薛雨辰

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

隨著近幾年經(jīng)濟(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外的石化企業(yè)都集中建設(shè)一批生產(chǎn)裝置，形成大型化工區(qū)，生產(chǎn)裝置的用電量急劇增長(zhǎng)，部分裝置的大電機(jī)功率越來越大，如高壓聚乙烯裝置的二次壓縮機(jī)、MTO裝置的主風(fēng)機(jī)、PDH裝置的壓縮機(jī)、一體化項(xiàng)目的空分壓縮機(jī)等，這些大型電機(jī)容量在20 MW ～ 30 MW，35 kV已不能滿足這些電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)要求，尤其針對(duì)一些老廠區(qū)，采用220 kV直降35 kV，無110 kV配電母線，大電機(jī)啟動(dòng)時(shí)容易影響35 kV母線穩(wěn)定運(yùn)行。因此采用LCI軟起動(dòng)成為越來越流行的辦法。本文就對(duì)大電機(jī)采用LCI配套的一次及二次部分作簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)與研究。

1 LCI的介紹

LCI是專門用于拖動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)的變頻器，為負(fù)載換相式電流型變頻器，通過檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置控制供電頻率，這樣電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速始終相等，保持同步狀態(tài)，因此不存在失步和振蕩的隱患，且LCI結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無須強(qiáng)迫換流電路，晶閘管也可以通過并聯(lián)擴(kuò)容，適用于大容量場(chǎng)合，因此在大容量的傳動(dòng)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

2 主要設(shè)計(jì)方案

2.1 電氣主接線部分

LCI變頻軟起動(dòng)裝置主要由全控整流橋、濾波電抗器、晶閘管逆變器、LCI控制單元組成，同步電機(jī)還需配置專用的勵(lì)磁控制系統(tǒng)，另外還需根據(jù)電機(jī)起動(dòng)特性以及LCI的輸出特性設(shè)計(jì)降壓變壓器、升壓變壓器。

以某煤化工高壓聚乙烯裝置項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目?jī)蓷l生產(chǎn)線大電機(jī)供電獨(dú)立分開。一條生產(chǎn)線（25線）大電機(jī)分別為21 000 kW和6 800 kW，采用110/10 kV主變供電，6 800 kW電動(dòng)機(jī)要求先行起動(dòng)，21 000 kW電動(dòng)機(jī)要求后起，另一條生產(chǎn)線（12線）大電機(jī)分別為13 500 kW和3 500 kW，采用35/10 kV主變供電，電機(jī)起動(dòng)順序同25線。根據(jù)計(jì)算6 800 kW及3 500 kW可直接起動(dòng)，但當(dāng)21 000 kW或13 500 kW直接起動(dòng)時(shí)，母線壓降大于20%，影響了已掛網(wǎng)運(yùn)行電機(jī)的運(yùn)行。因此21 000 kW及13 500 kW考慮設(shè)置了軟起動(dòng)器LCI，為節(jié)省投資，采用一臺(tái)LCI在兩個(gè)電網(wǎng)起動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)的方案。

LCI可以利用多個(gè)電網(wǎng)起動(dòng)多臺(tái)電機(jī)或者LCI之間互為備用的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)出合理、方便操作檢修的電氣主接線。

用同一臺(tái)LCI軟起動(dòng)不同的電動(dòng)機(jī)滿足以下條件：

（1） 起動(dòng)的大電機(jī)均為同步電動(dòng)機(jī)；

（2）主接線方案能實(shí)現(xiàn)LCI的電源的切換，起動(dòng)電機(jī)的切換；

（3）不同起動(dòng)回路之間應(yīng)考慮互鎖回路以保證安全；

（4）起動(dòng)回路的斷路器、 LCI、變壓器、電纜應(yīng)按照功率和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大的一臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，繼電保護(hù)配置需滿足各種工況最小運(yùn)行方式下的短路電流要求。

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的主接線圖如圖1所示。

圖1 電氣單線圖Fig.1 Electric single line diagram

其中10kV開關(guān)柜1# ～ 4#用于25線大電機(jī)供電；開關(guān)柜8# ～ 11#用于12線大電機(jī)供電；6#柜為L(zhǎng)CI系統(tǒng)電源饋線柜；5#、7#柜為分段柜，25線21 000 kW電機(jī)起動(dòng)電源利用25線進(jìn)線電源，此時(shí)5#柜分段開關(guān)合閘，當(dāng)起動(dòng)12線13 500 kW電機(jī)，合閘7#柜分段開關(guān)；16#柜為軟起動(dòng)輸出段進(jìn)線柜；14#、17#柜為軟起動(dòng)輸出段出線柜，起動(dòng)時(shí)25線大電機(jī)合閘14#柜出線開關(guān)，起動(dòng)時(shí)12線大電機(jī)合閘17#柜出線開關(guān)；12#、13#柜為電纜接線柜，除去接線柜，共15臺(tái)開關(guān)柜。

由于兩臺(tái)軟起動(dòng)電機(jī)均要求利用本裝置的供電電源進(jìn)行起動(dòng)，因此開關(guān)柜之間還設(shè)置了電氣互鎖，如當(dāng)5#柜或14#柜合閘時(shí)，閉鎖7#、17#柜合閘，防止兩路電源并列運(yùn)行。另外14#柜和17#柜不設(shè)置接地開關(guān)，以防一條生產(chǎn)線開關(guān)柜檢修時(shí)，另一條生產(chǎn)線大電機(jī)軟起動(dòng)造成帶電接地。

LCI換相分脈沖模式及負(fù)載自然換相模式，脈沖模式時(shí)LCI輸出間斷性電流，使電機(jī)轉(zhuǎn)速提升至8% ～ 10%然后切換成負(fù)載自然換相模式，整個(gè)脈沖過程一般會(huì)持續(xù)4 ～ 8 s。由于脈沖模式LCI輸出的是鋸齒波，鋸齒波為間斷性電流，易使交流變壓器飽和，因此會(huì)在輸出變壓器旁設(shè)計(jì)旁路。

2.2 導(dǎo)體設(shè)備選擇部分

以該項(xiàng)目為例，兩條生產(chǎn)線需要軟起動(dòng)的大電機(jī)為21 000 kW、13 500 kW，轉(zhuǎn)速均為231 r/min，主電機(jī)滿載轉(zhuǎn)矩分別為869 000 N·m、559 000 N·m，電機(jī)端的靜阻轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的19%。因此LCI的容量應(yīng)按照較大的啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)選型。為滿足起動(dòng)要求，LCI輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于靜阻轉(zhuǎn)矩的1.1倍，那么LCI的輸出容量不應(yīng)低于869×0.19×1.1×231/9 550 =4 393 kW，并需考慮電纜及輸出變壓器損耗，因此該項(xiàng)目選擇12/6脈沖，輸出空載電壓為2 090 V，額定輸出功率為5 000 kW的LCI。

輸出變壓器選擇：電機(jī)起動(dòng)時(shí)LCI輸出功率因數(shù)為0.883，因此輸出變壓器容量選擇為5 000/0.883 = 5 662.5 kVA，根據(jù)IEC61378-1《換流變壓器.第1部分：工業(yè)用變壓器》，本項(xiàng)目升壓變壓器繞組耐熱等級(jí)為H（高壓）/F（低壓），考慮到繞組溫升，周期性負(fù)載在1小時(shí)內(nèi)5分鐘上電，55分鐘斷電的情況下，過載能力為3.5 p.u，因此，變壓器額定容量選擇5 662.5/3.5 = 1617.8 kVA，選擇1 650 kVA變壓器，接線組別選用Dy5，變比為10/2.09 kVA，根據(jù)變壓器廠提供的試驗(yàn)曲線，該變壓器在功率因數(shù)0.883下，變壓器效率為99.09%，因此1 650×99.09% = 1 634.98 kVA＞1 617.8 kVA，可以滿足電機(jī)LCI起動(dòng)要求。

輸入變壓器選擇：電機(jī)起動(dòng)時(shí)，LCI輸入功率因數(shù)為0.85，變頻器效率為0.9，因此輸入變壓器容量考慮為5 000/ （0.85×0.9） = 6 536 kVA，本項(xiàng)目降壓變壓器繞組耐熱等級(jí)為H（高壓） /H（低壓），變壓器選型同樣按過載考慮，額定容量選擇6 536/3.5 = 1 867 kVA，在功率因數(shù)0.85下，變壓器效率為98.98%，選擇1950/975/975 kVA變壓器，接線組別為Dd0y1，一次側(cè)額定電壓為10 kV，二次側(cè)兩個(gè)繞組的額定電壓為2.09/1.732=1.2 kV。

電纜導(dǎo)體：該項(xiàng)目大電機(jī)為往復(fù)式壓縮機(jī)，轉(zhuǎn)速低，LCI整個(gè)起動(dòng)過程約30秒，考慮到檢同期因素，最長(zhǎng)不超過2分鐘。LCI輸入輸出變壓器低壓側(cè)電壓較低，起動(dòng)過程電流將達(dá)到1 584 A，選擇4拼3芯240 mm2銅芯電纜，電纜也可按過載5 min選型，但需考慮起動(dòng)過程中產(chǎn)生的諧波電流。LCI輸出旁路運(yùn)行時(shí)間不超過8 s，電流為401 A，由于起動(dòng)時(shí)間較短，不計(jì)電纜敷設(shè)系數(shù)，選擇3芯240 mm2銅芯電纜。

2.3 順控邏輯

LCI起動(dòng)順控邏輯主要分三部分，一部分由LCI完成，一部分由勵(lì)磁柜完成，另一部分由自控系統(tǒng)完成。以該項(xiàng)目為例，兩臺(tái)電機(jī)根據(jù)生產(chǎn)線分別由各自裝置的DCS、各自電機(jī)的勵(lì)磁柜，以及一套LCI完成起動(dòng)。以起動(dòng)25線21 000 kW電機(jī)為例：

（1）先由DCS給LCI發(fā)出信號(hào)起動(dòng)柜內(nèi)風(fēng)機(jī)，給5#、14#、16#開關(guān)柜發(fā)出合閘命令，待收到開關(guān)反饋信號(hào)后，DCS給勵(lì)磁柜發(fā)出電機(jī)起動(dòng)信號(hào)，勵(lì)磁柜收到信號(hào)后，輸出勵(lì)磁電流，并延時(shí)2 s后反饋給LCI勵(lì)磁已投用信號(hào)，此時(shí)轉(zhuǎn)子繞組會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)逐步形成時(shí)，對(duì)定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)積分就可得氣隙磁鏈的大小以及轉(zhuǎn)子位置角，待LCI收到勵(lì)磁投用信號(hào)后，給6#開關(guān)柜發(fā)出合閘命令，接通主回路開始起動(dòng)。

（2）電機(jī)起動(dòng)時(shí)LCI采用旁路脈沖輸出，輸出電流隨著轉(zhuǎn)速上升略微降低，輸出電壓從零開始線性升高，待電機(jī)轉(zhuǎn)速提升至8% ～ 10%，進(jìn)入負(fù)載自然換向模式，輸出電流保持恒定，輸出電壓不斷升高至額定LCI輸出電壓，然后LCI輸出從旁路切換至輸出升壓變壓器回路，此間電機(jī)斷電轉(zhuǎn)速下降，待模式切換完成后，LCI輸出恒定大電流，電機(jī)不斷加速至額定轉(zhuǎn)速，期間LCI輸出電壓從減速并折算后的電機(jī)反向電壓升壓至額定輸出電壓即2.09 kV，電機(jī)電壓最終也升至10 kV。

（3）當(dāng)LCI判斷到電機(jī)轉(zhuǎn)速已大于額定轉(zhuǎn)速的99%時(shí)，進(jìn)行檢同期并網(wǎng)，待滿足同期要求后，向勵(lì)磁柜發(fā)出并網(wǎng)命令，勵(lì)磁柜再向2#柜發(fā)出合閘命令，勵(lì)磁柜收到2#柜合閘反饋后，向LCI轉(zhuǎn)送信號(hào)，待2#柜合閘后，LCI 向DCS發(fā)出起動(dòng)完成信號(hào)。DCS收到信號(hào)后向14#柜發(fā)出分閘命令，待開關(guān)分閘后，勵(lì)磁柜的勵(lì)磁模式轉(zhuǎn)為功率因數(shù)模式，電機(jī)起動(dòng)完成。

（4）當(dāng)不需要起動(dòng)第二臺(tái)電機(jī)時(shí)，可由DCS內(nèi)操人員發(fā)出命令，斷開5#、6#、16#斷路器，斷開LCI散熱風(fēng)機(jī)。

3 起動(dòng)過程LCI、電機(jī)主要參數(shù)曲線

整個(gè)起動(dòng)過程按換向方式劃分，分為脈沖電流換相模式、負(fù)載自然換相模式；按主接線劃分，分為L(zhǎng)CI旁路輸出、LCI變壓器輸出、并網(wǎng)三個(gè)階段。以該項(xiàng)目為例，起動(dòng)過程中LCI、電機(jī)的電流、電壓、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)曲線如圖2～ 4所示。

圖2 電機(jī)起動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)矩曲線Fig.2 Torque characteristic during motor start-up

圖3 電機(jī)起動(dòng)過程中的電機(jī)電壓電流曲線Fig.3 Motor voltage and current characteristic during motor start-up

圖4 電機(jī)起動(dòng)過程中變頻器電流曲線Fig.4 VFD current characteristic during motor start-up

4 采用LCI與直接起動(dòng)方式的經(jīng)濟(jì)分析比較

該項(xiàng)目?jī)蓷l生產(chǎn)線大電機(jī)采用LCI軟起動(dòng)時(shí)，與直接起動(dòng)方式的投資對(duì)比如下：

（1）當(dāng)大電機(jī)采用LCI軟起動(dòng)時(shí)，比直接起動(dòng)方案增加的工程量主要如下：

共9臺(tái)中壓開關(guān)柜、1套5 000 kW LCI裝置、1臺(tái)1 950 kVA 10/1.2/1.2 kV干式變壓器、1臺(tái)1 650 kVA 10/2.09 kV干式變壓器，軟起動(dòng)10 kV柜間電纜共650 m，10 kV電纜頭40套、DCS點(diǎn)數(shù)：40個(gè)DI/DO點(diǎn)、4個(gè)AI/AO點(diǎn)，控制電纜1 km。此部分費(fèi)用總計(jì)約194萬元。

（2）若該項(xiàng)目?jī)蓷l生產(chǎn)線的大電機(jī)均采用直接起動(dòng)方式，比采用LCI軟起動(dòng)方案增加的工程量如下：

為滿足起動(dòng)需要，25線6 800 kW需采用專用變供電，需增加1臺(tái)10 000 kVA 35/10 kV主變、35 kV電纜3×120 mm2共1.25 km、35 kV電纜頭4套、35 kV GIS組合式電器1臺(tái)，微機(jī)保護(hù)共6套、10 kV開關(guān)柜2臺(tái)，10 kV母線橋共20 m，上游2臺(tái)110/35 kV主變由90 MVA調(diào)整為100 MVA；為滿足25線21 000 kW電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)110 kV母線壓降要求，原有40 MVA變壓器可不變，但電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流倍數(shù)不得大于4倍。12線3 500 kW需移至裝置主配變供電，主變?nèi)萘啃鑿?2.5 MVA擴(kuò)容至16 MVA，13 500 kW電機(jī)起動(dòng)倍數(shù)不得大于4倍。此部分設(shè)備材料費(fèi)用總計(jì)約290萬元。

5 結(jié)論

通過對(duì)LCI軟起動(dòng)特性的分析與研究，利用LCI起動(dòng)大型電機(jī)時(shí)，電機(jī)電壓緩慢上升，變頻器輸出的起動(dòng)電流也僅略大于電動(dòng)機(jī)的額定電流，配電母線壓降與穩(wěn)態(tài)壓降幾乎相同。傳統(tǒng)降壓起動(dòng)在減少對(duì)電網(wǎng)沖擊的同時(shí)減小了電動(dòng)機(jī)的端電壓及起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但采用LCI變頻軟起動(dòng)不存在此問題，可以滿足在電網(wǎng)容量小的情況下起動(dòng)重載大型電機(jī)的要求。

從電氣一次設(shè)計(jì)的角度，若LCI容量能滿足最大一臺(tái)電機(jī)的起動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)一拖多或多拖多，或在兩個(gè)電網(wǎng)上使用。根據(jù)石化裝置內(nèi)機(jī)組開車順序，LCI也可先用于大電機(jī)的起動(dòng)，后用于另于另一電機(jī)的調(diào)速。這些在電氣設(shè)計(jì)方案上均是可行的。若大電機(jī)數(shù)量多，還可以考慮設(shè)置2套LCI裝置提高冗余性。

從投資經(jīng)濟(jì)性角度分析，若一個(gè)裝置大電機(jī)越多，多臺(tái)大電機(jī)可共用LCI裝置，電機(jī)越多，采用LCI方案越經(jīng)濟(jì)。

LCI系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要深入研究，需與工藝、機(jī)泵等專業(yè)緊密配合，針對(duì)不同的大電機(jī)的起動(dòng)容量、起動(dòng)條件、機(jī)械特性等條件選擇LCI，并設(shè)計(jì)不同主接線以滿足不同工況的起動(dòng)需求。

在石化裝置規(guī)模越來越大型化的今天，若電網(wǎng)能力不足以直接起動(dòng)大電機(jī)，采用LCI軟起動(dòng)不失為一個(gè)可靠合理的方案。