同步電動機啟動失敗的原因分析

王德成 范衛民 常建賢

摘要：本文簡單介紹了同步電動機的啟動方式，通過對同步電機啟動失敗實例的分析，提出了確保成功啟動的改進措施。

關鍵詞：同步電動機；啟動；分析；措施

1.同步電動機的啟動

高壓同步電動機除早期采用的液力耦合器啟動方式外，目前采用的啟動方法有三種：輔助電動機啟動法、調頻啟動法、異步啟動法。綜合分析技術、投資、啟動可靠程度和現場應用實踐等因素，最常用的啟動方式是異步啟動[1]。異步起動方式是指先接人定子電源開始起動，當轉速達到準同步速度（即同步轉速的95%）及以上時，切除降壓電阻投入勵磁，使電機由準同步運行至額定同步轉速，完成啟動過程?？紤]到啟動時的電流沖擊和機械沖擊，工程上較多采用自耦變壓器、液態電阻（本文主要指水電阻）、電抗器等限流降壓啟動技術。

在某企業生產流程中采用同步電動機作為大型空氣壓縮機的驅動設備，運用液態電阻啟動方式。本文就該種啟動方式在運行中無法正常啟動的過程進行分析和探討。

2.空壓機12100kW驅動電機啟動實例

2.1啟動電源及啟動對供電系統的要求

電動機供電回路如圖1：《空氣壓縮機供電系統圖》。

設計空氣壓縮機帶葉輪啟動對供電系統的要求為：啟動容量200-250MVA，啟動電流（3.2-3.5）Ie（電動機額定電流），堵轉電流3.5 Ie，啟動電壓6.1-6.3kV，采用定子回路中性點串聯液態電阻降壓啟動，啟動前初始水電阻阻值為6.1 kV時0.75-0.82Ω，6.3 kV時0.78-0.86Ω。電動機使用無刷勵磁裝置，勵磁柜具有勵磁控制、電機啟動和運行、主電機保護等功能。

2.2啟動過程及現象

某日空壓機按生產安排開機，圖1中40000kVA變壓器未投運，按下空壓機啟動按鈕，18秒后主電機勵磁柜連鎖保護跳閘，勵磁柜PLC顯示信息為“同步電機轉速監測跳閘”?，F場人員對該空壓機導葉等重點部位及啟動參數進行了檢查，未見異常。電氣人員將啟動過程的數據與過去啟動成功的實測數據進行了對比分析，認為啟動不成功是供電母線電壓較低，啟動電流值偏小，造成主電機啟動在18秒內沒有達到75%額定轉速發出跳閘信號。記錄電流數據如表1：

調整63000kVA變壓器有載開關，將電動機運行母線電壓調至6.2kV后再次啟動，再次跳閘，現象同第一次。再次安排人員對機械和電氣回路及設備進行了詳細的檢查，仍未見異常。通過對第二次啟動電流數值與初次成功啟動值比較，偏小，認為啟動電流偏小的原因可能是液態電阻值不滿足要求。隨即測量啟動回路的水電阻阻值如表2。實測值與水電阻初始阻值比較確實發生了變化，于是將水電阻阻值調整到表2所列初始的阻值后，第三次啟動，50秒后勵磁柜連鎖保護跳閘，勵磁柜PLC顯示信息為“同步電機啟動電流超時跳閘”。

3.啟動過程分析

根據同步電機的啟動特性，電機能否啟動關鍵在于啟動時異步力矩能否克服機組阻力矩。異步力矩的產生及強弱，取決于供電電源電壓和電流。依據電機啟動時電流及力矩關系得知，啟動時電壓降系數是決定電機啟動的重要因素。電壓降系數的大小取決于為電動機供電的供電系統的容量和啟動回路的阻抗[2]。

實例中啟動過程中微機綜合保護裝置的電流和電壓變化曲線及數值顯示，啟動失敗均是電動機保護動作跳閘所致，電動機保護動作是正確的。排除機械部分影響電機啟動的各類因素，仔細分析前兩次啟動過程的數據和啟動電流電壓曲線后我們發現電機跳閘前啟動過程中的電流變化是不一樣的，啟動失敗的主要原因是引起啟動電流變化的啟動回路的液態電阻和供電系統。

3.1液態電阻阻值對啟動的影響

定子側串入液變電阻本質上屬于降壓起動，也就是提高電壓降系數。對于大功率高壓籠型同步電動機而言，在電網短路容量及變壓器容量不是足夠大或瞬時機械沖擊過大時，是最佳起動方式之一。對液態電阻的組成、工作原理和運行維護要求進行分析得知液態電阻的阻值又受溫度的影響較大，其電化學性能與導電介質的穩定性、電液的發熱、散熱與液箱容積、電液阻值變化的三相平衡性、極板運動及限流響應速度等都將影響電機的啟動過程。

分析啟動不成功的過程，發現液態電阻阻值的變化對啟動電流的變化影響較大。實例中啟動前的液態電阻的初始值明顯與歷史上成功啟動時的值不同，說明液態電阻已經發生了大的變化，現場人員憑經驗認為沒有變化。因此，主要原因應是與上次啟動之間間隔時間近三個月，液態電阻受溫度、極板腐蝕和自然蒸發等影響，初始阻值發生了變化，不能滿足設計的要求。

3.2供電系統對啟動的影響分析

從圖1中可看出，電機啟動時供電方式有三種：單臺63000kVA主變供電、單臺40000kVA主變供電、兩臺主變并聯供電。圖2為電機啟動回路的等效阻抗圖。假設為電動機供電的6kV母線短路，在110kV系統大、小運行方式下及電抗器投入和退出時，分別計算三種供電方式下6kV母線的短路容量如表3。

從表3的計算看，在系統小方式下，40000kVA主變供電方式和63000kVA主變投入的方式系統容量很難滿足電機啟動的要求；兩臺主變并聯，系統的短路容量都能滿足電機啟動對系統容量的要求，但一旦出現系統電壓偏低、回路阻抗變化或負載輕微變化，有可能造成啟動不成功。同時可知，各種方式下啟動時對啟動過程的保障程度是不同的，供電方式的變化對電機啟動的成功率影響較大。

在實例中，第一次啟動前，適逢供電系統最近的一臺150MW發電機檢修停運，系統電壓與前偏低，供電系統條件接近小方式下單臺63000kVA主變供電，存在啟動不成功的可能性。實踐中采用兩臺主變并列運行的方式為電機提供啟動電源，電機單體啟動正常，啟動時間47s，啟動瞬間母線電壓5.77kV，電流3393kA 。與空壓機聯機啟動一次成功。

4.結論及啟示

通過上述同步電動機啟動失敗的案例分析，認為同步電機啟動不成功的主要原因應是液態電阻阻值變化和供電系統容量不滿足啟動條件。由此我們得出如下啟示：

（1）大型同步電動機在設計時要進行供電系統各種可能的運行方式下短路容量的計算，使供電回路充分滿足啟動容量的要求。

（2）液態電阻受環境和運行時間的影響較大，在每次電機啟動投運前要測試阻值，并調整，確保達到初始要求的值；對廠家提供的“3-5年不檢修，僅適量加水”的維護要求要慎重對待。

（3）目前運用的液態電阻啟動方式大多是按啟動時間由PLC控制和調整極板，從而調整啟動電阻來滿足電機啟動過程中對啟動電流的要求，每次啟動過程不完全相同。再次啟動前要對每次啟動過程的數據和電流波形分析，啟動條件做些適當的調整，確保一次啟動成功。

（4）電機啟動前，技術人員要檢查供電系統的條件能否滿足設計的啟動技術要求，重點關注母線電壓、上級變電所的運行方式，必要時申請調整運行方式。

參考文獻：

[1]宋吉祥.大型同步電動機異步起動過程中故障原因分析.中國新技術新產品，2013（2），111

[2]《鋼鐵企業電力設計手冊》編委會.鋼鐵企業電力設計手冊，下冊.冶金工業出版社，北京，1996.1

[3]羅一鐘.高壓液態電阻軟起動裝置在大型同步電動機的應用. 煤礦機電，2008（4），104-105

[4]吉文清，何美華.電動機液態電阻軟啟動器在礦渣粉磨系統中的應用.中國非金屬礦工業導刊，2010（6），37-38.

作者簡介：

王德成（1966—），男，工程學士，高級工程師，從事企業供配電的技術和管理等方面的研究。

范衛民（1975—），男，工學學士，工程師，從事企業供配電的技術和管理工作

常建賢（1991—），男，綏化學院電氣工程學院，在校學生。