基于电网容量选择高炉鼓风机软起动的方法

唐 春

(成都成发科能动力工程有限公司，四川 成都 610503)

高炉鼓风机配套的高压电动机功率在4000～40 000 kW居多，上海电机厂在高炉鼓风机上配套的最大同步高压电动机有1台，功率为51 200 kW，2台功率为36 000 kW；高炉鼓风机配套的最大异步电动机有4台，功率为34 000 kW。根据文献[1]，交流电动机直接起动电流将达到其额定电流的4～7倍，对电网的冲击大，造成同一电网电压大幅下降，影响同一电网其他电动机的安全运行。文献[2]比较了不同型号的高压感应电动机在直接起动过程中功率因数以及电磁转矩的变化情况，得出电动机容量越大、电压等级越高,电动机更容易遇到功率因数低、起动转矩低等起动问题的规律。高压感应电动机直接起动的突加转矩对电动机本体以及相关机械的冲击损伤也很大。高压感应电动机直接起动时，电流在电动机绕组里产生的热损耗也相当大，电动机制造厂对电动机允许的起动次数也有严格的限制[3]。因此对于大型电动机而言，一般都需要采用软起动方式进行起动。

选用何种软起动装置，除了要满足负载升速需求、兼顾软起动自身的功率覆盖范围外，还需要参照所处电网的外部因素，使各方均满足条件，达到最佳性价比。

1 电动机起动过程对电网的影响

某1080 m3高炉配套ACL63-15型轴流压缩机，主电动机生产厂家为上海电机厂，型号为YGF1000-4，Y型接法，参数汇总如表1所示。

该机组所在电网最小短路容量为247.6 MVA，若采用直接全压起动，根据文献[4]，主电动机的起动容量为

83.63 MVA

(1)

式中：PM为电动机额定功率，kW；kS为电动机全压起动电流倍数；cosφ为电动机功率因数；η为电动机效率。

表1 某项目起动参数汇总

高炉鼓风机所在母线无其他预接负荷；母线至电动机电缆为45 m，可忽略其影响；故根据文献[5]表6.5-4、表6.5-5中的公式，电动机全压起动时，母线电压相对值降为

(2)

式中：Sqd为电动机的起动容量，MVA；Ss为电网最小短路容量，MVA。

根据文献[5]中对电能质量要求：不频繁起动的电动机起动时，配电母线上的电压不宜低于系统标称电压的85%。由此看出，全压起动时母线电压不符合要求。

若起动时，母线电压要符合压降不低于系统标称电压85%，则起动时的起动电流倍数，需不大于某个定值，根据式(1)和式(2)，可得计算如下。

=1.714

(3)

从计算来看，要达到母线压降不低于系统标称电压85%，需使电动机的起动电流倍数不大于电动机额定电流的1.71倍。

式(1)中，电动机效率和功率因数属于电动机特性，按目前的电动机生产制造工艺，变化范围差异不大，后续推算中将2个数的乘积按常数0.8769处理，不影响结果。

2 对软起动装置的要求

根据文献[6]，高压软起动装置需要满足以下几个方面的要求。

首先需要满足负载的起动要求：需要确保电动机的起动力矩比较大(相应的电动机电流也就要求比较大)，能克服负载的静阻力矩，并使电动机具有一定的加速力矩，使电动机快速完成起动过程，避免冲击力距以保护电动机本体以及所连接的机械负载。

其次需要满足电网的要求：这就要求在电动机起动时，电网压降不应低于系统标称电压的85%，不影响电网其他用电设备的正常运行。

最后还要满足用户的要求。比如降低运行成本及一次投资，软起动装置尽量简易、可靠、免维护，多次起动时起动性能参数一致，现场调整参数方便。

3 根据电网容量选择软起动装置

作为高炉鼓风站的主要用电设备，高炉鼓风机配套的主电动机在起动过程中，需要从上级电网吸收大量的无功功率，从而引起网压的大幅下降。根据文献[6]和文献[7]，电动机软起动装置分为降压式软起动、变频式软起动、转子变阻式软起动，下文单从电网容量的角度分析选择适用的软起动装置，但各起动装置受限于功率元件能承受的电流上限、生产工艺等环节，又有自身的一些局限，此处暂未考虑。

电抗类、电阻类和电子固态类的软起动装置起动电流倍数一般都只能控制在额定电流的2.5～4倍[8]。故根据式(1)和式(2)可以推算出，在系统最小短路容量大于电动机容量的16倍时，可以选择这一类的软起动装置，技术经济指标较高。

降补固态软起动装置在电动机端并联无功发生器，电动机起动过程中所需要无功功率由此无功发生器提供[9-10]。电动机及无功发生器并联，经降压器接入电网，可将电动机起动过程中从电网吸收的电流控制在1.5～2.5倍电动机额定电流。机端电流为电动机额定电流的2.6倍，机端电压降为电动机额定电压的0.75倍左右。根据式(1)和式(2)可以推算出，在系统最小短路容量是电动机容量的10～16倍时，可以选择这一类的软起动装置，该设备较常规软起动装置价格贵一些，但低于同样起动负载容量的变频软起动，是这个电网容量段适用的软起动装置一个很好的补充。

上例中，若采用降补固态软起动装置，电动机起动电流控制在1.5倍电动机额定电流，则母线电压相对值ustM为

变频软起动能实现起动电流低于电动机额定电流，但造价和维护成本都不经济，且只能把变频器当成软起动器使用，未能发挥出变频器的最大特性，当系统最小短路容量小于电动机容量的10倍时，却没有太多的选择余地。

4 软起动装置的校验

上例项目实际采用降补固态软起动装置，全过程32 s，起动过程机端数据实录如图1所示，起动过程进线电压曲线如图2所示，进线电流约1.47倍额定电流，很好地满足了电动机的起动需求。

在选择了合适的软起动方式后，需要对起动过程校验。一是电动机起动时，机端电压会降低，最低值应能保证传动机械要求的起动转矩；二是高压电动机起动时的温升不超过允许值，降压起动过程的电流都比较大，起动时间越长，温升越高。

图1 电动机起动时机端数据

图2 电动机起动时母线电压

5 结论

大型电动机的软起动装置的选择，必定是基于电网容量、负载情况、电动机参数、设备成本等各种因素综合考虑。本文提供的方法，是根据电动机功率和电网的最小短路容量，核算在满足最低起动电压降的条件下的最大起动电流倍数，根据允许的最大起动电流倍数，选择性价比合理的高压软起动装置。电网最小短路容量与电动机起动容量的比值越大，对软起动装置的限制条件越小，可降低一次设备的投资。选定高压软起动装置后，根据实际的机端起动电压降，可再次校验其起动转矩和起动时间是否符合负载要求。