2800kW大功率矿用深井潜水电泵启动分析

2800kW大功率矿用深井潜水电泵启动分析[摘要]近年来，神东煤炭集团在部分水文地质条件复杂或有突水淹井危险的矿井，安设了具有独立供电系统且排水能力不小于最大涌水量的深井潜水电泵。单台潜排电泵的功率达到2800kW，鉴于大功率电动机启动电流过大，设备在调试或每月实验期间，势必将影响矿井供配电系统的正常运行。本文结合现场设计工作经验，对煤矿2800kW大功率深井潜排电泵的远距离变频启动的优势进行了分析，希望能对矿井强潜排电泵供配电系统的设计有所帮助。[关键词]大功率矿用深井潜水电泵矿井强排系统压降损失计算变频[中图分类号]U223.6[文献码]B[文章编号]1000-405X（2013）-12-268-31引言近年来，煤炭行业矿井重特大型突水淹井事故频发，如山东新汶矿业集团华源煤矿“8・17”重大透水事故、神华乌海能源有限责任公司骆驼山煤矿“3・1”特别重大透水事故、中煤华晋焦煤有限责任公司王家岭矿“3・28”特别重大透水事故等，给国家和人民造成了重大生命和财产损失。第12页共12页 为加强煤矿的防治水工作，防止和减少水害事故，保障煤矿职工生命安全，国家安全监察总局先后对煤矿防治水规定和煤矿安全规程做了修改，要求矿井必须设置防水闸门或独立的潜排电泵系统。神华神东煤炭集团按国家有关规定，先后在锦界、保德煤矿等，水文地质条件相对复杂或有突水淹井危险的矿井，安设了大功率潜水电泵系统，作为矿井的应急排水系统，安装的部分潜水泵电机功率达到2800kW。当矿井发生水害灾变时，泵站紧急启动，全力抽水，为井下人员逃生争取时间，将矿井的损失降到最低。为了提高电泵的利用效率，潜排泵房日常可兼做为矿井主排水泵房使用。2问题的提出2800kW大功率潜水电泵在解决煤矿防治水问题的同时，其4-7倍的启动电流，也给煤矿电网带来了冲击。容易造成地面主要变电站母线电压瞬间大幅度降低，严重影响矿井提升机、主通风机、瓦斯泵站、主排水泵房、主运输皮带、综连采工作面等重要负荷的正常运行，并加速水泵电机绝缘的老化。当潜排电泵距离配电室较远时，会在线路上产生较大的压降，导致水泵电机进线端口侧电压过低，达不到水泵的最小启动转矩要求，无法正常启动。因此，必须采取措施限流措施，保证矿井在出现水害时，水泵能正常启动。此外，2000kW及以上的电动机应设置纵联差动保护，大功率深井潜水泵电动机由于生产工艺和水泵本身的设计问题，二次侧没有预留电流互感器，无法上传保护所需要的电流信号。因此，大功率深井潜水电泵是否装按要求设纵联差动保护也是一个亟待解决的问题。3潜排泵房系统设计第12页共12页 笔者以某矿井下安装的两台2800kW潜水电泵启动为例，分别介绍了：潜排泵房和配电室的位置选择、直接启动、软启动和变频启动等三种方式的有缺点，远距离启动时的压降损失计算结果和电动机保护配置等，以方便设计人员正确选用启动方式，保障潜排电泵系统的可靠运行。为了便于说明问题，在计算时对外围供电系统的条件进行了简化处理，使计算结果简单明了。3.1潜排泵房的位置选择潜排电泵房安装位置一般要根据矿井采区工作面的走向，设置在采区较低处，且易突水位置，可利用泵房水仓或联巷作为潜水电泵的硐室。3.2供电电源本文考虑主供电源由5km外的35kV变电站提供，主变容量2×20MVA，主变负荷率按50%计。3.3泵房配电室的位置选择首先，根据《煤矿安全规程》（2012版）第273条规定，潜排电泵应有独立供电系统。因此该系统应按照矿井二类负荷考虑，采用双回路电源供电，保证应急抢险的可靠性。第12页共12页 其次，根据《矿山电力规范》GB50070-2009第8.3.5条规定：“潜排电泵作为矿井主排水泵时，其配电室宜设置在地面。”在国家没有其他规范颁布的条件下，建议在正常的潜水电泵系统设计中暂时执行该规范条文。将配电和控制设备室放置在地面，符合矿井抢险救灾时具有独立供电系统的原则。本文中潜水电泵10kV配电室至上级变电站距离5km，配电室至井下电动机800m，电缆通过钻孔进入井下，其中钻孔深度505m。3.4潜水电泵参数本文安装的两台BQ1100-595/7-2800/W-S型矿用隔爆型潜水电泵，生产厂家为合肥恒大江海泵业股份有限公司。其详细参数为：额定流量为1100m3/h；扬程595m；配套隔爆电机：YBQ-2800/4-S（10000）；额定电压10kV；启动方式：建议全压或变频启动；电机转速1488r/min；额定功率（kW）：2800kW；额定电流（A）：189.2A；电流启动倍数：5.6；启动时间：1.8s；启动静阻转矩M*j：0.27；启动转矩倍数M*qd：0.631；额定电压下的电机最大输出转矩（标幺值）：2.42；额定效率：0.926；额定功率因数：0.871；第12页共12页 启动功率因数：是变化值0～0.35；克服机械静阻转矩M*j所需的电动机最低启动端电压U*qd：0.75。4大功率深井潜水电泵启动方式比较2800kW大功率深井潜水电泵，电压等级一般选用10kV（或6kV）启动方式可采用直接启动、高压软启动或高压变频启动等方式。下面我们对三种常用的启动方式的优缺点进行比较：4.110kV全压直接启动一般直接采用高压真空断路器进行启停。全压直接启动的优点：①系统简单，故障点少。②费用低。缺点是：①水泵电机启动时对系统电网冲击大，水泵启动时，造成变电站10kV侧母线电压降低，会冲击变电站其他负荷，导致欠压跳闸。能否启动受地区电网情况限制。②对于水泵电机及泵体的本身的机械冲击大，将加速电动机的老化或机械损坏。4.210kV高压软启动高压软启动器分为液体电阻软起、热变电阻软启动、晶闸管软启动及磁控软启动等。第12页共12页 其中常用的晶闸管软启动主要是通过改变串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路，控制三相反并联闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，降低启动电压及启动电流。其主要优点是：①通过改变晶闸管导通角的大小，改变电机绕组端电压，可以根据事先设定好的启动曲线（电压斜坡）使电动机平滑启动，减小对系统电网的冲击。②采用软启动、软停车可以有效的降低水泵电机及泵体的机械冲击，包括起泵、停泵过程中水对机械设备的冲击，延长机械设备的使用寿命。③可实现90%电压突跳启动（直接启动）缺点是：①由于晶闸管软启动器的启动原理是改变定子绕组端电压来实现降低启动电流的，是牺牲电机的输出转矩来实现降低启动电流的，并且根据水泵厂家提供的启动转矩与启动静阻转矩计算出来的最小启动电压应大于77%，因此采用该启动方式电压调节范围仅为77%-90%，对于降低启动电流意义不大。（软启动器电压斜坡一般宜为0.4～0.9）。②如果采用降低电压斜坡斜率来降低启动电流，则增加了启动时间，可能造成水泵电机绕组发热，降低绕组绝缘寿命。4.310kV高压变频启动目前国内10kV高压变频器，均采用的西门子罗宾康单元串联多电平技术，采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。第12页共12页 优点：①可实现电机连续平滑的升频启动、降频停车，而且输出转矩恒定。②可实现无启动过电流。③对电网和生产机械冲击小，性能优越。④可减小电路容量，在同样的电源容量下即可启动。缺点是：价格昂贵。4.4综合比较单从启动性能来说，10kV高压变频启动具有无以伦比的性能优势，但是其经济性较差，因此一般采用一拖几的方式，降低投资。由于受地区电网情况限制，不同地区的大功率潜水电泵采用何种方式启动，显然不能一概而论，必须根据地区电网情况进行压降损失分析比较后，才能拿出一个经济可行的启动方案。5大功率深井潜水电泵启动压降损失计算设备启动时，应同时满足配电系统的母线电压和克服机械静阻转矩所需的水泵电动机最低启动端电压要求。5.1配电系统的母线电压条件根据《通用用电设备配电设计规范》GB50055-2011相关规定：“电动机起动时，其端子电压应能保证机械要求的起动转矩，且在配电系统中引起的电压波动不应妨碍其他用电设备的工作。交流电动机起动时，配电母线上的电压应符合下列规定：第12页共12页 （1）在一般情况下，电动机频繁起动时，不宜低于额定电压的90%；电动机不频繁起动时，不宜低于额定电压的85%。（2）配电母线上未接照明或其他对电压波动较敏感的负荷，且电动机不频繁起动时，不应低于额定电压的80%。（3）配电母线上未接其他用电设备时，可按保证电动机起动转矩的条件决定。矿用深井潜水泵属于矿井安全负荷，除了每月要做一次抽防水试验和救灾外，可兼做矿井主排水泵房使用。建议设计时按照电动机不频繁启动考虑，也就潜水泵启动时上级35kV变电站10kV母线电压不低于额定电压的85%。5.2水泵电动机最低启动端电压条件本例中潜水泵电动机克服机械静阻转矩所需的最低启动端电压百分数为76.67%。5.3地区电网条件地面35kV站出口最大短路容量为335MVA；最小短路容量为157MVA，以下按最小短路容量进行校验。变压器型号：SFZ10-20000/35±4×2.5%/10.5，电抗8%；最后一台水泵启动时，按负荷率50%计算。铜芯电缆型号：YJV22-8.7/103×120mm2；电阻（Ω/km）：0.181；电抗（Ω/km）：0.095；10kV供电距离（km）：5.8km。5.4压降损失计算方法（阻抗导纳法）第12页共12页 利用阻抗导纳法，计算电压异步电动机启动压降。计算过程参考第一版P254-P285页。电动机起动静阻转矩的参数值，参考第三版P268页。选系统基准容量Sj为100MVA5.5计算结果由上述实验数据可看出，远距离直接启动时，母线电压瞬间降低13%左右，会影响矿井的在用负荷，且水泵电动机端电压损失非常大，达不到克服机械静阻转矩所需的水泵电动机最低启动端电压百分数76.67%要求，无法正常启动。采用软启动方式，由于电压调节范围仅为77%-90%之间，电压过低也会造成水泵无法启动，电压调节范围小，限制了软启动方式的使用范围。采用变频启动方式后，母线电压降低在5%以内，影响基本可以忽略，且水泵端电压在额定电压91.13%左右，保障了设备的正常运行，是一种最佳的启动方式。2800kW大功率深井潜水电泵系统远距离启动时，当电网容量足够大，在用负荷率低的情况下，可考虑直接启动方式；受地区电网限制，地面主要变电站负荷率高时，要采取限负荷生产或变压器分列运行等方式，避开负荷高峰，减小大功率电机启动对矿井重要负荷的冲击。6大功率潜水泵电动机保护配置问题按照《泵站设计规范》（GB50265-2010）和《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》（GB第12页共12页 50062-2008）要求，2000kW及以上的电动机应装设：相间保护（纵联差动）、过负荷保护、低电压保护、单相接地保护和温度保护。合肥恒大江海股份有限公司生产的BQ1100-595/7-2800/W-S型矿用隔爆型潜水电泵，属于湿式（充水式）潜水电机，在电动机内部设置了散热系统（如水泵、螺旋槽等），使电机内部的充水不断循环冷却。定子线圈采用防水辐照交联聚乙烯铜线组，内设两组温度传感器和水位传感器，分别监控绕组温度和防止缺水引起电机损坏；另外还配有环境水位传感器，监控水泵周围的水位变化，保护潜水泵安全可靠运行。监控信号由控制电缆送至潜水泵综合保护装置HD-200SB后，接入后台监控系统。目前只有纵联差动保护没有实现。纵联差动保护主要是当电动机内部绕组出现相间或匝间短路时而实现对电动机的保护。该保护需要在电动机绕组首末端装设电流互感器。而由于生产工艺和水泵本身的设计问题，目前国内2000kW及以上的大功率深井潜水电泵电动机定子绕组首末端均没有预留电流互感器，因此纵联差动保护无法实现。另外水泵配电保护装置不可能就近在井下，必须将二次电缆引至地面配电室，无法忽略电缆发生的故障几率，也会造成保护的可靠性低。经过与水泵生产厂家技术人员讨论，认为该深井潜水泵内部采用电机绕组线圈完全浸泡在水中，当绕组出现故障时首先是对地短路，利用单相接地保护代替相间或匝间短路，故在这种特殊情况下，大功率深井潜水泵电动机可不设置纵联差动保护。7结束语第12页共12页 由于受地区电网情况限制，不同地区的大功率深井潜水电泵采用何种方式启动，不能一概而论，必须根据地区电网情况进行压降损失分析比较后，才能拿出一个经济可行的启动方案。采用高压变频启动方式虽然前期投入费用高，但是大幅度降低了启动电流，减小了启动过程对配电系统母线电压的冲击，改善了电网功率因数，延长了机械使用寿命。因此，受电网条件限制时，必须远距离供电时，应首先考虑适当采用变频启动方式。泵站内安装多台水泵同时工作时，可考虑采用一拖几的运行模式，来降低投资。参考文献[1]中国航空工业规划设计研究院，《工业与民用配电设计手册》第三版，水利水电出版社，2005.[2]王洪才等，《钢铁企业电力设计手册》第一版，冶金工业出版社，1996.[3]刘宇，付胜明，柏晓路，大型中压电动机远距离差动保护的配置，《现代电力》2010年第2期.[4]张伟，浅析高压电动机的差动保护，《供用电》2010年第二期.[5]刘宏伟，大功率电动机启动问题初探，《机械工程与自动化》，2011年第4期.[6]梁佰兴，浅谈电机启动方式的选择，《广东建材》2010年第5期.第12页共12页 [7]杨崇德，高压大型异步电动机启动压降的计算，《有色金属设计》，2003年第4期.第12页共12页