李建桥

（福建省青山纸业股份有限公司，福建三明，365056）

在伸性纸袋纸的生产过程中通常应用高浓磨浆系统，其主要作用是提高纸张的透气度、撕裂度、抗张能量吸收值等物理指标[1]。高浓磨浆相比于低浓磨浆，磨区料层较厚，磨齿的冲击作用减弱，浆料之间的摩擦作用加强[2]。高浓盘磨系统是生产高强度伸性纸袋纸的关键设备，为了满足生产需要，高浓盘磨需要配置大型高压同步电机。盘磨机由大功率的同步电机带动，运行过程中动、定盘挤压并摩擦纤维，同时由液压推进控制进退刀，并通过旋转螺旋推进器进料[3]。在磨浆过程中，纸浆纤维首先发生初生壁和次生壁的破裂，继而使纤维产生吸水润胀、分丝帚化及适度切断等[4]。福建省青山纸业股份有限公司（以下简称福建青山）2#纸机高浓盘磨系统配置了1 台西门子高压同步电机，电机型号1DZ1238-8AC02-Z，额定功率6000 kW、额定电压6000 V、额定电流620 A、额定转速1500 r/min、功率因数0.95。该电机采用自耦变压器降压启动，启动电流为额定电流的2.48 倍，启动时间9 s。为了不影响电网电压的波动和其他相关电气设备的运行，该电机采用降压启动方式，启动过程比较复杂，容易出现事故。电机一旦多次启动失败，需要强制停机冷却，长时间的停机等待，将影响企业正常生产，造成严重的经济损失。本课题采用7UM62 综合保护器对电机进行保护，尤其是电机频繁启动控制功能有效地保障了电机安全运行。

1 电机频繁启动控制功能介绍

电机正常运行时，转子的温度通常低于允许的最高温度。当电机启动时，由于热时间常数很小，会产生很大的启动电流，连续频繁启动电机，电机的转子很容易过温。电机绕组绝缘结构所采用的材料，在温度的作用下，其机械、电气、物理等性能都将逐渐变坏，而当温度升高到一定程度时，绝缘材料的性能会发生本质的变化，最后甚至失去绝缘的能力[5]。频繁启动电机将导致绕组过温，甚至烧毁电机绕组；因此，必须阻止电机的频繁启动。西门子综合保护器7UM62 提供了电机频繁启动的闭锁功能，在电机多次频繁启动后，保护装置将发出1个抑制信号来闭锁电机的再次启动，直到电机满足下一次启动条件为止。

1.1 电机重新启动的门槛值

为了保护电机，避免电机频繁启动，控制电机温升，电机一般都设置了重新启动门槛值。电机多次启动后，电机转子的温度超过允许的门槛值，电机启动将会被禁止。只有当转子温度下降到再次启动的门槛值以下，或者电机再次启动时产生的转子温升不会超过转子的温升极限，保护装置的闭锁信号才会复位，电机才允许启动。电机再次启动的门槛值θRe.Inh.与转子允许最大温升的关系如表1所示。

表1 电机再次启动的门槛值与转子允许最大温升的关系Table 1 Relationship between threshold value of motor restart and allowable maximum temperature rise of rotor

由表1 可知，电机允许冷启动2 次时，电机再次启动的门槛值为转子允许最大温升的50%，电机允许冷启动3 次时，电机第3 次启动时的门槛值为转子允许最大温升的66.7%，电机允许冷启动4 次时，电机第4 次启动时的门槛值为转子允许最大温升的75%；即电机在重新启动前要留有温升余量，电机重新启动后转子的温升不能超过转子允许的最大温升。

1.2 电机转子温升计算

电机转子的温升对电机的运行很关键。由于无法直接测量电机转子绕组的电流，必须用定子绕组电流的有效值来确定转子的温升。转子绕组的温升θ通过三相电流中的最大电流值来计算。保护装置采用微分方程，根据单体热模型计算电机的温升，见式(1)。

式中，θ为每单位电机温升，即相对于最大允许温升的百分比比值；θK为冷却介质温度或环境温度与40°C 参考温度的差值；τ为电机发热的热时间常数；I为每单位电机电流，即相对于最大允许的持续运行电流的百分比比值。

当环境温度为40℃时，式(1)可转化为式(2)。

当电机启动电流相对于最大允许的持续运行电流的百分比比值I为2.48，启动时间t为9 s，电机启动时发热的热时间常数τ为165，环境温度为40℃时，电机每单位温升θ相对于最大允许温升的百分比比值见式(3)。

通过式（2）可知，电机完成1 次启动，转子的温升增加为相对于最大允许温升比值的32.67%。根据电机的设计，电机允许在冷态下启动3次，热态下启动2次，但是要避免电机短时间连续启动，电机启动的间隔时间太小，电机绕组没有充分冷却，电机内部的热量不能及时散发，电机温升易急剧升高，有可能导致电机过温跳闸，甚至烧毁电机绕组，因此要避免短时间内连续启动电机。

1.3 电机热过载保护

大型高压同步电机在运行过程中温度控制很关键，电机运行温度超过规定的限值将会报警或跳闸。7UM62 热过载保护功能可以对电机定子绕组进行有效保护。电机一般允许的最大环境温度为40℃，如果环境温度过高将会对电机的运行产生影响。根据不同的环境温度或冷却介质计算热过载跳闸时间，具体见式(3)。

式中，τ 为电机的热时间常数；K为系数KFactor。其计算见式(4)。

式中，IMaxprim为电机持续允许的最大电流；INMachine为电机的额定电流；INCTprim为CT 额定1 次电流；IN为电机的额定电流；I为实际流过的二次电流值；IPre为之前的负荷电流；θN为对应于二次额定电流的电机温度。

福建青山高浓盘磨系统主电机的额定电流IN为620 A，电流互感器的变比为1000/5，电机允许持续的最大负载电流为1.1IN，负荷电流IPre一般为0 A，对应于二次额定电流的电机温度θN一般为100℃，电机的热时间常数τ设为1200 s，对于不同的环境温度θK，主电机跳闸时间t计算如下。

当环境温度不同时，电机同样在1.1IN下运行，电机跳闸的时间不同，环境温度或冷却介质温度越低，电机温升达到极限跳闸的时间越长。因此,在电机运行过程中要控制环境温度或冷却水的温度。在夏季，环境温度和冷却水的温度相对较高，需要采取必要的措施降低环境温度和冷却水的温度。福建青山高浓盘磨电机对电机绕组、前后轴瓦、电机内部循环的冷风、热风进行温度测量，实时检测和保护电机。

1.4 电机热模型

按照电机的额定启动电流IN、额定启动时间、允许的冷启动次数ncold、允许的热启动次数、电机启动时的温升θ、电机运行时的冷却时间扩展系数、电机停止时冷却时间扩展系数、电机允许的最大温升θL，在电机进行一次完整的重新启动后，建立电机热模型剖面。

如果电机温升超过允许的最大温升，7UM62 综合保护器将根据热模型，发出闭锁信号，直到转子的热模型下降到电机再次启动的门槛值以下。通过转子的热模型来保护电机，限制电机频繁启动，电机转子的热曲线以及反复启动过程中的热模型如图1所示。

图1 电机转子的热曲线及反复启动过程中的热模型Fig.1 Thermal curve of motor rotor and thermal model during repeated starting

从图1 可知，电机在冷态下可以启动3 次，在热态下可以启动2 次。电机第1 次启动时，电机的温升相对于最大允许温升的百分比比值为32.67%，电机启动后运行一段时间，进行第2次热启动时相对于最大允许温升的百分比比值再增加32.67 个百分点，如果进行第3次热启动，相对于最大允许温升的百分比比值已经超过66.7%的门槛值，此时禁止再次启动电机。

1.5 重新启动时间

重新启动过程的热控制如下：电机每次停机后，保护装置就启动热平衡计时器（地址6604TEqual）。在热平衡计时器运行的这段时间内，转子的热剖面保持不变，为常数。然后，热模型在相应的时间常数（转子的时间常数× 扩展系数）后冷却下来。在热平衡计时器运行的这段时间内，电机不可以再次启动。

电机再次启动前需要等待的时间，等于电机的重启动热平衡时间，加上计算得到的转子热模型温度下降到再次启动门槛值所需要的时间，见式(4)。

式中，TRem为电机距离下次启动所需等待的时间；TLeveling为设置电机转子的热平衡时间；Kτ为设置电机运行状态下的冷却时间常数的扩展系数或电机停机状态下的冷却时间常数的扩展系数；θPre为电机停机时的热剖面；τL为转子时间常数，在保护装置内部计算见式(5)。

式中，tStart为电机的额定启动时间；Ion为电机的额定启动电流标幺值。

1.6 最短的重启动抑制时间间隔

在电机反复启动的次数超出了电机的规定次数时，电机内部的热量不能及时向周围介质散发热量，导致电机温度升高，此时保护装置需要提供1 个最短的再次启动时间间隔，以冷却电机。在这种情况下，电机再次启动的时间间隔取决于2 个时间参数TMinInhibit和TRem.，采用时间长的作为等待时间。

1.7 紧急重启动功能

在紧急情况下，虽然再次启动电机将导致转子的温升超过允许的最大温升值，仍然不得不启动电机。此时，需通过开关量输入信号（4823＞Emer.StartθR）来闭锁保护装置中电机反复启动抑制功能的输出信号，才能开始再次启动电机。但是，保护装置的转子热剖面模型还在继续运行，可能会导致超出允许的最大温升。保护装置不会发出闭锁信号来中断电机的重启动过程，但是可以看到转子的过温度值以评估紧急启动的风险。

1.8 电机反复启动抑制功能逻辑图

图2为电机反复启动抑制功能逻辑图。

图2 电机反复启动抑制功能逻辑图Fig.2 Logic block diagram of motor repeated start suppression function

1.9 电机频繁启动控制功能参数整定注意事项

只有在做保护功能配置时将地址166 RESTART INHIBIT 的参数整定为ENABLE（激活），电机反复启动抑制功能才会开放并有效。地址6601 RESTART INHIBIT 的参数用来切换电机反复启动抑制功能的状态为ON（投入）或OFF（退出）或仅仅是闭锁保护装置的出口跳闸命令（Block relay）。

计算转子温度的变量参数包括电机的额定启动电流IStart、定子额定电流IMot.Nom、允许的最大启动时间TStartMax（地址6603）、电机冷启动次数（ncold）和热启动次数（nwarm）。对于电机转子温升热平衡时间，实践表明，定值TEqual一般设置为1 min。最短的重启动抑制时间间隔TMin.Inhibit，在任何情况下，这个值都要大于TEqual。表2 为电机反复启动抑制功能的定值参数设定表。表3 为电机反复启动抑制功能的信息列表描述。

表3 电机反复启动抑制功能的信息列表描述Table 3 Description of the information list of the motor repeated start suppression function

表2 中的参数需根据需求准确设置，通过合理设置表2 中电机转子的热平衡时间（地址6604TEqual）、电机停机状态下的冷却时间扩展系数（地址6608Kτat STOP）、电机运行状态下的冷却时间扩展系数（地址6609Kτat RUNNING）、电机重启动抑制的最短间隔时间（地址6610TMin.Inhibit），可以调节电机重新启动的等待时间，避免连续频繁启动电机。热模型保护能够实时跟踪电机运行中的热积累状态，有效避免过热运行[6]。

表2 电机反复启动抑制功能的定值参数设定Table 2 The parameter setting of the fixed value table of the motor repeated start suppression function

2 电机频繁启动控制功能应用分析

2.1 电机连续两次热启动后的温度特征分析

有效利用热模型的发热、散热计算，在出现故障时可大大缩短动作时间，有效控制故障范围[7]。由于本系统高浓盘磨主电机的启动时间tstart为9 s，冷启动次数ncold为3次，热启动次数nwarm为2次，电机的额定启动电流标幺值为2.48，电机转子时间常数τL计算见式(6)。

由于电机转子热平衡时间TLeveling设置为1 min，电机停机状态下的冷却时间扩展系数Kτ为100，电机转子时间常数τL为55 s，电机第3 次启动后的热剖面θPre为0.97，冷启动次数ncold为3 次，电机距离下次启动所需要的等待时间TRem计算见式(7)。

图3 为连续2 次热启动后的电机温度特征。由图3 可知，电机在额定电流下连续运行，在第一次电机停机后，参数TEqual开始生效。150 s 后电机重新启动并很快地又被切断。电机等待150 s 后，又开始了第二次热启动。电机第二次热启动再次被切断。在电机第二次重新启动失败后，重新启动极限已经超出，因此停机后保护装置的反复启动抑制功能生效。经计算反复启动的抑制时间TRem为2122 s，即电机需要停机等待35 min后才运行再次启动。

图3 连续2次热启动后的电机温度特征Fig.3 Motor temperature characteristics after two consecutive hot starts

2.2 电机2次热启动后继续运行的温度特征分析

为了避免电机连续频繁启动导致电机温升超过极限，需要严格控制电机连续启动之间时间。福建青山高浓盘磨电机采用水冷方式冷却，并且电机轴上带有冷却风扇，电机运行时在电机内部会形成循环气流，通过水冷交换器带走热量。因此电机启动成功后连续运行一段时间会有效降低电机温度。

由于电机转子热平衡时间TLeveling为1 min，电机运行状态下的冷却时间扩展系数Kτ设置为50，电机转子时间常数τL为55 s，电机经过冷却后第3 次启动的热剖面θPre为0.81，冷启动次数ncold为3 次，电机距离下次启动所需要的等待时间TRem计算见式(8)。

图4 为电机2 次热启动后继续运行的温度特征。由图4 可知，电机2 次热启动间的间隔大于图3。本次电机第二次热启动正常，电机正常运行14 min，电机得到了充分冷却，电机在运行过程中冷却效果比在停机时好，经计算，第3 次启动后再冷却10 min，电机的温升已经低于重新启动门槛值66.7%。

图4 电机2次热启动后继续运行的温度特征Fig.4 Temperature characteristics of continuous operation of motor after two hot starts

福建青山高浓盘磨主电机采用水冷装置冷却，工业清水作为冷却介质，受季节的影响水温和环境温度不同，导致电机的散热系数不同，为了有效保护电机，可以通过调节电机重启抑制的最短间隔时间TMinInhibit、电机转子热平衡时间TRem2 个参数，多次频繁启动电机后停机冷却时间可以延长到8 h，长时间的等待对电机冷却有利，但对企业生产不利，因此需要严格控制电机频繁启动的次数，保障电机正常、稳定的运行。

3 结语

大型高压同步电机功率因素高、运行稳定性高、过载能力强、运行效率高，已经得到广泛使用。为了保障电机的可靠运行，通过分析主电机的热模型，根据电机转子的热平衡时间、电机的最大热启动次数、电机停机状态下的冷却时间扩展系数、电机运行状态下的冷却时间扩展系数、电机重新启动的最短间隔时间、电机的额定电流、电机允许的最大启动时间等参数对电机的启动过程进行控制，精确计算电机重新启动需要等待的时间，达到保护电机安全运行的目的。大型高压同步电机都是企业的关键设备，需要高效稳定的运行。如果电机频繁跳闸，将给企业带来严重的经济损失。因此大型高压同步电机的启动非常关键，降低电机启动频率可以有效提高电机工作效率，降低电机的运行风险。7UM62 综合保护器的反复启动抑制功能有效地保护了电机，抑制了电机频繁启动，提高了电机运行的可靠性和稳定性。