大型高压电动机的起动设计

摘 要：阐述了企业6kV电网供电时，在电网短路容量较小而高压电机容量较大情况下起动方案的选择、起动设计的计算、分析和确定，以及在实际开车时起动数据的考核等。
关键词：电网供电；高压同步电动机；起动；设计
一、前言
我国工矿企业的供电系统很多是采用6kV配电电压，在6kV配电电网上，如果用电设备中有大容量（2000kV以上）的高压电动机，在电动机的起动过程中，电网电压会产生较大波动，将会直接影响电网的供电质量和电网上其他用电设备的正常运行和使用寿命，这种情况是不允许出现的。针对这一问题，在电控设计中往往采用降低电动机端电压的方式进行起动。因此，在设计中，必须根据电网条件，对大型高压电动机的起动进行起动计算、校核，选择正确的起动方法和合理的起动设备。
二、电网条件和高压电动机的主要技术数据
1、电网条件
某空分厂电控系统电源来自上级降压站，电压6kV，降压站出线侧的最大、最小短路容量为：Smax=230MVA，Smin=130MVA；降压站至空分厂高压配电室距离400m，由两根185mm2铜芯电力电缆并联送电，折算到空分厂6kV电缆进线处的最大、最小短路容量为：
Sbsmax=Sj/(Sj/Smax+XL)=212.31 MVA
Sbsmin=Sj/(Sj/Smin+XL)=123.46 MVA
式中：Sj—基准容量，取100MVA；XL—电缆电抗标幺值，XL=0.041 Ω
因此，该空分厂6kVA母线的最大、最小容量为：Sbsmax=212.31MVA，Sbsmin=123.46 MVA；空分厂6kVA母线为单母线分段运行，3700kW电机接在Ⅰ段母线上级，Ⅰ段母线预接负荷的无功功率：Qx=2.10MVA。
2、高压电机的主要技术数据
该空分设备采用沈阳鼓风机厂生产的透平空气压缩机，其拖动电机为上海电机厂生产的T3700-4/1430大型高压同步电机。
电机参数：额定功率：3700kW；额定电压：6kV；额定电流：408A；额定容量：4235kVA；起动电流倍数：6倍；功率因素：cosΦ=0.9；频率：50Hz；转速：1500r/min；电机起动转矩相对值：1.8；机组静阻转矩相对值：0.3；同步电机牵入转矩相对值：1.18；飞轮力矩：385kg.m2；电机最长允许起动时间：40s；电机允许连续起动次数：2次。
三、高压电机起动方式的确定和设计
高压电机的起动方式取决于：电机起动时高压母线上的电压降是否符合国家的有关规定（起动不频繁的电机，起动时母线电压不低于85%的额定电压）和满足电机厂提出的技术条件，如：上述电机起动时电机端电压不低于4.9kV，起动时间不超过40s。目前，我国6kV电网高压电动机起动方式常采用以下两种：全电压起动（直接起动），见图1（a）；电抗器降压起动，见图1（b）。

图1(a)　全电压起动电路图　　图1(b) 电抗器降压起动电路图
起动方式选择：
1、全电压起动，如图2示

图2　全电压起动的等值电路
起动时电压相对值：

式中：Usb——电机起动时母线电压相对值；Sbs——母线短路容量，为123.46 MVA；Qx——预接负荷的无功功率，为2.1 MVA；Ss——电机起动时起动回路额定输入容量,MVA；Ss=1/(1/Ssm+XL/U2)；Ssm——电机额定起动容量,Ssm=25.44 MVA；XL——电机线路电抗值
∵忽略XL，∴Ss=Ssm=25.44 MVA

∴ Usb=0.837＜0.85，不能满足电机起动时母线电压不低于额定电压85%的要求。因此，不能采取直接起动方式。
2、电抗器降压起动（忽略XL，如图3示）

取：得：Ss≤22.15 MVA

图3　电抗器降压起动等值电路
取：　 得：　Xx=0.23 Ω
式中：Xx——电抗器电抗值
根据计算，起动电抗值应大于0.23Ω，我们选QKSG2—6500/6型起动电抗器，其额定电压6kV，每相额定电抗值0.6Ω，额定起动电流1.9kA，额定起动容量6500kVA。该电抗器在电抗值0.6Ω、0.48Ω、0.39Ω处各有一个抽头，经计算电抗器降压起动数据,如表1示。
表1　电抗器降压起动计算数据
Xx
(Ω) Ss
(MVA) Usb Is
(kA) Usm
(kV) Ks Sbs
(MVA)
0.6 17.86 0.875 1.51 5.25 3.70 　
0.48 18.87 0.869 1.60 5.21 3.92 123.46
0.39 20.00 0.862 1.66 5.17 4.07 　

表中：Usm——电机起动端电压；Is=Usb(Ss/3U)；Ks=Is/Inm
从以上数据可知，采用电抗降压起动，既能保证母线压降不低于85%，又能满足电机生产厂对电机的起动要求。在实际应用中，3700kW电机选用电抗其中间档0.49Ω进行起动，如上表所示：起动时母线电压0.869kV，电机端电压5.21kV，起动电流1.6kA，为电机额定电流的3.92倍，比全电压起动降低了约35%，而电抗器的允许起动电流为1.9kA=Isx，Isx＞Is=1.6kA，校验电抗器的过负荷能力，也符合要求。
1996年1月在某空分厂3700kW高压同步电机带空气透平压缩机采用电抗器降压起动一次成功。当时电网的母线电压为6.35kV，电抗器接在0.48Ω档，起动时母线电压5.5kV，起动电流1.56kA，起动时间25s左右。在后来的多次起动中，均一次顺利成功，其起动数据和上述数据基本一致。
四、结论
从以上设计数据和开车结果可以看出，这台3700大型同步电机在上述电网条件下，采用电抗器降压起动的方式是合理的，设计计算也是正确的。而起动设备的投资相对其他起动设备（如自藕变压器降压起动）要低，为企业节约了投资。