12000kW异步电动机软起动设计方案的应用

董廷杰 陈 霞

（新煤化工设计院（上海）有限公司，上海 200233）

12000kW异步电动机软起动设计方案的应用

董廷杰 陈 霞

（新煤化工设计院（上海）有限公司，上海 200233）

以大型空压机组工程设计的具体实例，阐述了高压异步电动机的软起动方案以及液态软起动装置在大型机组起动中的应用。起动时空压机组运行平稳，电网系统运行正常，实测参数与理论计算基本接近，设计方案是正确可行的。

空压机组；异步电动机；液态软起动装置；设计方案

中国铝业河南分公司氧化铝节能减排升级改造项目自备煤气站工程，是为生产氧化铝焙烧提供燃料。煤气供应是否连续，直接影响氧化铝的质量、产量以及安全生产的连续性。自备煤气站工程是中国铝业河南分公司节能降耗、扭亏为盈的重点工程。

本工程配套26000N·m3/h（制纯氧量）空分装置，为气化炉煤气化反应提供助燃剂，以满足气化炉的满负荷安全、连续的运行，确保煤气达到设计的各项指标。空分装置中核心设备为空压机组，采用电动机拖动，配套12000kW、10kV异步电动机。针对如此大容量的电动机，保证安全起动、采用合适的起动设备及起动方案成为设计的关键。结合原厂区的供电系统实际情况，并经过计算论证，若直接由06配10kV母线供电全压起动，将会使电网母线电压瞬时大幅下降，母线上原有负荷会因为电压过低跳闸，其他分厂生产中断，直接造成巨大的经济损失；同时也会使电动机自己产生电气及机械冲击力并对空压机机组造成巨大的机械冲击，致使电动机的绝缘老化加快，缩短电动机的使用寿命。因此必须采用降压起动才能保证空压机组的安全起动，并且不影响上级供电系统的运行。

目前市场上主要的软起动产品及特点：变频器初期投资及后期维护费用均较高；自耦变压器为有级调节、有冲击；磁控式噪音大、产生高次谐波；晶闸管故障率高、对维护人员的技术要求较高；液态软起动装置调节平滑无冲击、无谐波污染、结构简单、维护方便。经过对市场上降压起动方式及产品的调研比较，本工程选择了SGYQ系列高压笼型电机液态电阻起动装置（以下称液态软起动装置），电动机接线方式为电动机端星点抽出在星点柜内短接的接线方式。

1 液态软起动装置的原理及特点[1]

液态软起动装置是在被控电动机的定子回路中串入一特配的可控三相液态电阻器，液态电阻器随电动机的起动而自动投入，阻值随动、定极板之间的距离按照预定设置的程序自动改变而改变，阻值呈无级减小，从而使电动机的端电压均匀升高，电动机转速逐渐升高，当阻值接近零时电动机星点短接，电动机投入全压运行，此时液态电阻自动退出，实现电动机和拖动负载的无冲击平滑“软”起动。整个起动过程中平滑无冲击，对电网无干扰、无谐波污染，结构简单、安装维护方便。

本工程所选择的液态软起动装置融合了多项先进的控制技术。具有计算机仿真设计、PLC控制器、远程通讯、极板控制采用交流无级变速伺服电动机等。液态软起动装置的系统构成和一次电路接线相对比较简单，电动机主接线盒中接线端子直接接入电源起动柜；电动机中性点接线盒内星点打开，接线端子接入星点柜。通过三相可变液态电阻器、主机起动柜断路器、星点短接断路器等主要设备完成电动机的起动和运行。

液态电阻器每相均由一个绝缘的环氧树脂电液箱构成，三相分别绝缘独立，内部装有浓度可调的电解液，可以很方便地根据不同的电动机参数、负载类型等现场多变的情况，调配适当的电解液浓度；动极板通过传动系统及无级变速伺服电动机控制其运行，由限位开关反馈动极板的运行位置给PLC控制器。电动机的整个起动过程控制在要求的起动倍数下均匀升速，实现电动机“软”起动的目的。

2 空压机组软起动方案关键问题的分析

业主特别担心这么大容量的电动机起动瞬间会对原供电系统造成冲击，甚者会使其他分厂供电系统瘫痪，因此在设计初期与业主沟通关于起动的压降要求时，业主提出电动机起动期间上级 10kV母线残压不能低于90%的严格要求。对于上级电网，电动机的起动电流是越小越好，而对于电动机本身及整个空压机组，起动电流太小，会引起动转矩不足以克服静阻转矩而起动失败，或因起动时间过长造成定子绕组超温电动机烧坏等。因此，在空压机组的起动方案的设计时，既要满足上级电网压降要求，又要满足负载转矩要求，并且起动时间要在电动机自身所能承受的范围之内，这就要求在做设计方案时必须要找一个满足电网、机械设备两者关系的结合点。

3 空压机组软起动方案设计及相关计算

上级电源供电系统情况：供电系统是由220kV/10kV，63MVA变压器供电。电源接入点（区域 06配Ⅳ母）的系统最大短路容量为 315MVA，系统最小短路容量为258MVA，Ⅳ母已接有负荷5.5MVA，功率因数为0.8，无功功率可计算得为3.3Mvar。在进行起动方案设计时，按照最不利的电网条件下起动空压机，即电动机接于系统最小短路容量时起动。

根据相关理论，有[2]

来判断是否能全压起动。依据表1数据，并按照业主对起动期间上级10kV母线残压不能低于90%的严格要求，可以计算得出

式中，Kiq为额定电压时电动机的起动电流倍数；Skm为供电系统的最小短路容量，MVA；Qfh为母线已接负荷的无功功率，Mvar；可以得出因此不能满足全压起动的要求，必须采用降压起动，本设计方案为液阻降压起动。

表1 电动机及负载详细参数

3.1 克服空压机组静阻转矩所需电动机最低端电压[2]

式中，M*j=0.07，传动机械的静阻转矩标幺值；M*qd为电动机的起动转矩标幺值；因此，电动机在起动时要求电动机的端子电压相对值应不小于电源额定电压的39.24%。

液阻降压起动的起动方案供电系统简图如图 1所示，供电系统等值电路图如图2所示。

图1 电动机降压起动的系统简图

图2 电动机降压起动的系统等值电路图

3.2 起动时电源侧母线、机端处的电压计算

在起动回路中串液阻为

式中，m为计算系数，一般取 1.1～1.2；kst为实际要求起动倍数，本计算取3倍。在电动机起动瞬间，液阻处于最大值位置，随着起动的进行液阻逐渐减小至零，即起动完成。

空压机组起动时，忽略电缆线路阻抗时电动机回路向电网输入的额定容量[3]：

根据无限大容量电源系统供电的电压降计算，降压起动时电源处母线上的电压相对值[3]为

降压起动时电动机端子的电压相对值[3]为

由以上计算结果u3＞u*qd（48.78%＞39.24%）可知，当起动时电动机端子处电压大于克服静阻转矩所需的电动机最低端电压，完全可以保证空压机组要求的起动转矩；另外电源母线处电压为92%，也完全满足业主不低于90%的要求。

3.3 起动一次时间计算[2]

液阻阻值在整个起动过程中是变化的，将由最大值逐渐变为零，因此电动机的端电压是变化的，求其平均电压作为机端的起动电压。在全压起动并忽略线路阻抗时，电动机的输入容量等于电动机的起动容量，因此有机端电压等于电源母线电压，根据式（5），即[3]

求得机端电压相对值为

另已知[1]

求得起动一次时间为

综上所述，当液态电阻阻值调制为2.1Ω时，电动机起动电流控制在 3倍，起动时机端电压为48.78%，电源侧母线压降8%，起动时间约42s。起动时机端电压满足克服负载静阻转矩所需要的最低电压，母线压降限制满足业主的要求，起动时间也在电动机的允许范围内。该空压机组于2016年3月3日试车，并一次起动成功；液态软起动装置运行平稳，整个起动过程中无振动、异响发生；上级供电系统运行正常，无跳闸事故发生。实际最大起动电流为 2.9倍；起动过程中电源侧母线电压下降670V，起动时间为 42s，起动实测数据与上述理论计算基本接近。

4 结论

实际的起动效果验证了本设计方案的可行性、可靠性。液态软起动装置的起动效果令人满意，并得到了用户的一致好评。空压机组的成功起动，为气化炉早日出气打下了坚实的基础，将产生极大的经济效益。在整个煤气站热试、投产期间，空压机组又分别进行过三次起动，均一次起动成功，液态软起动装置运行平稳、可靠，液阻水箱温升正常；在起动期间电动机的定子绕组温升均正常。在空压机组的起动过程中需注意以下问题：电动机配电回路尽量接到系统短路容量大的母线段上，以降低起动电流对电网的冲击；起动大型机组前，必须进行整机组盘车，同时应将压缩机进气阀门调至最小（开度在 10°以下为宜），让机组尽可能最小负荷下起动，以缩短起动时间。

[1]周韦.GZYQ高压交流电动机液态（智能）软起动装置[J].电世界,2005,46(9)：13-13.

[2]钢铁企业电力设计手册编委会.钢铁企业电力设计手册（下册）[M].北京：冶金工业出版社,1996.

[3]中国航空工业规划设计研究院等.工业与民用配电设计手册[M].3版.北京：中国电力出版社,2005.

[4]王凤阁,孙玉鸿.15500kW 同步电动机拖动系统软起动效果分析[J].设计通讯,2005(1)：23-25.

[5]李剑锋.高压液态电阻软起动装置在大型同步电动机的应用[J].电机技术,2014(5)：31-31.

Application of Soft-start Design for the 12000kW Asynchronous Motor

Dong Tingjie Chen Xia
(Innovative Coal Chemical Design Institute (Shanghai) Co.,Ltd,Shanghai 200233)

With large air compressor unit of practice in engineering design,the paper expounds soft-start solution of the high voltage asynchronous motor and the application of liquid soft-start device in the large unit starting.When the motor is started,air compressor unit run smoothly,power network operate normally,the measured parameters are in agreement with the theoretical calculation,so the design is correct and feasible.

air compressor unit；asynchronous motor；liquid soft-start device；design

董廷杰（1981-），男，大学本科，工程师，主要从事石油化工供配电设计工作。