高壓軟起動(dòng)裝置在地采排水系統(tǒng)中的應(yīng)用

張建偉

（攀鋼礦業(yè)公司攀枝花鐵礦，四川攀枝花 617000）

0 引言

攀鋼礦業(yè)公司攀枝花鐵礦尖山地采井下排水裝置部署在1200 m 水平中段，正常涌水量5126 m3/d，最大涌水量51 342 m3/d。井下設(shè)有中央水泵房一座，泵房?jī)?nèi)共有6 臺(tái)型號(hào)為MD580-60×7 的水泵，配套電機(jī)型號(hào)YKK560-2-4、額定電壓10 kV、功率1000 kW、額定電流70 A。采用井下集中排水的方式，通過(guò)中央水倉(cāng)由主水泵站排出。

泵站為一級(jí)雙回路電源供電，10 kV 電源取自上級(jí)35 kV變配電站兩臺(tái)8000 kVA 變壓器，由阻燃交聯(lián)聚乙烯絕緣鎧裝護(hù)套電纜引入中央主排水泵站配電室，配電室內(nèi)分別安裝起動(dòng)柜控制6 臺(tái)水泵電機(jī)，用于水泵電機(jī)的啟停操作。

由于高壓電機(jī)功率較大，過(guò)大的起動(dòng)電流會(huì)造成電機(jī)線圈發(fā)熱老化，起動(dòng)時(shí)對(duì)機(jī)械裝置和電網(wǎng)的沖擊也非常大，不但導(dǎo)致設(shè)備維修量增加，減少其使用壽命，還會(huì)對(duì)同一電網(wǎng)上其他設(shè)備帶來(lái)影響。因此，必須選擇合適的起動(dòng)方式。綜合多方面的因素來(lái)看，高壓軟起動(dòng)器十分符合井下作業(yè)工況。

1 高壓軟起動(dòng)的選擇

國(guó)內(nèi)軟起動(dòng)方式應(yīng)用比較廣泛，高壓軟起動(dòng)器主要類型有液態(tài)水阻軟起動(dòng)、VFS 晶閘管軟起動(dòng)、RYZQ 干式軟起動(dòng)。

（1）液態(tài)水阻軟起動(dòng)。液態(tài)水阻軟起動(dòng)的體積大、占地范圍廣，每一套水阻起動(dòng)柜的柜體，構(gòu)成復(fù)雜，需要水箱、極板和軸承等，另外還要配備用于起動(dòng)完畢后短接水阻柜的旁路柜等裝置，操作、維護(hù)均比較麻煩，不適合井下硐室的有限空間，在井下使用存在一定的安全隱患。

（2）VFS 晶閘管軟起動(dòng)。VFS 晶閘管軟起動(dòng)是利用晶閘管斬波原理，通過(guò)對(duì)晶閘管導(dǎo)通角的控制來(lái)改變電源的頻率和電壓，使電機(jī)的起動(dòng)電流隨著時(shí)間的增加成比例升高，整個(gè)起動(dòng)過(guò)程會(huì)出現(xiàn)較大電流，產(chǎn)生諧波污染，晶閘管容易因過(guò)熱受損，而井下硐室環(huán)境惡劣、粉塵重、濕度大、溫度高，電力電子器件無(wú)法可靠運(yùn)行。

（3）RYZQ 干式軟起動(dòng)。高壓干式調(diào)壓軟起動(dòng)柜，結(jié)構(gòu)緊湊、便于安裝，可以將運(yùn)行、旁路柜和軟起動(dòng)柜集成在一起，要實(shí)現(xiàn)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)，就需要調(diào)整串聯(lián)在起動(dòng)回路中的電感線圈。這種起動(dòng)裝置適應(yīng)范圍廣，可以在-30～50 ℃的環(huán)境工作，對(duì)溫度、濕度及空間的要求不高，可以滿足礦山地采的作業(yè)環(huán)境。

表1 為各起動(dòng)方式的性能對(duì)比。從表1 可以看出，受礦山井下高粉塵、潮濕環(huán)境的影響，干式調(diào)壓軟起動(dòng)最為符合攀枝花鐵礦地采排水電機(jī)的使用要求。

表1 各類起動(dòng)方式的性能對(duì)比

2 干式調(diào)壓軟起動(dòng)的技術(shù)分析

2.1 工作原理

干式調(diào)壓軟起動(dòng)是在起動(dòng)回路中串接了可以進(jìn)行調(diào)節(jié)的電感線圈，通過(guò)對(duì)線圈磁場(chǎng)的調(diào)整，改變磁場(chǎng)強(qiáng)度H，使磁介質(zhì)的導(dǎo)磁率μ 發(fā)生變化。隨著電感線圈感抗XL在設(shè)定時(shí)間內(nèi)的增減，對(duì)電機(jī)的端電壓進(jìn)行平穩(wěn)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速。

高壓軟起動(dòng)器接在電源和電機(jī)之間，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，軟起動(dòng)裝置自動(dòng)投入，實(shí)現(xiàn)平滑起動(dòng)，避免因過(guò)流出現(xiàn)跳閘。電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，旁路接觸器主觸頭變成動(dòng)合狀態(tài)，電機(jī)進(jìn)行全壓運(yùn)行。電機(jī)停止時(shí)，電壓緩慢降低，轉(zhuǎn)速持續(xù)下降實(shí)現(xiàn)軟停機(jī)，避免急停造成的機(jī)械沖擊。

2.2 工作特點(diǎn)

干式調(diào)壓軟起動(dòng)器屬于自動(dòng)控制設(shè)備，初始起動(dòng)階段，起動(dòng)電流會(huì)按照設(shè)定的時(shí)間，以一定的斜率逐步上升，高壓水泵電機(jī)運(yùn)行后，起動(dòng)電流變化的反饋信息，自動(dòng)對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到設(shè)定值后便保持在恒流運(yùn)行狀態(tài)，直到結(jié)束整個(gè)起動(dòng)過(guò)程。正常情況下，起動(dòng)電流的上升率將隨現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載的變化，自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整：電流上升率di/dt越高→起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T 就越大→起動(dòng)時(shí)間tst就會(huì)越短。當(dāng)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩需要在50%～90%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時(shí)，起動(dòng)時(shí)間可在2～30 s 進(jìn)行調(diào)整。這種起動(dòng)方式在泵與風(fēng)機(jī)類負(fù)載應(yīng)用十分廣泛，尤其適合在礦井高壓排水泵中使用。軟起動(dòng)斜坡特性曲線如圖1 所示。

圖1 軟起動(dòng)斜坡特性曲線

干式調(diào)壓軟起動(dòng)器的主要作用是對(duì)高壓電機(jī)進(jìn)行起動(dòng)控制，達(dá)到保護(hù)和節(jié)能的目的。與其他類型的起動(dòng)器相比，具有以下4 個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）安全節(jié)能。適用于苛刻的環(huán)境條件，安全性高。電機(jī)處于輕載運(yùn)行時(shí)，軟起動(dòng)器會(huì)自動(dòng)調(diào)低電壓，減小空載勵(lì)磁電流等無(wú)功損耗。

（2）平穩(wěn)可靠。起動(dòng)時(shí)電流按一定的斜率上升，無(wú)沖擊電流。停機(jī)時(shí)平滑減速，克服了瞬時(shí)斷電對(duì)電機(jī)造成的損傷，避免了水錘效應(yīng)對(duì)設(shè)備的傷害。

（3）設(shè)置方便。保護(hù)功能齊全，電流、轉(zhuǎn)矩、時(shí)間等控制參數(shù)可以按照實(shí)際負(fù)載和電網(wǎng)繼電保護(hù)特性進(jìn)行合理選擇，并調(diào)節(jié)至最性狀態(tài)。

（4）無(wú)需維護(hù)。結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)約空間，方便與周圍設(shè)備拼裝，干變特性，不需要經(jīng)常維護(hù)，可以減少人工費(fèi)用和備件材料消耗。

3 干式調(diào)壓軟起動(dòng)器的實(shí)際應(yīng)用

3.1 組成

在攀枝花鐵礦地采排水主排水泵站配電室，采用干式調(diào)壓高壓軟起動(dòng)柜，與KYN28 型中壓開(kāi)關(guān)柜連屏安裝。軟起動(dòng)柜內(nèi)有3 只電流互感器、1臺(tái)真空斷路器、2 臺(tái)真空接觸器、1 組干式移磁無(wú)級(jí)調(diào)壓軟起動(dòng)器等元件。軟起動(dòng)繞組采用三相全密封式真空注膠，確保繞組線圈和外界氣體完全隔離。圖2 為干式調(diào)壓高壓軟起動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)組成。

圖2 干式調(diào)壓高壓軟起動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)組成

3.2 操作方式

干式高壓軟起動(dòng)器具備控制、保護(hù)及報(bào)警，以及記錄運(yùn)行時(shí)間、事件記錄等其他功能。控制面板有LED 狀態(tài)指示和液晶面板顯示，簡(jiǎn)單直觀，可通過(guò)柜上、機(jī)旁和中控3 種方式操作軟起動(dòng)器。

3.3 相關(guān)參數(shù)設(shè)定

高壓軟起動(dòng)器的電流限流系數(shù)設(shè)定為2.0Ie，起動(dòng)電壓設(shè)定為0.5Ue，欠壓和過(guò)壓值分別設(shè)定為0.3Ue和1.2Ue，過(guò)流系數(shù)設(shè)定為1.5Ie，連續(xù)起動(dòng)間隔時(shí)間設(shè)定為5 min，起動(dòng)與軟停時(shí)間均設(shè)定為30 s。

4 結(jié)束語(yǔ)

高壓大容量電機(jī)如果起動(dòng)方式不合理，將會(huì)影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，引起電網(wǎng)波動(dòng)甚至保護(hù)跳閘。而干式調(diào)壓軟起動(dòng)能夠確保電機(jī)在起停過(guò)程中不出現(xiàn)沖擊電流，滿足地采排水的實(shí)際需要。

攀鋼攀枝花鐵礦尖山地下礦采用干式調(diào)壓軟起動(dòng)，自2020年運(yùn)行以來(lái)10 kV 高壓電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，軟起動(dòng)裝置起動(dòng)時(shí)電流平穩(wěn)上升到額定電流，減小了對(duì)35 kV 降壓站變壓器的沖擊，為礦山地采中央水倉(cāng)的正常排水提供了保證。