馬思眾

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司寧夏石化分公司，寧夏 銀川 750021）

0 引 言

催化裝置是煉化企業(yè)的核心裝備。隨著近些年大型煉化企業(yè)的快速崛起，作為催化裝置的最主要設(shè)備，主風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的容量不斷增加。以某煉油廠催化裝置為例，主風(fēng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)由一臺(tái)額定功率25 MW的電動(dòng)機(jī)和一臺(tái)18 MW的電動(dòng)機(jī)提供。根據(jù)生產(chǎn)需要，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)一用一備，且不會(huì)同時(shí)啟動(dòng)。因此，通過(guò)選擇合理的接線方式和控制方式，可以實(shí)現(xiàn)一臺(tái)高壓變頻器分時(shí)啟動(dòng)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)（即一拖二系統(tǒng)），節(jié)省項(xiàng)目資金投入，降低后期維護(hù)成本。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一拖二變頻軟啟動(dòng)系統(tǒng)由2臺(tái)電動(dòng)機(jī)、1臺(tái)高壓變頻器以及若干臺(tái)高壓開(kāi)關(guān)柜組成。高壓變頻器為軟啟動(dòng)系統(tǒng)的核心，選用廣東白云電器設(shè)備股份有限公司生產(chǎn)的TMEIC系列變頻器。圖1為軟啟動(dòng)一次系統(tǒng)圖，M1電機(jī)為主電機(jī)，KG1、V1、L1分別為主電機(jī)變頻軟啟動(dòng)輸入斷路器、輸出斷路器、工頻斷路器；M2電機(jī)為備用電機(jī)，KG2、V2、L2分別為備機(jī)變頻軟啟動(dòng)輸入斷路器、輸出斷路器、工頻斷路器。通過(guò)選擇不同的啟動(dòng)方式，經(jīng)PLC控制不同的斷路器動(dòng)作，可以實(shí)現(xiàn)1臺(tái)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完成切換到工頻后啟動(dòng)另1臺(tái)電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)一拖二的控制功能。

圖1 一拖二變頻軟啟動(dòng)主接線圖

2 啟動(dòng)過(guò)程及并網(wǎng)

2.1 軟啟動(dòng)過(guò)程

以啟動(dòng)主電機(jī)為例，啟動(dòng)前選擇需要啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，由電氣操作人員將變頻器選擇開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)至“M1”，并將主電機(jī)對(duì)應(yīng)的KG1、V1、L1斷路器手車推至運(yùn)行位?？刂葡到y(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)命令，由PLC控制KG1斷路器合閘；變頻器自檢完成后，自動(dòng)合V1斷路器，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始升速；當(dāng)輸出頻率達(dá)到50 Hz后，自動(dòng)調(diào)整輸出電壓、頻率、相位，鎖定并網(wǎng)點(diǎn)，工頻斷路器開(kāi)關(guān)L1自動(dòng)閉合，同期并聯(lián)成功；控制輸出斷路器V1、輸入斷路器KG1分閘，軟啟結(jié)束。主電機(jī)啟動(dòng)結(jié)束后，變頻器退出運(yùn)行，即可用來(lái)啟動(dòng)備用電機(jī)。

2.2 電動(dòng)機(jī)并網(wǎng)

電動(dòng)機(jī)的并網(wǎng)即軟啟動(dòng)結(jié)束，電動(dòng)機(jī)從變頻切換到工頻運(yùn)行[1]。當(dāng)電動(dòng)機(jī)加速到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，如果不進(jìn)行并網(wǎng)檢測(cè)，將直接將其切換到工頻，對(duì)電動(dòng)機(jī)、電網(wǎng)和變頻器影響很大。

根據(jù)電動(dòng)機(jī)的工作特性，常用的切換方式分別為直接切換、異步切換、同步切換和軟切換[2]。軟切換方式?jīng)_擊電流小，電機(jī)轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定。實(shí)現(xiàn)軟切換的關(guān)鍵元件是鎖相環(huán)。鎖相環(huán)是一個(gè)閉環(huán)的相位負(fù)反饋系統(tǒng)，已在通信、電子和導(dǎo)航等行業(yè)中應(yīng)用多年。鎖相環(huán)基本結(jié)構(gòu)由3個(gè)模塊組成——鑒相器、低通濾波器和壓控振蕩器，結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過(guò)實(shí)時(shí)采集變頻器的輸入電壓和輸出電壓，切換到工頻時(shí)，調(diào)整變頻器輸出電壓的相位、幅值和頻率，使之與電源電壓的相位、幅值和頻率相同或接近。

圖2 鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)圖

3 聯(lián)鎖及防誤

對(duì)于變頻軟啟動(dòng)一拖二系統(tǒng)，變頻器只能分別啟動(dòng)25 MW主電動(dòng)機(jī)M1和18 MW備電動(dòng)機(jī)M2，不允許兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，更不允許誤啟動(dòng)，否則會(huì)造成設(shè)備損壞并導(dǎo)致更大的事故。因此，為了確保設(shè)備的安全性和啟動(dòng)過(guò)程順利完成，必須為兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)設(shè)置必要的聯(lián)鎖和防誤措施。當(dāng)主機(jī)M1軟啟動(dòng)KG1輸入斷路器、V1輸出斷路器、L1工頻斷路器處于工作位置時(shí)，備機(jī)M2軟啟動(dòng)KG2輸入斷路器、V2輸出斷路器、L2工頻斷路器合閘控制回路閉鎖，不能啟動(dòng)。同樣，當(dāng)啟動(dòng)備機(jī)時(shí)，閉鎖主機(jī)合閘控制回路。開(kāi)關(guān)柜合閘聯(lián)鎖原理如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 變頻器進(jìn)線柜合閘聯(lián)鎖原理圖

圖4 變頻器出線柜合閘聯(lián)鎖原理圖

圖5 工頻進(jìn)線柜合閘聯(lián)鎖原理圖

同時(shí)，對(duì)軟啟動(dòng)器的PLC進(jìn)行設(shè)置，分別將兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的變頻輸入斷路器位置引入PLC，通過(guò)控制柜上的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)選擇不同的電機(jī)。當(dāng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)處于啟動(dòng)過(guò)程時(shí)，另一臺(tái)電動(dòng)機(jī)處于閉鎖狀態(tài)[3]。

4 系統(tǒng)的繼電保護(hù)

變頻軟啟動(dòng)系統(tǒng)除了要選擇可靠性高的變頻器外，還必須設(shè)置完善的繼電保護(hù)。在變頻器或電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，及時(shí)將設(shè)備從電網(wǎng)中脫離，防止更多設(shè)備損壞或影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。變頻軟啟動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程共分為變頻啟動(dòng)和工頻運(yùn)行兩個(gè)階段。因此，針對(duì)不同的階段，需要設(shè)置不同的繼電保護(hù)參數(shù)。

4.1 變頻方式下的保護(hù)

市場(chǎng)上有許多類型的變頻器且品牌很多，每個(gè)變頻器在保護(hù)配置方面都有自己的特點(diǎn)，但基本上都具有以下的主要保護(hù)功能——過(guò)載保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)[4]。

過(guò)載保護(hù)一般采用反時(shí)限方式，保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間與電動(dòng)機(jī)過(guò)載電流成反比。過(guò)載電流越大，保護(hù)動(dòng)作的啟動(dòng)時(shí)間越短，使電動(dòng)機(jī)更加快速地停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

在變頻器輸入電壓降低至額定值以下或者出現(xiàn)斷相時(shí)，可能會(huì)造成半導(dǎo)體元件損壞。此時(shí)，應(yīng)該快速停止變頻器，以避免對(duì)半導(dǎo)體元件造成更大程度的損壞。通常，欠壓保護(hù)可以根據(jù)半導(dǎo)體元件的額定電壓的70%～80%來(lái)設(shè)定。

產(chǎn)生過(guò)電壓的原因有系統(tǒng)電壓過(guò)高、操作過(guò)電壓等。當(dāng)輸入電壓超過(guò)額定電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)元件將會(huì)損壞，將進(jìn)一步影響變頻器的正常運(yùn)行。過(guò)壓保護(hù)值通常設(shè)定為半導(dǎo)體器件額定值的1.5倍。

過(guò)流產(chǎn)生的原因有控制回路誤動(dòng)作、電路連接故障以及短路電流等。長(zhǎng)期過(guò)流會(huì)造成開(kāi)關(guān)元件損壞，這種情況下必須盡快關(guān)斷開(kāi)關(guān)元件，才能讓變頻器停止工作，同時(shí)電源側(cè)斷路器應(yīng)立即跳閘。保護(hù)值通常設(shè)定為變頻器額定電流的1.1～2.0倍。當(dāng)電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，保護(hù)應(yīng)立即作用。

4.2 工頻方式下的保護(hù)

當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于工頻狀態(tài)時(shí)，大多數(shù)故障都是繞組故障，因此繼電保護(hù)是對(duì)定子繞組的保護(hù)。采用微機(jī)繼電保護(hù)裝置，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)的電壓、電流等參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)。大型電動(dòng)機(jī)尤其是功率超過(guò)2 000 kW的電動(dòng)機(jī)，通常采用縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)或磁平衡差動(dòng)保護(hù)作為電動(dòng)機(jī)的主要保護(hù)。此外，需要設(shè)置電流速斷保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、熱過(guò)載保護(hù)、負(fù)序保護(hù)、低電壓保護(hù)以及堵轉(zhuǎn)保護(hù)等作為后備保護(hù)。

磁平衡差動(dòng)保護(hù)是基于磁平衡原理的差動(dòng)保護(hù)[5]。差動(dòng)保護(hù)包含三組自平衡互感器和3個(gè)電流繼電器。在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，流入每個(gè)繞組的初始端和末端的電流是相同的電流，且該電流經(jīng)自平衡互感器穿入、穿出各一次，互感器一次側(cè)電流為零，二次側(cè)不產(chǎn)生感應(yīng)電流，保護(hù)不起作用。當(dāng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)相間短路或接地時(shí)，互感器一次側(cè)電流不為零，二次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電流；當(dāng)電流達(dá)到保護(hù)動(dòng)作值時(shí)，電動(dòng)機(jī)配電柜中的斷路器跳閘，切除供電電源。原理如圖6所示。

圖6 磁平衡式差動(dòng)保護(hù)原理圖

磁平衡式差動(dòng)保護(hù)需要躲過(guò)差動(dòng)互感器的最大不平衡電流和當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生單相接地時(shí)電動(dòng)機(jī)的最大容性電流。磁平衡差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作電流通常根據(jù)電動(dòng)機(jī)額定電流的10%設(shè)定。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的一拖二高壓變頻軟啟動(dòng)系統(tǒng)，解決了大型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流大、對(duì)電網(wǎng)和電機(jī)沖擊大的問(wèn)題。使用一臺(tái)變頻器實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，既滿足了現(xiàn)場(chǎng)的工況要求，又節(jié)省了投資，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本次項(xiàng)目成功驗(yàn)證了變頻器在大型異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)中的良好效果，可為此類工程提供可靠依據(jù)。