大型同步高压电机在高浓盘磨系统的应用

李建桥

(福建省青山纸业股份有限公司，福建三明，365056)

高浓盘磨系统可以增加木浆纤维之间的摩擦力，加剧纤维的帚化，在一定程度上避免了打浆设备刀刃对纤维的切断作用[1]。该系统不仅能保留纤维长度，还能使磨浆后的纸浆纤维切断少，纤维束少，滤水性能好，使抄造的纸张具有较高的撕裂度、伸长率和耐破度[2]。因此福建省青山纸业股份有限公司引进了一套安德里兹公司生产的高浓盘磨系统，该盘磨系统包括双网挤浆机、破碎机、螺旋输送机、带式喂料机、高浓盘磨等，其中高浓盘磨是高浓磨浆系统的核心设备。高浓盘磨要求电机转速1500 r/min，最大功率6000 kW，重载启动转矩10.2 kN·m。主电机在启动过程中6 kV母线上允许的电压降要小于10%。

1 主电机选型及配置

为了满足高浓盘磨的需要，分析了异步电机和同步电机的优缺点，由于同步电动机有转速恒定、功率因数可调、运行效率高等诸多优点，因此选择了西门子公司生产的无刷同步高压电机。选配的同步电机参数为：额定功率6000 kW、额定电压6000 V、额定转速1500 r/min、主励磁电压26 V、主励磁电流1017 A、副励磁电压45.2 V、副励磁电流6.9 A，冷却方式采用IC 81 W水冷方式，IP55防护等级，额定转矩38.2 kN·m，功率因数0.95。

高浓盘磨主电机电源取自热电厂3#主变，热电厂要求在电机启动过程中压降不能超过10%，热电厂电网有关数据为：3#主变额定容量SrT=20 MVA，6 kV母线最小短路容量SscB=126 MVA，预接负荷的无功功率QL=4 MVar，供电线路电缆型号为两根600 m长的YJV-10kV 3×240 mm2电缆，主电机直接启动电流倍数kst=4，为了满足盘磨启动要求，对主电机直接启动、电抗器降压启动、自耦变压器降压启动和变频器降压启动进行分析比较。

1.1主电机直接启动电网的压降计算

主电机直接启动方案如图1所示。主电机直接启动时启动转矩大，对电网的要求较高，如果电机直接启动时系统压降太大，会影响同一母线下其他电气设备的正常运行。

图1 主电机直接启动方案

1.1.1主电机的额定容量

主电机的额定容量计算见公式(1)。

=1.732×6×0.62=6.44 (MVA)

(1)

式中，SrM为主电机的额定容量，MVA；UrM为主电机的额定电压，kV；IrM为主电机的额定电流，kA。

1.1.2主电机直接启动的额定启动容量

主电机直接启动的额定启动容量计算见公式(2)。

SstM=kstSrM

=4×6.44=25.76 (MVA)

(2)

式中，SstM为主电机直接启动时的额定启动容量，MVA；kst为主电机直接启动时的启动电流倍数，为额定电流的4倍。

1.1.3电缆线路电抗值

电缆线路电抗值计算见公式(3)。

(3)

式中，Xl为电缆线路的电抗，Ω；x为电缆线路单位长度的电抗，经查表YJV-10 kV 3 ×240 mm2三相线路电缆每公里每相电抗值为0.087 Ω/km；l为电缆线路的长度，km。

1.1.4主电机直接启动时启动回路的计算容量

主电机直接启动时启动回路的计算容量见公式(4)。

(4)

式中，Sst为主电机直接启动时启动回路的计算容量，MVA；Uav为系统平均电压，6 kV。

1.1.5主电机直接启动时母线电压相对值

主电机直接启动时母线电压相对值计算见公式(5)。

=85.22%<90%

(5)

式中，ustB为主电机直接启动时母线电压相对值；us为电源母线电压相对值，取1.05；SscB为6 kV母线最小短路容量，126 MVA；QL为预接负荷的无功功率，4 MVar；Sst为主电机直接启动时启动回路的计算容量，MVA。

由于主电机直接启动时母线电压相对值ustB为85.2%，小于90%，因此母线电压降大于10%，需要采取降压启动的方式。

1.2电抗器降压启动计算

电抗器降压启动是电机定子绕组串一个三相电抗器，限制电机启动电流，使电机启动时一部分电压降落在电抗上，于是电机上的电压就低于电网电压，当电动机启动到接近额定转速时，将电抗器短接，使电机在额定电压下正常运行[3]。

图2 电抗器降压启动方案

1.2.1电抗器降压启动时的额定启动容量

电抗器降压启动时的额定启动容量计算见公式(6)。

=2.29×6.44=14.75 (MVA)

(6)

1.2.2电抗器使用不同抽头时启动回路的计算容量

电抗器使用不同抽头时启动回路的计算容量见公式(7)。

(7)

1.2.3电抗器使用不同抽头时母线电压相对值

电抗器使用不同抽头时母线电压相对值计算见公式(8)。

(8)

1.2.4电抗器降压启动时启动转矩

电抗器降压启动时启动转矩的计算见公式(9)。

TST=k2TN

=0.612×38.2

=14.2 (kN·m)>10.2 (kN·m)

(9)

式中，TST为主电机带电抗器降压启动时电机启动转矩值，kN·m；k为电抗器降压启动时的减压比，取0.61；TN为主电机额定启动转矩，kN·m。

经过计算，使用电抗器0.96、1.00、1.04 Ω3个抽头分别降压启动时，母线电压相对值分别为94.17%、94.25%、94.33%，均大于90%；启动转矩TST为14.2 kN·m，大于10.2 kN·m，因此电抗器降压启动时电网压降小于10%，启动转矩大于10.2 kN·m，满足启动要求。

1.3自耦变压器启动压降计算

自耦变压器启动是指电动机启动时利用自耦变压器来降低加在电动机定子绕组上的启动电压，待电动机启动后，再使电动机与自耦变压器脱离，从而在全压下正常运行。

本项目自耦变压器降压启动方案如图3所示，自耦变压器在70%、75%、80%处各有1个抽头，对应启动电流分别为1436、1538、1641 A，额定容量分别为10.45、11.99、13.64 MVA。

图3 自耦变压器降压启动方案

1.3.1自耦变压器电压取不同抽头时的启动电流倍数

不同抽头自耦变压器启动电流倍数的计算见公式(10)。

(10)

1.3.2不同抽头自耦变压器降压启动时额定启动容量

不同抽头自耦变压器降压启动时额定启动容量的计算见公式(11)。

(11)

1.3.3不同抽头自耦变压器启动时启动回路的计算容量

不同抽头自耦变压器启动时启动回路的计算容量见公式(12)。

(12)

1.3.4不同抽头自耦变压器启动时的母线电压相对值

不同抽头自耦变压器启动时母线电压相对值的计算见公式(13)。

(13)

1.3.5自耦变压器不同电压抽头启动时电机启动转矩值

自耦变压器不同电压轴头启动时电机启动转矩计算见公式(14)。

(14)

经过计算，使用自耦变压器70%、75%、80% 3个抽头降压启动时，母线电压相对值usTB分别为：96.38%、95.23%、93.94%，均大于90%；启动转矩Tst分别为：18.718 kN·m、21.488 kN·m、24.488 kN·m，均大于10.2 kN·m，因此自耦变压器降压启动方式电网压降小于10%，启动转矩大于10.2 kN·m，满足启动要求。

1.4变频器降压启动

变频器降压启动方案如图4所示。由图4可知，6 kV母线先经过4.7 MVA的降压变压器降到2.8 kV，降压后通过3.66 MW的中压变频器调节电机频率和电压，再经过4.3 MVA升压变压器将电压升高为主电机提供电源，变频器启动对电网要求最小，启动电流小，性能最好。

图4 变频器降压启动方案

以上3种降压启动的方案都能满足系统压降的要求。变频器性能最好，但是价格最高，而且高浓盘磨运行时不需要调速，因此不选择变频器方案。高浓盘磨在启动过程中有时需要重载启动，因为高浓盘磨非正常停机时，磨片之间会留有木浆，清洗不彻底时电机重新启动需要较大的启动力矩。在同样的电压变比情况下，自耦变压器的启动力矩比电抗器启动力矩大，而且启动电流小。因此最终采用自耦变压器降压启动方案。

2 主电机综合保护

由于西门子同步电机造价昂贵，因此在使用过程中电机的运行保护就显得格外重要。主电机在运行过程中的保护主要是由励磁柜中的7UM6215综合保护器完成，保护功能有差动保护、定子接地保护、过载保护、过流保护、短路保护、过电压保护、低电压保护、频率保护、欠励保护、不平衡负载保护等。

2.1主电机的继电保护

2.1.1电流速断保护整定值

电流速断保护整定值的计算见公式(15)。

=10.68 (A)

(15)

式中，IOP，K为保护装置的动作电流，A；Krel为可靠系数，用于电流速断保护时取1.3；Kcon为接线系统，接于相电流时取1.0；Kst为电动机启动电流倍数；IrM为电动机额定电流，A；nTA为电流互感器变比。

2.1.2过负荷保护整定值计算

过负荷保护整定值的计算见公式(16)。

=3.79 (A)

tOP=(1.1～1.2)tst

=(1.1～1.2)×9

=9.9～10.8 (s)， 取11s

(16)

式中，Krel为可靠系数，用于过负荷保护时动作于跳闸取1.1；Kr为继电器返回系数，取0.9；tst为电机实际启动时间，取9 s；tOP为保护装置的动作时限，s。

2.1.3电动机差动保护

(1) 差动保护的启动电流

差动保护的启动电流计算见公式(17)。

=0.62～1.24 (A)

取0.62 A，延时0.15 s

(17)

式中，ID，ST为差动保护的启动电流，A；IrM为电动机额定电流，A；nTA为电流互感器变比。

(2)差动保护速断动作电流

差动保护速断动作电流计算见公式(18)。

=2.5×3.1=7.75 (A)

(18)

3 结 语

高浓盘磨主电机采用自耦变压器降压启动方式，启动过程平稳、启动压降满足工厂电网要求，启动转矩满足生产需要。西门子公司的无刷同步电机保护完善，在福建省青山纸业股份有限公司运行多年，系统运行稳定，安全可靠，保障了高浓盘磨系统稳定生产。但是也出现过跳闸现象，比如高浓盘磨刀盘磨损严重后会出现震动跳闸；冬季环境温度低时润滑油站的压力和流量会波动，导致主电机跳闸；由于外部设备故障导致主电机跳闸3次，重新启动电机需要等待8 h以上，影响正常生产。因此平时还需要精心维护，不断深入研究，及时发现排除运行过程中的安全隐患，才能确保电机的稳定长期运行。