大型空分系统电控方案的优化

祁 星 潘梁伟 舒效伟 蒋 静

（河南开元空分集团有限公司，河南 开封 475004）

1 概述

随着大型空分的发展，电控设备的装机容量越来越大，单机功率也相应增加，对于10kV系统，空压机是主要设备，其功率也最大，一套30 000空分的空压机功率可达到10 000kW以上，如此功率的电机启动是个难题。为了减小空压机启动时对电网压降的影响，一方面我们会尽量要求增加主变的容量，这意味着运行成本的增加；另外一方面电机采用软启动，尽量降低启动电流，但是常规的启动电流仍然很大，这样就限制了主变的最小容量，造成成本的增加，同时运行时变压器利用率低，无法达到经济运行［1］。为此我们采用固态降补来解决这个问题。

大型空分的低压配电系统的配置很困难，常规的电控系统为了保证空分设备的连续运行，通常我们低压系统所采用的运行方式是单母线分段运行，当一路出现问题时另外一路能带动所有负荷，实现连续运行［2］。但是，在大型空分中设备负荷较大，如果按照常规的配置变压器的容量将会很大，但是在实际运行中负荷是均匀分布在两段母线上的，这样变压器的利用率就会很低。为了解决这个问题，我们采取单母线三分段运行方式。

2 方案分析及应用

以我们曾经做过的重庆钢铁30 000 空分系统为例，高压10kV系统空压机功率为15 500kW，电机额定电流达1 004A，采用常规软启动器启动电流至少为3 000A，为了保证启动时所需要的转矩，我们无法继续降低启动电流，否则无法满足启动转矩，可能会造成启动困难。

通过分析我们认为，电动机在启动时功率因数极低，一般也就在0.3左右，这样在启动时需要消耗大量的无功功率，也就是说启动电流中很大部分都是从电网中吸收的无功电流，这意味着启动时电机的电流很大一部分是无功电流，于是我们考虑假如在启动的时候适当在电机侧进行无功补偿，给电机提供无功电流，这样电机就无需从电网吸收大量的无功电流，减小启动的电流，从而达到降低主变容量的目的。固态降补正是这种原理的软启动装置，它在降压限流的同时，在电机侧加入无功补偿，大大降低了启动电流，一般的电动机可达到2倍额定电流，大型电动机启动电流可以达到1.5倍额定电流，如重庆钢铁三万空分空压机电机启动电流采用此种启动方式后启动电流降为1 500A，与常规软启动的3 000A 启动电流相比减少了一半，极大地降低了对电网的冲击，大大降低了主变的容量，为业主节约了成本，提高了变压器的利用率。

紧接着重庆国际10 000 空分系统由于主变容量极小，而原来启动是采用水阻柜一拖一的启动方式，两台空压机只能开一台，而且每次启动空压机都需要请求供电局上级并网启动，为了解决这一问题业主委托我们进行改造，我们经过认真研究，结合实际情况，最后决定采用一拖二的方式，利用一套固态降补装置供两台空压机使用，解决了电网容量极小、启动困难的难题，同时也节约了成本，受到业主的好评。

随后固态降补装置又在其他大型空分系统中广泛应用，也取得了良好的效果。

由于空分系统主要为钢厂或化工厂提供燃料或原料，这就要求设备的连续性很好，否则一旦停气将会造成很大损失，所以一般采取单母线分段运行方式，当一路电源出现故障时另外一路带全部负荷，保障设备的运行。但是对于大型空分，此种方案的低压系统也需要进行优化。例如我们前面提到的重庆钢铁30 000 空分项目，设备总装机容量为4 980kVA，按照常规配置至少需选用两台5 000kVA 的动力变压器才能满足当一路事故情况下，另一路带全部负荷，这样两台低压变压器总容量为10 000kVA，而实际负荷为4 980kVA，这就存在许多问题，首先，变压器利用率仅为50%，利用率较低，不符合经济运行方式的要求。变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10%～15%，它的空载无功功率约为满载时的1/3，因而为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载或者长期处于低负载状态。其次，变压器低压侧额定电流也较大，达到将近10 000A，对于低压进线柜开关以及低压主母排的配置都很困难，无法满足系统要求。

结合设备总负荷以及系统设备配置特点，我们分析：三万空分系统主要低压用电设备为电加热器，三台电加热器两用一备，单台功率1 380kW，三台总装机功率达到了4 140kW，而低压总容量为4 980kVA，电加热器占到总负荷的80%，于是我们决定选用三台2 500kVA的动力变压器，低压系统采用三段进线，三段之间采用两个母联互相连接，这样其中任意两台变压器都可以带动低压系统所有负荷，而在事故或检修状态下，只需切除故障段变压器，另外两台变压器仍然可以承担配套装置的全部负荷的要求。这样，变压器的总装机容量就变为2500kVA，变压器的利用率达到了85%以上，大大提高了变压器的利用率。

3 方案优点

①高压系统电机采用降补装置启动电流小，启动时对电网冲击小，同时也降低了对电网的要求，降低了主变的容量，节省了成本，同时也避免了浪费。

②低压系统单台变压器容量较小，采用三段进线以后，低压进线开关及低压铜排都属于常用规格型号，降低了成本，设计满足国家标准要求。常规两路进线：进线变压器容量较大，母排选型大，安装间距小，存在安全隐患。

③对于业主来说，三路进线的方式下变压器的利用率提高，节约了成本，同时也降低了设备的能耗。

此种配电方案在以后的九江三万空分系统以及其他大型空分系统中都得到广泛的应用，且运行安全稳定，取得了良好的效果。

［1］黄明琪，李善奎，文方.工厂供电（修订版）［M］.重庆：重庆大学出版社，2011.

［2］李发海.电机学（第四版）［M］.北京：科学出版社，2013.