dòng)器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)方式,此方法避免了后期維護(hù)檢修的復(fù)雜性,如圖4所示。
圖4 一拖一方式控制方式Fig.4 One-to-one control mode
高壓軟啟動(dòng)柜與裝有真空斷路器的進(jìn)線柜共同搭配在一起進(jìn)行使用。高壓進(jìn)線柜配有電動(dòng)機(jī)的各種綜合繼電保護(hù)系統(tǒng),真空斷路器進(jìn)線柜配備的真空斷路器具有大電流過載與分?jǐn)嗄芰Α\泦?dòng)柜是由可控硅高壓組件、觸發(fā)電路、RC吸收電路、旁路真空接觸器及控制部分[4]組成。旁路真空接觸器在電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)完畢后,先切換至旁路,然后再斷開,接觸器閉合后可使電機(jī)流經(jīng)旁路接觸器。
可控硅高壓組件具體使用數(shù)量是根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際電機(jī)的電壓來決定的,這種元件是由多個(gè)可控硅以串聯(lián)的方式組成。RC吸收電路網(wǎng)絡(luò)模塊系統(tǒng)可以提供瞬時(shí)的電壓保護(hù),用以減少 dU/dt的沖擊電壓,防止可控硅部件的破裂損壞,保障其能夠正常工作。
軟啟動(dòng)器工作原理如圖5所示,這種啟動(dòng)方式一方面能夠減少對(duì)電網(wǎng)、電機(jī)自身的沖擊,并且可以減少電機(jī)所帶機(jī)械負(fù)載裝置的沖擊,延長現(xiàn)場設(shè)備的使用時(shí)間,減少設(shè)備停機(jī)的可能,降低設(shè)備的故障率;另一方面可以降低電機(jī)啟動(dòng)瞬間沖擊電流,減少對(duì)電力組網(wǎng)與電機(jī)本身的各種沖擊。
圖5 軟起動(dòng)器工作原理圖Fig.5 Working principle diagram of soft starter
4.3.1 軟啟動(dòng)調(diào)試
①測試主回路絕緣,電動(dòng)機(jī)耐壓檢測:斷開去電機(jī)的動(dòng)力電纜,用 5.0kV搖表檢測定子相間和每相對(duì)地的絕緣電阻,不應(yīng)該低于6MΩ。
②檢查軟啟動(dòng)控制回路。外觀檢查機(jī)器內(nèi)部各個(gè)元器件是否完好無損,緊固件是否牢固,連線有無松動(dòng)。
③故障停機(jī)實(shí)驗(yàn)。模擬電機(jī)啟動(dòng)過程發(fā)生故障,軟啟動(dòng)器內(nèi)部產(chǎn)生故障報(bào)警信號(hào),啟動(dòng)過程停止,延時(shí) 10s后,故障指示燈亮,系統(tǒng)產(chǎn)生聲光報(bào)警提示,并自動(dòng)直接脫開高壓盤斷路器,切斷系統(tǒng)供電。
4.3.2 模擬通電調(diào)試
①將旁路真空斷路器設(shè)置為試驗(yàn)位置,按下軟啟動(dòng)柜的合閘按鈕,軟啟動(dòng)柜上的電源指示燈亮,軟啟動(dòng)器上電。
②按動(dòng)高壓電動(dòng)機(jī)控制盤上的啟動(dòng)按鈕,軟啟動(dòng)器開始工作。
③短接軟啟動(dòng)控制器,注水泵控制柜的旁路真空斷路器閉合,模擬電網(wǎng)對(duì)電機(jī)直接供電,軟啟動(dòng)過程結(jié)束。
4.3.3 軟啟動(dòng)帶載調(diào)試
①將旁路真空斷路器設(shè)置為正常位置,按下軟啟動(dòng)柜的合閘按鈕,軟啟動(dòng)柜上的電源指示燈亮,軟啟動(dòng)器上電。
②按動(dòng)高壓電動(dòng)機(jī)控制盤上的啟動(dòng)按鈕,軟啟動(dòng)器開始工作,電動(dòng)機(jī)按照軟啟動(dòng)器預(yù)先設(shè)定好的曲線啟動(dòng)。
③當(dāng)電動(dòng)機(jī)達(dá)到或接近額定轉(zhuǎn)速時(shí),電動(dòng)機(jī)控制柜的旁路真空斷路器閉合,電網(wǎng)對(duì)電機(jī)直接供電,軟啟動(dòng)過程結(jié)束,軟啟動(dòng)器停止對(duì)電機(jī)供電。
固態(tài)軟啟動(dòng)器現(xiàn)已廣泛用于海洋采油平臺(tái)高壓電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域。隨著軟啟動(dòng)技術(shù)的發(fā)展,軟啟動(dòng)器的控制功能與各種保護(hù)措施也在逐步提高,減少了對(duì)電網(wǎng)電力系統(tǒng)的沖擊,為海上采油平臺(tái)的高壓電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保障。