大型空壓機(jī)電機(jī)的啟動方式, 往往根據(jù)設(shè)計(jì)人員個人對啟動方式的理解和掌握情況來確定。盈德氣體公司有3 套大型空分設(shè)備的空壓機(jī)和電機(jī)為同類型、等容量, 但采取了自藕變壓器、極板可移動式水電阻和熱變電阻式水電阻3 種不同的啟動方式?，F(xiàn)根據(jù)現(xiàn)場采集到的實(shí)際啟動曲線對這3 種電機(jī)啟動方式進(jìn)行比較和分析, 供參考。
3 　空壓機(jī)和電機(jī)的相關(guān)參數(shù)
311 　空壓機(jī)參數(shù)
空壓機(jī)的軸功率: 8668kW; 額定轉(zhuǎn)距:55932N?m , 折算到電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)動慣量( GD2) 為2700kg?m2 ; 轉(zhuǎn)速為0 時(shí)的阻力矩/ 額定轉(zhuǎn)矩: 011 ; 轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速時(shí)的阻力矩/ 額定轉(zhuǎn)
矩: 013 ; 進(jìn)氣節(jié)流裝置充分關(guān)閉時(shí)的啟動阻力矩:559312N?m
312 　電機(jī)參數(shù)
異步電動機(jī)的額定功率: 10000kW; 額定電壓: (10 ±5 %) kV ; 額定電流: 645A ; 全電壓啟
動電流: 5 Ie ; 額定轉(zhuǎn)速: 1491r/ min ; 額定效率:9715 %; 功率因子( cosΦ) : 0192 ; 轉(zhuǎn)子GD2 :
976kg?m2 ; 額定轉(zhuǎn)距: 64059N?m ; 啟動轉(zhuǎn)距/ 額定轉(zhuǎn)距: 015 ; 最大轉(zhuǎn)距/ 額定轉(zhuǎn)距: 212 。
313 　空壓機(jī)入口導(dǎo)葉開度、轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系
空壓機(jī)入口導(dǎo)葉開度、轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖1 所示。
314 　電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電流、電壓、速度及空壓機(jī)導(dǎo)入
轉(zhuǎn)矩的關(guān)系
電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電流、電壓、速度及空壓機(jī)導(dǎo)入轉(zhuǎn)
矩的關(guān)系如圖2 所示。


圖1 　空壓機(jī)入口導(dǎo)葉開度、轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系



圖2 　電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電流、電壓、速度及空壓機(jī)導(dǎo)入轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

315 　電機(jī)轉(zhuǎn)矩與空壓機(jī)轉(zhuǎn)矩的配合關(guān)系
為了保證電機(jī)能夠順利拖動空壓機(jī), 在啟動的瞬間, 電機(jī)產(chǎn)生的啟動轉(zhuǎn)矩必須大于電機(jī)和空壓機(jī)轉(zhuǎn)速為0 時(shí)的綜合阻力矩(空壓機(jī)入口導(dǎo)葉接近全關(guān)) 之和; 為了保證空壓機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行, 電機(jī)產(chǎn)生的啟動轉(zhuǎn)矩必須大于空壓機(jī)阻力矩的10 %～15 %。從圖2 可以看出: 在空壓機(jī)入口導(dǎo)葉全開的情況下, 可能會使空壓機(jī)無法平穩(wěn)啟動及啟動后無法穩(wěn)定運(yùn)行, 故在啟動后要將電機(jī)切換到全壓運(yùn)行, 以保證設(shè)備長期、穩(wěn)定運(yùn)行。
4 　采集到的3 種啟動方式的實(shí)際運(yùn)行曲線
411 　自藕變壓器啟動方式
電網(wǎng)的主要技術(shù)參數(shù): 最大運(yùn)行方式下的短路容量: 587199MVA ; 最小運(yùn)行方式下的短路容量:32215MVA ; 主變?nèi)萘繛? ×50MVA 的變壓器;短路阻抗: 14 %; 母線電壓: 10kV ; 基準(zhǔn)電壓:1015kV ; 頻率: 50Hz ; 采用10kV 電纜進(jìn)線; 啟動時(shí)采用2 ×50MVA 的變壓器。采用自藕變壓器啟動的一次方案主接線如圖3所示。
 


圖3 　采用自藕變壓器啟動的一次方案主接線圖

控制過程說明: ①啟動步驟: 在接收到啟動信號后, 首先閉合斷路器QF2 , 延時(shí)約1 秒后閉合斷路器QF1 , 電機(jī)進(jìn)入降壓啟動過程, 待電機(jī)降壓啟動完成時(shí)斷路器QF2 斷開, 延時(shí)約1 秒后閉合斷路器QF3 , 啟動完成進(jìn)入全壓運(yùn)行狀態(tài); ②停止過程: 在接收到停車信號后,首先斷開斷路器QF1 , 由斷路器QF1 聯(lián)鎖斷開QF3 , 停車過程完成。
采用自藕變壓器進(jìn)行啟動的方式, 二次側(cè)接的是采用75 %的一次側(cè)端電壓, 實(shí)際啟動電流是
2000A , 約為額定電流的311 倍; 電壓下降幅度為017kV (從1016kV 降至919kV) 。自藕變壓器按二次側(cè)電壓額定電壓的7818 %、75 %、7112 %為3個設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì), 即引出3 個端電壓。采集到的實(shí)際運(yùn)行曲線如圖4 所示。


圖4 　采用自藕變壓器降壓啟動的空壓機(jī)實(shí)際運(yùn)行曲線

412 　極板可移動式水電阻啟動方式
電網(wǎng)的主要技術(shù)參數(shù): 最大運(yùn)行方式下的短路容量: 435MVA ; 最小運(yùn)行方式下的短路容量:
30215MVA ; 主變?nèi)萘繛?3MVA 的變壓器; 母線電壓: 10kV ; 基準(zhǔn)電壓: 1015kV ; 頻率: 50Hz ;采用10kV 電纜進(jìn)線; 啟動時(shí)采用1 ×63MVA 的變壓器。采用極板可移動式水電阻啟動的一次方案主接線如圖5 所示。


圖5 　采用極板可移動式水電阻啟動的一次方案主接線圖

控制過程說明: ①啟動步驟: 在接收到啟動信號后, 首先閉合斷路器QF2 , 延時(shí)約1 秒后閉合斷路器QF1 , 電機(jī)進(jìn)入降壓啟動過程, 待電機(jī)降壓啟動完成時(shí)閉合斷路器QF3 , 由斷路器QF3 聯(lián)鎖斷開斷路器QF2 , 啟動完成, 進(jìn)入全壓運(yùn)行狀態(tài);
②停止過程: 在接收到停車信號后, 首先斷開斷路器QF3 , 由斷路器QF3 聯(lián)鎖斷開斷路器QF2 , 停車過程完成。
圖5 中的斷路器QF2 可以用線路隔斷來替代,但需要進(jìn)行手動操作; 在電機(jī)功率較小的情況下,也可采用真空接觸器進(jìn)行聯(lián)鎖控制。采用極板可移動式水電阻啟動方式, 啟動時(shí)的
電流為2150A , 約為額定電流的3133 倍, 電壓下降幅度為111kV (從1016kV 降至915kV) , 將啟動電流為額定電流的3 倍作為設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
采集到的實(shí)際運(yùn)行曲線如圖6 所示。

 
圖6 　采用極板可移動式水電阻啟動的空壓機(jī)實(shí)際運(yùn)行曲線

413 　熱變電阻式水電阻啟動方式
電網(wǎng)的主要技術(shù)參數(shù): 最大運(yùn)行方式下的短路容量: 644MVA ; 最小運(yùn)行方式下的短路容量:
372MVA ; 主變?nèi)萘繛?0MVA 的變壓器; 母線電壓: 10kV ; 基準(zhǔn)電壓: 1015kV ; 頻率: 50Hz , 采用10kV 架空進(jìn)線; 啟動時(shí)采用1 ×50MVA 的變壓器。
采用熱變電阻式水電阻啟動的一次方案主接線和控制過程與采用極板可移動式水電阻啟動方式相同。
采用熱變電阻式水電阻啟動方式, 啟動時(shí)的電流為2100A , 約為額定電流的3126 倍, 電壓下降幅度為113kV (從1017kV 降至914kV) , 將啟動電流為額定電流的3 倍作為設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
采集到的實(shí)際運(yùn)行曲線如圖7 所示。


圖7 　采用熱變電阻式水電阻啟動的空壓機(jī)實(shí)際運(yùn)行曲線

5 　3 種啟動方式的比較和分析
根據(jù)目前實(shí)際采集到的啟動曲線情況來看, 這3 種啟動方式都無特別明顯的優(yōu)勢和特別大的區(qū)別, 3 種不同的啟動方式將電網(wǎng)的壓降值都控制在電網(wǎng)允許的范圍內(nèi), 啟動電流的倍數(shù)都控制在額定電流的3 倍左右, 啟動時(shí)間都控制在42～45 秒內(nèi)。由于各地現(xiàn)場的情況不完全一致, 實(shí)際運(yùn)行情況肯定受其他啟動因素的影響, 所以認(rèn)為這3 種啟動方式都是大型電機(jī)比較理想的啟動方式, 其對電網(wǎng)產(chǎn)生的壓降大小除了和當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)容量有很大關(guān)系外,和其上級主變壓器的容量也有密不可分的關(guān)系。采取不同的電機(jī)啟動方式啟動空壓機(jī)時(shí)的技術(shù)參數(shù)比較見表1 。
表1 　采取不同的電機(jī)啟動方式啟動空壓機(jī)時(shí)的技術(shù)參數(shù)
 

對這3 種啟動方式的基本優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析:
(1) 自藕變壓器啟動方式的主要優(yōu)點(diǎn)在于后期不需要維護(hù), 而且容量可以設(shè)計(jì)得很大, 在國外也被廣泛使用, 并且占地面積也相對較小, 需要的土建投資成本比較低, 但設(shè)備本身的投資成本相對較高; 缺點(diǎn)就是自藕變壓器只有3 個端頭, 端電壓可調(diào)節(jié)范圍有限, 啟動時(shí)產(chǎn)生的一個二次沖擊會對電網(wǎng)和設(shè)備造成沖擊。
(2) 相對來說, 極板可移動式水電阻啟動方式啟動的初始電流要小, 由于極板的移動是靠小變頻器和伺服電機(jī)拖動, 極板的可靠性從理論上講, 比熱變電阻式的固定極板低; 極板可移動式水電阻啟動的優(yōu)點(diǎn)是電阻值可調(diào), 可在現(xiàn)場隨時(shí)調(diào)整啟動阻值, 來達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)端電壓及母線電壓的目的, 啟動完成時(shí)無二次沖擊。
(3) 熱變電阻式水電阻啟動方式在啟動過程中電流波動比較小, 電壓下降幅度也屬于正常范圍,其他數(shù)據(jù)(如電流、啟動時(shí)間、電流倍數(shù)) 也基本與極板可移動式水電阻啟動方式相同。熱變電阻式水電阻啟動方式的優(yōu)點(diǎn)也是電阻值可調(diào), 雖與極板可移動式水電阻調(diào)節(jié)阻值相比, 較煩瑣(現(xiàn)在熱變電阻也已經(jīng)出現(xiàn)了在啟動前可以調(diào)整極板, 在啟動過程中極板不動的改進(jìn)型熱變電阻式水電阻) , 但由于極板在啟動過程中不變化, 所以安全性優(yōu)于極板可移動式的水電阻。啟動完成時(shí)無二次沖擊。
(4) 極板可移動式水電阻和熱變電阻式水電阻啟動方式的共同缺點(diǎn), 是每次啟動后液體溫度上升較大, 不能在短時(shí)間內(nèi)多次啟動。啟動容量設(shè)計(jì)得不大, 目前還只是在功率為18000kW 以下的電機(jī)上應(yīng)用, 主要還是集中在功率為12000kW 以下的電機(jī)。占地面積很大, 土建投資成本相對較高, 后期需要進(jìn)行維護(hù)。
結(jié)束語
    在選擇大型電機(jī)常用的降壓啟動方式時(shí)候, 要結(jié)合電網(wǎng)條件、啟動設(shè)備的價(jià)格、占地面積和土建投資等各方面綜合考慮。如果是特大型電機(jī)和比較注重啟動裝置的后期免維護(hù)性, 那就選擇自藕變壓器啟動方式; 在場地面積小、配電房面積有限的情況下, 也建議采用自藕變壓器啟動方式。在場地條件允許的情況下, 要考慮土建投資和設(shè)備投資的性價(jià)比, 選擇性價(jià)比最高的啟動方式。如果需要電機(jī)端的電壓可調(diào)節(jié)范圍比較大, 建議采用水電阻啟動方式, 至于是采用極板可移動式還是熱變電阻式,可根據(jù)電控操作人員的操作習(xí)慣來選擇。