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的電動機(jī)都被稱為高壓電動機(jī)。海上平臺所使用的發(fā)電機(jī)透平型號不同,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)點就是功率較大,遭受沖擊能力也相對較強(qiáng),而缺點就是其具有的慣性較大,在啟動與制動方面都相對困難。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)動設(shè)備也開始逐漸由燃?xì)怛?qū)動演變?yōu)楦邏弘妱訖C(jī)進(jìn)行驅(qū)動。由于高壓電動機(jī)的啟動特性,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)行直接啟動時,將產(chǎn)生一個非常大的沖擊電流,此電流可達(dá)到電動機(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)直接啟動時,可能會出現(xiàn)一個非常高的峰值轉(zhuǎn)矩,施加于傳動電機(jī)和機(jī)械系統(tǒng)。高壓電動機(jī)直接啟動對電網(wǎng)的沖擊將會對采油平臺同網(wǎng)供電的其他設(shè)備的可靠運轉(zhuǎn)帶來嚴(yán)重威脅,同時也會形成過大的啟動能量耗損。
本文以某海洋采用平臺為例,介紹一拖一式固態(tài)軟啟動方式對高壓電動機(jī)的啟動控制。
海上采油平臺電力系統(tǒng)采用孤島電站運行模式,或幾個中心平臺采用海底電纜組成的電網(wǎng)運行模式。高壓電動機(jī)直接啟動時通過接觸器將電動機(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沖擊電網(wǎng),可能會導(dǎo)致電力組網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各采油平臺供電網(wǎng)電壓波動、降低電能質(zhì)量,引起綜保欠壓保護(hù)功能動作,造成設(shè)備的有害跳閘,發(fā)生海上采油平臺關(guān)斷事故。
②過大的沖擊電流破壞電動機(jī)的內(nèi)部絕緣,使電動機(jī)繞組發(fā)熱,從而加劇其絕緣老化程度,降低電動機(jī)的使用壽命。
③將對電動機(jī)本體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定沖擊。高壓電動機(jī)直接啟動時,將會產(chǎn)生很大的啟動電流,這樣就導(dǎo)致在繞組間產(chǎn)生相應(yīng)的電動力,使電動機(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,對被帶動的泵類、壓縮機(jī)等設(shè)備在瞬時產(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)計的前提下,同時為達(dá)到降低啟動時所產(chǎn)生的沖擊電流與較大應(yīng)力,傳統(tǒng)的方式為使用啟動輔助裝置,包括啟動用串飽和電抗器和自耦變壓器來完成正常的啟動工作。這種方法可以降低高壓電動機(jī)的啟動電壓,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瞬時電流尖峰打擊的影響。
海上采油平臺生產(chǎn)過程中常見的軟啟動方式為使用軟啟動器和變頻器 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改變相應(yīng)頻率,如現(xiàn)場油井需要根據(jù)實際情況選擇不同頻率運行工況;軟啟動器實際上是個調(diào)壓器件,在高壓電動機(jī)啟動時,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行。軟啟動器在設(shè)定的時間內(nèi)提供無極加速驅(qū)動系統(tǒng)不斷提高輸出電壓,可以實現(xiàn)無沖擊啟動,這種啟動方法能降低高浪涌電流,將電機(jī)及驅(qū)動負(fù)載的影響降到最小,不會使電網(wǎng)承受峰值電流的沖擊,提高了供電電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
軟啟動器是由串接于三相交流電源與被控制電動機(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 軟啟動器的電路圖Fig.1 Circuit diagram of soft starter
如圖 1可知,軟啟動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,從而改變軟起動器的輸出電壓,即三相交流電動機(jī)定子繞組電壓大小,從而控制交流電動機(jī)。它可以使軟啟動器輸出電壓完全導(dǎo)通,電動機(jī)在全電壓下運行,從而實現(xiàn)軟啟動。
對于現(xiàn)場實際的軟啟動高壓控制柜(電動機(jī)控制中心),大部分都具有 2種啟動方式:直接啟動、軟啟動。固態(tài)電動機(jī)軟啟動器在將電動機(jī)啟動到額定電壓之后,軟啟動器中的晶閘管將處于全開狀態(tài)。每個晶閘管的管壓降到 1V左右,故損耗較大,為了降低這樣的運行損耗,延長軟啟動器的使用壽命,使電網(wǎng)避免諧波的污染,消減軟啟動器中晶閘管的發(fā)熱損耗。采取必要的措施,等待軟啟動結(jié)束后,往往會使用1個旁路接觸器接晶閘管旁路。
旁路接觸器軟啟動器分為2類:①內(nèi)置旁路型的軟啟動器,在軟啟動器內(nèi)部晶閘管兩頭并聯(lián)內(nèi)接旁路接觸器;②旁路型的軟啟動器,在軟啟動器內(nèi)部晶閘管兩端并聯(lián)外接旁路接觸器。軟啟動器電路圖如圖 2所示。
圖2 旁路接觸器軟啟動器電路圖Fig.2 Circuit diagram of bypass contactor soft starter
固態(tài)電動機(jī)軟啟動器對電動機(jī)啟動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,啟動方式相對最為簡單,僅調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通角,使之與時間成一定函數(shù)關(guān)系[3]。如圖 3所示,用戶可以預(yù)先設(shè)置一個啟動電壓和啟動時間,在加速斜坡時間內(nèi),電動機(jī)的定子電壓從某一個可設(shè)置的啟動電壓均勻升高到電源電壓,電動機(jī)啟動過程結(jié)束,進(jìn)入運行階段。由于其不限制電流,在電機(jī)啟動的過程中,有時會發(fā)生較大的沖擊電流致使晶閘管損壞,對現(xiàn)場電網(wǎng)的影響比較大,實際應(yīng)用過程中很少出現(xiàn)。
圖3 電壓斜坡控制Fig.3 Voltage ramp control
這種控制方式會在某一個可設(shè)置的啟動時間內(nèi),以線性方式將電動機(jī)中所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩從某一個可設(shè)定參數(shù)的啟動轉(zhuǎn)矩升高到某一個可設(shè)定參數(shù)的最終轉(zhuǎn)矩。軟啟動器可根據(jù)所設(shè)置的參數(shù),以連續(xù)線性方式,對電動機(jī)上所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié),一直到完成電動機(jī)加速為止。
高壓固態(tài)軟啟動柜采用模塊化設(shè)計,這樣方便對其進(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,減少外部環(huán)境對裝置內(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臺固態(tài)軟啟動器帶動1臺高壓電動機(jī)的運行方式稱為一拖一的運行方式。
此次案例中的注水泵使用的則是最普遍的一拖一方式,即一臺軟啟動器實現(xiàn)現(xiàn)場一臺電動機(jī)的軟啟動方式,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?。軟啟動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機(jī)軟啟動完畢后,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)場實際電機(jī)的電壓來決定的,這種元件是由多個可控硅以串聯(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。
軟啟動器工作原理如圖5所示,這種啟動方式一方面能夠減少對電網(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)啟動瞬間沖擊電流,減少對電力組網(wǎng)與電機(jī)本身的各種沖擊。
圖5 軟起動器工作原理圖Fig.5 Working principle diagram of soft starter
4.3.1 軟啟動調(diào)試
①測試主回路絕緣,電動機(jī)耐壓檢測:斷開去電機(jī)的動力電纜,用 5.0kV搖表檢測定子相間和每相對地的絕緣電阻,不應(yīng)該低于6MΩ。
②檢查軟啟動控制回路。外觀檢查機(jī)器內(nèi)部各個元器件是否完好無損,緊固件是否牢固,連線有無松動。
③故障停機(jī)實驗。模擬電機(jī)啟動過程發(fā)生故障,軟啟動器內(nèi)部產(chǎn)生故障報警信號,啟動過程停止,延時 10s后,故障指示燈亮,系統(tǒng)產(chǎn)生聲光報警提示,并自動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)置為試驗位置,按下軟啟動柜的合閘按鈕,軟啟動柜上的電源指示燈亮,軟啟動器上電。
②按動高壓電動機(jī)控制盤上的啟動按鈕,軟啟動器開始工作。
③短接軟啟動控制器,注水泵控制柜的旁路真空斷路器閉合,模擬電網(wǎng)對電機(jī)直接供電,軟啟動過程結(jié)束。
4.3.3 軟啟動帶載調(diào)試
①將旁路真空斷路器設(shè)置為正常位置,按下軟啟動柜的合閘按鈕,軟啟動柜上的電源指示燈亮,軟啟動器上電。
②按動高壓電動機(jī)控制盤上的啟動按鈕,軟啟動器開始工作,電動機(jī)按照軟啟動器預(yù)先設(shè)定好的曲線啟動。
③當(dāng)電動機(jī)達(dá)到或接近額定轉(zhuǎn)速時,電動機(jī)控制柜的旁路真空斷路器閉合,電網(wǎng)對電機(jī)直接供電,軟啟動過程結(jié)束,軟啟動器停止對電機(jī)供電。
固態(tài)軟啟動器現(xiàn)已廣泛用于海洋采油平臺高壓電動機(jī)控制領(lǐng)域。隨著軟啟動技術(shù)的發(fā)展,軟啟動器的控制功能與各種保護(hù)措施也在逐步提高,減少了對電網(wǎng)電力系統(tǒng)的沖擊,為海上采油平臺的高壓電機(jī)啟動運行提供強(qiáng)有力的保障。