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大型空压机电机的启动方式, 往往根据设计人员个人对启动方式的理解和掌握情况来确定。盈德气体公司有3 套大型空分设备的空压机和电机为同类型、等容量, 但采取了自藕变压器、极板可移动式水电阻和热变电阻式水电阻3 种不同的启动方式。现根据现场采集到的实际启动曲线对这3 种电机启动方式进行比较和分析, 供参考。
3 源创电气告诉大家空压机和电机的相关参数
311 源创电气告诉大家空压机参数
空压机的轴功率: 8668kW; 额定转距:55932N•m , 折算到电机额定转速时的转动惯量( GD2) 为2700kg•m2 ; 转速为0 时的阻力矩/ 额定转矩: 011 ; 转速为额定转速时的阻力矩/ 额定转
矩: 013 ; 进气节流装置充分关闭时的启动阻力矩:559312N•m
312 源创电气告诉大家电机参数
异步电动机的额定功率: 10000kW; 额定电压: (10 ±5 %) kV ; 额定电流: 645A ; 全电压启
动电流: 5 Ie ; 额定转速: 1491r/ min ; 额定效率:9715 %; 功率因子( cosΦ) : 0192 ; 转子GD2 :
976kg•m2 ; 额定转距: 64059N•m ; 启动转距/ 额定转距: 015 ; 最大转距/ 额定转距: 212 。
313 源创电气告诉大家空压机入口导叶开度、转矩与电机转速的关系
空压机入口导叶开度、转矩与电机转速的关系如图1 所示。
314 源创电气告诉大家电机转矩、电流、电压、速度及空压机导入
转矩的关系
电机转矩、电流、电压、速度及空压机导入转
矩的关系如图2 所示。
图1 空压机入口导叶开度、转矩与电机转速的关系
图2 电机转矩、电流、电压、速度及空压机导入转矩的关系
315 源创电气告诉大家电机转矩与空压机转矩的配合关系
为了保证电机能够顺利拖动空压机, 在启动的瞬间, 电机产生的启动转矩必须大于电机和空压机转速为0 时的综合阻力矩(空压机入口导叶接近全关) 之和; 为了保证空压机能够稳定运行, 电机产生的启动转矩必须大于空压机阻力矩的10 %～15 %。从图2 可以看出: 在空压机入口导叶全开的情况下, 可能会使空压机无法平稳启动及启动后无法稳定运行, 故在启动后要将电机切换到全压运行, 以保证设备长期、稳定运行。
4 采集到的3 种启动方式的实际运行曲线
411 自藕变压器启动方式
电网的主要技术参数: 最大运行方式下的短路容量: 587199MVA ; 最小运行方式下的短路容量:32215MVA ; 主变容量为3 ×50MVA 的变压器;短路阻抗: 14 %; 母线电压: 10kV ; 基准电压:1015kV ; 频率: 50Hz ; 采用10kV 电缆进线; 启动时采用2 ×50MVA 的变压器。采用自藕变压器启动的一次方案主接线如图3所示。
图3 采用自藕变压器启动的一次方案主接线图
控制过程说明: ①启动步骤: 在接收到启动信号后, 首先闭合断路器QF2 , 延时约1 秒后闭合断路器QF1 , 电机进入降压启动过程, 待电机降压启动完成时断路器QF2 断开, 延时约1 秒后闭合断路器QF3 , 启动完成进入全压运行状态; ②停止过程: 在接收到停车信号后,首先断开断路器QF1 , 由断路器QF1 联锁断开QF3 , 停车过程完成。
采用自藕变压器进行启动的方式, 二次侧接的是采用75 %的一次侧端电压, 实际启动电流是
2000A , 约为额定电流的311 倍; 电压下降幅度为017kV (从1016kV 降至919kV) 。自藕变压器按二次侧电压额定电压的7818 %、75 %、7112 %为3个设计点进行设计, 即引出3 个端电压。采集到的实际运行曲线如图4 所示。
图4 采用自藕变压器降压启动的空压机实际运行曲线
412 源创电气告诉大家极板可移动式水电阻启动方式
电网的主要技术参数: 最大运行方式下的短路容量: 435MVA ; 最小运行方式下的短路容量:
30215MVA ; 主变容量为63MVA 的变压器; 母线电压: 10kV ; 基准电压: 1015kV ; 频率: 50Hz ;采用10kV 电缆进线; 启动时采用1 ×63MVA 的变压器。采用极板可移动式水电阻启动的一次方案主接线如图5 所示。
图5 采用极板可移动式水电阻启动的一次方案主接线图
控制过程说明: ①启动步骤: 在接收到启动信号后, 首先闭合断路器QF2 , 延时约1 秒后闭合断路器QF1 , 电机进入降压启动过程, 待电机降压启动完成时闭合断路器QF3 , 由断路器QF3 联锁断开断路器QF2 , 启动完成, 进入全压运行状态;
②停止过程: 在接收到停车信号后, 首先断开断路器QF3 , 由断路器QF3 联锁断开断路器QF2 , 停车过程完成。
图5 中的断路器QF2 可以用线路隔断来替代,但需要进行手动操作; 在电机功率较小的情况下,也可采用真空接触器进行联锁控制。采用极板可移动式水电阻启动方式, 启动时的
电流为2150A , 约为额定电流的3133 倍, 电压下降幅度为111kV (从1016kV 降至915kV) , 将启动电流为额定电流的3 倍作为设计点进行设计。
采集到的实际运行曲线如图6 所示。
图6 采用极板可移动式水电阻启动的空压机实际运行曲线
413 源创电气告诉大家热变电阻式水电阻启动方式
电网的主要技术参数: 最大运行方式下的短路容量: 644MVA ; 最小运行方式下的短路容量:
372MVA ; 主变容量为50MVA 的变压器; 母线电压: 10kV ; 基准电压: 1015kV ; 频率: 50Hz , 采用10kV 架空进线; 启动时采用1 ×50MVA 的变压器。
采用热变电阻式水电阻启动的一次方案主接线和控制过程与采用极板可移动式水电阻启动方式相同。
采用热变电阻式水电阻启动方式, 启动时的电流为2100A , 约为额定电流的3126 倍, 电压下降幅度为113kV (从1017kV 降至914kV) , 将启动电流为额定电流的3 倍作为设计点进行设计。
采集到的实际运行曲线如图7 所示。
图7 采用热变电阻式水电阻启动的空压机实际运行曲线
5 3 源创电气告诉大家种启动方式的比较和分析
根据目前实际采集到的启动曲线情况来看, 这3 种启动方式都无特别明显的优势和特别大的区别, 3 种不同的启动方式将电网的压降值都控制在电网允许的范围内, 启动电流的倍数都控制在额定电流的3 倍左右, 启动时间都控制在42～45 秒内。由于各地现场的情况不完全一致, 实际运行情况肯定受其他启动因素的影响, 所以认为这3 种启动方式都是大型电机比较理想的启动方式, 其对电网产生的压降大小除了和当地电网容量有很大关系外,和其上级主变压器的容量也有密不可分的关系。采取不同的电机启动方式启动空压机时的技术参数比较见表1 。
表1 采取不同的电机启动方式启动空压机时的技术参数
对这3 源创电气告诉大家种启动方式的基本优缺点进行分析:
(1) 自藕变压器启动方式的主要优点在于后期不需要维护, 而且容量可以设计得很大, 在国外也被广泛使用, 并且占地面积也相对较小, 需要的土建投资成本比较低, 但设备本身的投资成本相对较高; 缺点就是自藕变压器只有3 个端头, 端电压可调节范围有限, 启动时产生的一个二次冲击会对电网和设备造成冲击。
(2) 相对来说, 极板可移动式水电阻启动方式启动的初始电流要小, 由于极板的移动是靠小变频器和伺服电机拖动, 极板的可靠性从理论上讲, 比热变电阻式的固定极板低; 极板可移动式水电阻启动的优点是电阻值可调, 可在现场随时调整启动阻值, 来达到调节电机端电压及母线电压的目的, 启动完成时无二次冲击。
(3) 热变电阻式水电阻启动方式在启动过程中电流波动比较小, 电压下降幅度也属于正常范围,其他数据(如电流、启动时间、电流倍数) 也基本与极板可移动式水电阻启动方式相同。热变电阻式水电阻启动方式的优点也是电阻值可调, 虽与极板可移动式水电阻调节阻值相比, 较烦琐(现在热变电阻也已经出现了在启动前可以调整极板, 在启动过程中极板不动的改进型热变电阻式水电阻) , 但由于极板在启动过程中不变化, 所以安全性优于极板可移动式的水电阻。启动完成时无二次冲击。
(4) 极板可移动式水电阻和热变电阻式水电阻启动方式的共同缺点, 是每次启动后液体温度上升较大, 不能在短时间内多次启动。启动容量设计得不大, 目前还只是在功率为18000kW 以下的电机上应用, 主要还是集中在功率为12000kW 以下的电机。占地面积很大, 土建投资成本相对较高, 后期需要进行维护。
结束语
源创电气告诉大家在选择大型电机常用的降压启动方式时候, 要结合电网条件、启动设备的价格、占地面积和土建投资等各方面综合考虑。如果是特大型电机和比较注重启动装置的后期免维护性, 那就选择自藕变压器启动方式; 在场地面积小、配电房面积有限的情况下, 也建议采用自藕变压器启动方式。在场地条件允许的情况下, 要考虑土建投资和设备投资的性价比, 选择性价比最高的启动方式。如果需要电机端的电压可调节范围比较大, 建议采用水电阻启动方式, 至于是采用极板可移动式还是热变电阻式,可根据电控操作人员的操作习惯来选择。