大型高壓同步電機在高濃盤磨系統(tǒng)啟動過程的控制

李建橋

（福建省青山紙業(yè)股份有限公司，福建三明，365056）

在伸性紙袋紙的生產(chǎn)過程中通常應用高濃磨漿系統(tǒng)，其主要作用是提高紙張的透氣度、撕裂度、抗張能量吸收值等物理指標[1]。高濃磨漿相比于低濃磨漿，磨區(qū)料層較厚，磨齒的沖擊作用減弱，漿料之間的摩擦作用加強[2]。高濃盤磨系統(tǒng)是生產(chǎn)高強度伸性紙袋紙的關(guān)鍵設(shè)備，為了滿足生產(chǎn)需要，高濃盤磨需要配置大型高壓同步電機。盤磨機由大功率的同步電機帶動，運行過程中動、定盤擠壓并摩擦纖維，同時由液壓推進控制進退刀，并通過旋轉(zhuǎn)螺旋推進器進料[3]。在磨漿過程中，紙漿纖維首先發(fā)生初生壁和次生壁的破裂，繼而使纖維產(chǎn)生吸水潤脹、分絲帚化及適度切斷等[4]。福建省青山紙業(yè)股份有限公司（以下簡稱福建青山）2#紙機高濃盤磨系統(tǒng)配置了1 臺西門子高壓同步電機，電機型號1DZ1238-8AC02-Z，額定功率6000 kW、額定電壓6000 V、額定電流620 A、額定轉(zhuǎn)速1500 r/min、功率因數(shù)0.95。該電機采用自耦變壓器降壓啟動，啟動電流為額定電流的2.48 倍，啟動時間9 s。為了不影響電網(wǎng)電壓的波動和其他相關(guān)電氣設(shè)備的運行，該電機采用降壓啟動方式，啟動過程比較復雜，容易出現(xiàn)事故。電機一旦多次啟動失敗，需要強制停機冷卻，長時間的停機等待，將影響企業(yè)正常生產(chǎn)，造成嚴重的經(jīng)濟損失。本課題采用7UM62 綜合保護器對電機進行保護，尤其是電機頻繁啟動控制功能有效地保障了電機安全運行。

1 電機頻繁啟動控制功能介紹

電機正常運行時，轉(zhuǎn)子的溫度通常低于允許的最高溫度。當電機啟動時，由于熱時間常數(shù)很小，會產(chǎn)生很大的啟動電流，連續(xù)頻繁啟動電機，電機的轉(zhuǎn)子很容易過溫。電機繞組絕緣結(jié)構(gòu)所采用的材料，在溫度的作用下，其機械、電氣、物理等性能都將逐漸變壞，而當溫度升高到一定程度時，絕緣材料的性能會發(fā)生本質(zhì)的變化，最后甚至失去絕緣的能力[5]。頻繁啟動電機將導致繞組過溫，甚至燒毀電機繞組；因此，必須阻止電機的頻繁啟動。西門子綜合保護器7UM62 提供了電機頻繁啟動的閉鎖功能，在電機多次頻繁啟動后，保護裝置將發(fā)出1個抑制信號來閉鎖電機的再次啟動，直到電機滿足下一次啟動條件為止。

1.1 電機重新啟動的門檻值

為了保護電機，避免電機頻繁啟動，控制電機溫升，電機一般都設(shè)置了重新啟動門檻值。電機多次啟動后，電機轉(zhuǎn)子的溫度超過允許的門檻值，電機啟動將會被禁止。只有當轉(zhuǎn)子溫度下降到再次啟動的門檻值以下，或者電機再次啟動時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子溫升不會超過轉(zhuǎn)子的溫升極限，保護裝置的閉鎖信號才會復位，電機才允許啟動。電機再次啟動的門檻值θRe.Inh.與轉(zhuǎn)子允許最大溫升的關(guān)系如表1所示。

表1 電機再次啟動的門檻值與轉(zhuǎn)子允許最大溫升的關(guān)系Table 1 Relationship between threshold value of motor restart and allowable maximum temperature rise of rotor

由表1 可知，電機允許冷啟動2 次時，電機再次啟動的門檻值為轉(zhuǎn)子允許最大溫升的50%，電機允許冷啟動3 次時，電機第3 次啟動時的門檻值為轉(zhuǎn)子允許最大溫升的66.7%，電機允許冷啟動4 次時，電機第4 次啟動時的門檻值為轉(zhuǎn)子允許最大溫升的75%；即電機在重新啟動前要留有溫升余量，電機重新啟動后轉(zhuǎn)子的溫升不能超過轉(zhuǎn)子允許的最大溫升。

1.2 電機轉(zhuǎn)子溫升計算

電機轉(zhuǎn)子的溫升對電機的運行很關(guān)鍵。由于無法直接測量電機轉(zhuǎn)子繞組的電流，必須用定子繞組電流的有效值來確定轉(zhuǎn)子的溫升。轉(zhuǎn)子繞組的溫升θ通過三相電流中的最大電流值來計算。保護裝置采用微分方程，根據(jù)單體熱模型計算電機的溫升，見式(1)。

式中，θ為每單位電機溫升，即相對于最大允許溫升的百分比比值；θK為冷卻介質(zhì)溫度或環(huán)境溫度與40°C 參考溫度的差值；τ為電機發(fā)熱的熱時間常數(shù)；I為每單位電機電流，即相對于最大允許的持續(xù)運行電流的百分比比值。

當環(huán)境溫度為40℃時，式(1)可轉(zhuǎn)化為式(2)。

當電機啟動電流相對于最大允許的持續(xù)運行電流的百分比比值I為2.48，啟動時間t為9 s，電機啟動時發(fā)熱的熱時間常數(shù)τ為165，環(huán)境溫度為40℃時，電機每單位溫升θ相對于最大允許溫升的百分比比值見式(3)。

通過式（2）可知，電機完成1 次啟動，轉(zhuǎn)子的溫升增加為相對于最大允許溫升比值的32.67%。根據(jù)電機的設(shè)計，電機允許在冷態(tài)下啟動3次，熱態(tài)下啟動2次，但是要避免電機短時間連續(xù)啟動，電機啟動的間隔時間太小，電機繞組沒有充分冷卻，電機內(nèi)部的熱量不能及時散發(fā)，電機溫升易急劇升高，有可能導致電機過溫跳閘，甚至燒毀電機繞組，因此要避免短時間內(nèi)連續(xù)啟動電機。

1.3 電機熱過載保護

大型高壓同步電機在運行過程中溫度控制很關(guān)鍵，電機運行溫度超過規(guī)定的限值將會報警或跳閘。7UM62 熱過載保護功能可以對電機定子繞組進行有效保護。電機一般允許的最大環(huán)境溫度為40℃，如果環(huán)境溫度過高將會對電機的運行產(chǎn)生影響。根據(jù)不同的環(huán)境溫度或冷卻介質(zhì)計算熱過載跳閘時間，具體見式(3)。

式中，τ 為電機的熱時間常數(shù)；K為系數(shù)KFactor。其計算見式(4)。

式中，IMaxprim為電機持續(xù)允許的最大電流；INMachine為電機的額定電流；INCTprim為CT 額定1 次電流；IN為電機的額定電流；I為實際流過的二次電流值；IPre為之前的負荷電流；θN為對應于二次額定電流的電機溫度。

福建青山高濃盤磨系統(tǒng)主電機的額定電流IN為620 A，電流互感器的變比為1000/5，電機允許持續(xù)的最大負載電流為1.1IN，負荷電流IPre一般為0 A，對應于二次額定電流的電機溫度θN一般為100℃，電機的熱時間常數(shù)τ設(shè)為1200 s，對于不同的環(huán)境溫度θK，主電機跳閘時間t計算如下。

當環(huán)境溫度不同時，電機同樣在1.1IN下運行，電機跳閘的時間不同，環(huán)境溫度或冷卻介質(zhì)溫度越低，電機溫升達到極限跳閘的時間越長。因此,在電機運行過程中要控制環(huán)境溫度或冷卻水的溫度。在夏季，環(huán)境溫度和冷卻水的溫度相對較高，需要采取必要的措施降低環(huán)境溫度和冷卻水的溫度。福建青山高濃盤磨電機對電機繞組、前后軸瓦、電機內(nèi)部循環(huán)的冷風、熱風進行溫度測量，實時檢測和保護電機。

1.4 電機熱模型

按照電機的額定啟動電流IN、額定啟動時間、允許的冷啟動次數(shù)ncold、允許的熱啟動次數(shù)、電機啟動時的溫升θ、電機運行時的冷卻時間擴展系數(shù)、電機停止時冷卻時間擴展系數(shù)、電機允許的最大溫升θL，在電機進行一次完整的重新啟動后，建立電機熱模型剖面。

如果電機溫升超過允許的最大溫升，7UM62 綜合保護器將根據(jù)熱模型，發(fā)出閉鎖信號，直到轉(zhuǎn)子的熱模型下降到電機再次啟動的門檻值以下。通過轉(zhuǎn)子的熱模型來保護電機，限制電機頻繁啟動，電機轉(zhuǎn)子的熱曲線以及反復啟動過程中的熱模型如圖1所示。

圖1 電機轉(zhuǎn)子的熱曲線及反復啟動過程中的熱模型Fig.1 Thermal curve of motor rotor and thermal model during repeated starting

從圖1 可知，電機在冷態(tài)下可以啟動3 次，在熱態(tài)下可以啟動2 次。電機第1 次啟動時，電機的溫升相對于最大允許溫升的百分比比值為32.67%，電機啟動后運行一段時間，進行第2次熱啟動時相對于最大允許溫升的百分比比值再增加32.67 個百分點，如果進行第3次熱啟動，相對于最大允許溫升的百分比比值已經(jīng)超過66.7%的門檻值，此時禁止再次啟動電機。

1.5 重新啟動時間

重新啟動過程的熱控制如下：電機每次停機后，保護裝置就啟動熱平衡計時器（地址6604TEqual）。在熱平衡計時器運行的這段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)子的熱剖面保持不變，為常數(shù)。然后，熱模型在相應的時間常數(shù)（轉(zhuǎn)子的時間常數(shù)× 擴展系數(shù)）后冷卻下來。在熱平衡計時器運行的這段時間內(nèi)，電機不可以再次啟動。

電機再次啟動前需要等待的時間，等于電機的重啟動熱平衡時間，加上計算得到的轉(zhuǎn)子熱模型溫度下降到再次啟動門檻值所需要的時間，見式(4)。

式中，TRem為電機距離下次啟動所需等待的時間；TLeveling為設(shè)置電機轉(zhuǎn)子的熱平衡時間；Kτ為設(shè)置電機運行狀態(tài)下的冷卻時間常數(shù)的擴展系數(shù)或電機停機狀態(tài)下的冷卻時間常數(shù)的擴展系數(shù)；θPre為電機停機時的熱剖面；τL為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)，在保護裝置內(nèi)部計算見式(5)。

式中，tStart為電機的額定啟動時間；Ion為電機的額定啟動電流標幺值。

1.6 最短的重啟動抑制時間間隔

在電機反復啟動的次數(shù)超出了電機的規(guī)定次數(shù)時，電機內(nèi)部的熱量不能及時向周圍介質(zhì)散發(fā)熱量，導致電機溫度升高，此時保護裝置需要提供1 個最短的再次啟動時間間隔，以冷卻電機。在這種情況下，電機再次啟動的時間間隔取決于2 個時間參數(shù)TMinInhibit和TRem.，采用時間長的作為等待時間。

1.7 緊急重啟動功能

在緊急情況下，雖然再次啟動電機將導致轉(zhuǎn)子的溫升超過允許的最大溫升值，仍然不得不啟動電機。此時，需通過開關(guān)量輸入信號（4823＞Emer.StartθR）來閉鎖保護裝置中電機反復啟動抑制功能的輸出信號，才能開始再次啟動電機。但是，保護裝置的轉(zhuǎn)子熱剖面模型還在繼續(xù)運行，可能會導致超出允許的最大溫升。保護裝置不會發(fā)出閉鎖信號來中斷電機的重啟動過程，但是可以看到轉(zhuǎn)子的過溫度值以評估緊急啟動的風險。

1.8 電機反復啟動抑制功能邏輯圖

圖2為電機反復啟動抑制功能邏輯圖。

圖2 電機反復啟動抑制功能邏輯圖Fig.2 Logic block diagram of motor repeated start suppression function

1.9 電機頻繁啟動控制功能參數(shù)整定注意事項

只有在做保護功能配置時將地址166 RESTART INHIBIT 的參數(shù)整定為ENABLE（激活），電機反復啟動抑制功能才會開放并有效。地址6601 RESTART INHIBIT 的參數(shù)用來切換電機反復啟動抑制功能的狀態(tài)為ON（投入）或OFF（退出）或僅僅是閉鎖保護裝置的出口跳閘命令（Block relay）。

計算轉(zhuǎn)子溫度的變量參數(shù)包括電機的額定啟動電流IStart、定子額定電流IMot.Nom、允許的最大啟動時間TStartMax（地址6603）、電機冷啟動次數(shù)（ncold）和熱啟動次數(shù)（nwarm）。對于電機轉(zhuǎn)子溫升熱平衡時間，實踐表明，定值TEqual一般設(shè)置為1 min。最短的重啟動抑制時間間隔TMin.Inhibit，在任何情況下，這個值都要大于TEqual。表2 為電機反復啟動抑制功能的定值參數(shù)設(shè)定表。表3 為電機反復啟動抑制功能的信息列表描述。

表3 電機反復啟動抑制功能的信息列表描述Table 3 Description of the information list of the motor repeated start suppression function

表2 中的參數(shù)需根據(jù)需求準確設(shè)置，通過合理設(shè)置表2 中電機轉(zhuǎn)子的熱平衡時間（地址6604TEqual）、電機停機狀態(tài)下的冷卻時間擴展系數(shù)（地址6608Kτat STOP）、電機運行狀態(tài)下的冷卻時間擴展系數(shù)（地址6609Kτat RUNNING）、電機重啟動抑制的最短間隔時間（地址6610TMin.Inhibit），可以調(diào)節(jié)電機重新啟動的等待時間，避免連續(xù)頻繁啟動電機。熱模型保護能夠?qū)崟r跟蹤電機運行中的熱積累狀態(tài)，有效避免過熱運行[6]。

表2 電機反復啟動抑制功能的定值參數(shù)設(shè)定Table 2 The parameter setting of the fixed value table of the motor repeated start suppression function

2 電機頻繁啟動控制功能應用分析

2.1 電機連續(xù)兩次熱啟動后的溫度特征分析

有效利用熱模型的發(fā)熱、散熱計算，在出現(xiàn)故障時可大大縮短動作時間，有效控制故障范圍[7]。由于本系統(tǒng)高濃盤磨主電機的啟動時間tstart為9 s，冷啟動次數(shù)ncold為3次，熱啟動次數(shù)nwarm為2次，電機的額定啟動電流標幺值為2.48，電機轉(zhuǎn)子時間常數(shù)τL計算見式(6)。

由于電機轉(zhuǎn)子熱平衡時間TLeveling設(shè)置為1 min，電機停機狀態(tài)下的冷卻時間擴展系數(shù)Kτ為100，電機轉(zhuǎn)子時間常數(shù)τL為55 s，電機第3 次啟動后的熱剖面θPre為0.97，冷啟動次數(shù)ncold為3 次，電機距離下次啟動所需要的等待時間TRem計算見式(7)。

圖3 為連續(xù)2 次熱啟動后的電機溫度特征。由圖3 可知，電機在額定電流下連續(xù)運行，在第一次電機停機后，參數(shù)TEqual開始生效。150 s 后電機重新啟動并很快地又被切斷。電機等待150 s 后，又開始了第二次熱啟動。電機第二次熱啟動再次被切斷。在電機第二次重新啟動失敗后，重新啟動極限已經(jīng)超出，因此停機后保護裝置的反復啟動抑制功能生效。經(jīng)計算反復啟動的抑制時間TRem為2122 s，即電機需要停機等待35 min后才運行再次啟動。

圖3 連續(xù)2次熱啟動后的電機溫度特征Fig.3 Motor temperature characteristics after two consecutive hot starts

2.2 電機2次熱啟動后繼續(xù)運行的溫度特征分析

為了避免電機連續(xù)頻繁啟動導致電機溫升超過極限，需要嚴格控制電機連續(xù)啟動之間時間。福建青山高濃盤磨電機采用水冷方式冷卻，并且電機軸上帶有冷卻風扇，電機運行時在電機內(nèi)部會形成循環(huán)氣流，通過水冷交換器帶走熱量。因此電機啟動成功后連續(xù)運行一段時間會有效降低電機溫度。

由于電機轉(zhuǎn)子熱平衡時間TLeveling為1 min，電機運行狀態(tài)下的冷卻時間擴展系數(shù)Kτ設(shè)置為50，電機轉(zhuǎn)子時間常數(shù)τL為55 s，電機經(jīng)過冷卻后第3 次啟動的熱剖面θPre為0.81，冷啟動次數(shù)ncold為3 次，電機距離下次啟動所需要的等待時間TRem計算見式(8)。

圖4 為電機2 次熱啟動后繼續(xù)運行的溫度特征。由圖4 可知，電機2 次熱啟動間的間隔大于圖3。本次電機第二次熱啟動正常，電機正常運行14 min，電機得到了充分冷卻，電機在運行過程中冷卻效果比在停機時好，經(jīng)計算，第3 次啟動后再冷卻10 min，電機的溫升已經(jīng)低于重新啟動門檻值66.7%。

圖4 電機2次熱啟動后繼續(xù)運行的溫度特征Fig.4 Temperature characteristics of continuous operation of motor after two hot starts

福建青山高濃盤磨主電機采用水冷裝置冷卻，工業(yè)清水作為冷卻介質(zhì)，受季節(jié)的影響水溫和環(huán)境溫度不同，導致電機的散熱系數(shù)不同，為了有效保護電機，可以通過調(diào)節(jié)電機重啟抑制的最短間隔時間TMinInhibit、電機轉(zhuǎn)子熱平衡時間TRem2 個參數(shù)，多次頻繁啟動電機后停機冷卻時間可以延長到8 h，長時間的等待對電機冷卻有利，但對企業(yè)生產(chǎn)不利，因此需要嚴格控制電機頻繁啟動的次數(shù)，保障電機正常、穩(wěn)定的運行。

3 結(jié)語

大型高壓同步電機功率因素高、運行穩(wěn)定性高、過載能力強、運行效率高，已經(jīng)得到廣泛使用。為了保障電機的可靠運行，通過分析主電機的熱模型，根據(jù)電機轉(zhuǎn)子的熱平衡時間、電機的最大熱啟動次數(shù)、電機停機狀態(tài)下的冷卻時間擴展系數(shù)、電機運行狀態(tài)下的冷卻時間擴展系數(shù)、電機重新啟動的最短間隔時間、電機的額定電流、電機允許的最大啟動時間等參數(shù)對電機的啟動過程進行控制，精確計算電機重新啟動需要等待的時間，達到保護電機安全運行的目的。大型高壓同步電機都是企業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，需要高效穩(wěn)定的運行。如果電機頻繁跳閘，將給企業(yè)帶來嚴重的經(jīng)濟損失。因此大型高壓同步電機的啟動非常關(guān)鍵，降低電機啟動頻率可以有效提高電機工作效率，降低電機的運行風險。7UM62 綜合保護器的反復啟動抑制功能有效地保護了電機，抑制了電機頻繁啟動，提高了電機運行的可靠性和穩(wěn)定性。