水電阻軟啟動在除焦電機上的應用

(中國石化揚子石油化工有限公司南京電氣儀表分公司，江蘇南京 210048)

0 引言

某焦化裝置高壓除焦電機為鼠籠式三相異步電機，電機功率為4 500kW，額定電流為506.8A，起動電流為額定電流的5.5倍。根據焦化裝置連續生產的需要，高壓電機每天需起動2次進行除焦，此大功率電機如果采用直接起動方式，將對電網系統造成很大的沖擊，勢必影響其他生產裝置電氣設備的安全平穩運行。

大型鼠籠電動機的直接起動有三大缺點：一是對電網造成瞬時過負荷，使電網電壓下降而影響同一網絡上其他設備的正常運行；二是對負載產生加速度沖擊，容易損壞設備或縮短設備使用壽命；三是電動機本身存在過電流沖擊而影響電動機的使用壽命。因此在新焦化裝置高壓水泵除焦電動機的起動方式選擇方面，經過充分的調研和論證，最終采用了HTR3系列水電阻軟啟動方式。經多年實際操作，該降壓啟動裝置運行穩定可靠，維護簡單方便，值得廣泛應用和推廣。

1 水電阻軟啟動裝置的工作原理

HTR3系列水電阻軟啟動裝置適用于大中型高壓鼠籠交流異步電動機的起動，使用該水電阻起動的電動機具有起動電流小、轉矩逐步增加的軟啟動特性。啟動裝置由具有負溫度特性的三相平衡水電阻組成， 將該水電阻串入電動機的三相定子回路中，實現電動機軟啟動。當電動機起動時，電機的定子電流流過水電阻從而使電阻體發熱，溫度逐步升高，電阻逐步降低。在電機起動電流基本恒定的情況下，電動機端電壓逐步升高，從而使電機起動轉矩逐步增大，實現電動機的平滑起動。

1.1 水電阻阻值的計算

水電阻阻值的最佳配置是控制適宜的起動電流及使電動機能正常起動的關鍵，根據實際應用而歸納的參考公式為

RS=1.01UE/(1.73×2.5IE)

(1)

式中，RS—每相水電阻配置的最大電阻；UE—電源線電壓；IE—電動機的額定電流。

根據電機的參數代入液阻配置式(1)

RS=1.01×6300/(1.73×2.5×506.8)=2.8Ω

即三相水電阻每相配置最大電阻為2.8Ω左右時電動機能達到最佳起動狀態。

1.2 水電阻啟動特性及優點

采用水電阻軟啟動的電動機有以下顯著的起動特性及優點。

1.2.1 恒電流軟啟動特性

在電機起動過程中，電流基本保持不變，數值在2.5～3IE左右，且有顯著的軟啟動特性：啟動電流恒定，一般在2～3倍額定電流。電動機在起動過程中，等效電阻是隨著轉差率s的減小而增大。在起動時，s=1，而X和R2/s都非常小(如圖1)。因此直接起動時電流很大(5～7倍額定電流)。當在定子回路串一可變的電阻時(如圖2)，回路總電阻在區間0.1

圖1 不串電阻電動機起動時等效電路

圖2 串水電阻電動機起動時等效電路

1.2.2 起動過程中系統功率因數高且接近恒定及母線壓降低

一般采用水電阻降壓起動的電動機系統功率因數都在0.8以上，且整個起動過程接近于恒定，母線壓降低。由于上述特性，使電機起動對電力系統的影響降到最低，母線壓降在5%左右。

1.2.3 起動平穩無沖擊

電機的起動轉矩由小到大逐步增高，因而使機械設備起動平穩，無沖擊、無嘯叫聲，且機械能平穩越過諧振轉速，使設備免受傷害。

1.2.4 經濟效益顯著

節約一次性投資和維護費用。水電阻軟啟動裝置，由于控制系統簡單、操作方便、且總體直接投資在高壓大型電機的各種起動方案中是最經濟的一種方式，尤其比起進口的變頻起動器來說更顯價格優勢，只是同性能進口設備的1/6左右。采用水電阻軟啟動方式，可以大大降低電機起動時對電力系統的要求，從而可以節約大量的一次性電力增容方面的固定投資。

節約長期技術性投資，該方案理論成熟，結構簡單，性能穩定、運行可靠、基本免維護。一般技術工人經過簡單培訓就可以達到使用和維護的標準要求。

采用該啟動方案，大大降低電機起動對電力系統的要求，從而可使電力變壓器的運行始終在經濟運行區，從而降低電力變壓器運行損耗，節約運行費用。由于傳統的電機起動方案存在許多技術問題。比如在起動時，易燒電機、造成電網壓降大，影響鄰里運行、諧波嚴重等等，從而使電機起動成為一個難于克服的難題。采用水電阻軟啟動方案，電機起動就變成了一件非常普通的事，電機可隨時起、停，從而可以從技術保障方面節約大量電能。

1.2.5 與其他啟動方式相比，性能優越

采用電抗器降壓起動方式，電動機的起動電流可以小量的降低，但是功率因數很低，母線壓降相對較大，在15%左右。

自耦變壓器降壓起動方式同串聯電抗器起動方式效果大體相同，但接線方式復雜，故障率較高，將給后期運行帶來故障隱患，增加后期檢修維護成本。變頻軟啟動因起動特性較好，但從技術上對用戶的維護人員要求較高，而且價格昂貴，投資費用大。

2 高壓除焦電動機的降壓起動原理

高壓除焦電動機的降壓起動原理接線圖如圖3所示。高壓真空開關1DL合閘，大型軟啟動裝置的三相電阻串入電機定子回路，水電阻隨著電動機的起動自動投入并在電動機起動結束后在設定的時間內2DL閉合，將水電阻自動切除，電動機自動投入正常運行。圖3中1GK是為檢修水電阻而裝設的隔離開關，正常時是處于合閘狀態的，且和1DL之間有電氣聯鎖關系。1DL為主電動機運行真空斷路器，2DL為短接真空斷路器，R代表可變電阻，水電阻裝置的三相電阻由相互絕緣的三個絕緣箱體構成。

圖3 高壓水泵電動機的起動原理

該設備于2004年11月全部安裝調試完畢，設備一次起動成功運行至今狀況良好，性能穩定可靠。經測試，最大起動電流為1 571A左右，為額定電流的3.1倍，帶負載起動時間為12s，減少了系統沖擊，起動電流非常平穩，電網壓降小于5%，達到了預期目的，其起動電流曲線如圖4所示。

圖4 起動電流曲線

3 故障分析及處理

3.1 水電阻液位低，起動時速斷動作

2006年8月一次除焦電機起動過程中速斷保護動作，起動不成功。檢查發現水電阻箱水位指示浮標已看不到，水位低于規定液位指示范圍。分析原因為環境溫度高或起動消耗在水電阻的能量使得溶液溫度升高，加快水的蒸發，溶液濃度變大，水電阻阻值變小，造成電機起動時電流變大，速斷保護動作。加純凈水至標準水位后，電機正常起動。針對這一現象，車間分析評估后，在水電阻液面上滴少許變壓器油封蓋液面，阻止水分蒸發，起到很好效果，原來每個月補水一次現變為每季度補水一次。

3.2 極板腐蝕造成起動時速斷動作

2010年10月份某次焦化除焦班起動電機除焦，起動時電機跳閘，高壓柜綜保繼電器報速斷故障。復位后第二次起動成功，連續幾天都是這種現象。車間組織對故障原因進行查找分析，經電機起動時現場觀察發現，每次都是在水電阻啟動完畢2DL合閘切除水電阻時發生，分析認為雖然水電阻啟動完畢，但電機未達到額定轉矩，切換時電機未達到95%的額定轉速，全壓加上后電機電流迅速增大，造成速斷動作。現場檢查水電阻箱時發現電阻液顏色發綠，經檢查確認為水電阻箱內極板發生腐蝕，電阻液中含有極板腐蝕后的銅離子，導致水電阻阻值增大，電機起動時達不到額定轉矩。第二次起動時，由于第一次起動電流通過電阻液，致使電阻液溫度上升，電阻變小，增大了起動轉矩。現場更換電阻液，重新配比水電阻值，保證了除焦電機正常起動運行。2011年8月焦化裝置停車大修時更換了極板，徹底解決了故障。

3.3 起動超時動作

焦化水電阻裝置出現過兩次啟動超時動作：一次是星點高壓柜機構不良造成，由于經常性投切，開關分合閘產生的振動，使開關小車離開了運行位置，對高壓開關柜機構進行檢修調整后消除了故障。另一次是因為時間繼電器損壞，設定的投切時間發生偏移，超出了正常設置的投切時間。重新更換時間繼電器后，消除了故障。

4 結語

水電阻軟啟動裝置在煉油廠新焦化高壓水泵電動機上的成功應用，徹底解決了該大功率電機采取直接起動時給電網電壓及設備帶來的各種不利因素，是一種新型的鼠籠式高壓大功率電動機降壓軟啟動理想裝置。由于它具有結構簡單、價格便宜、使用及維護方便、起動設備平穩無沖擊、起動電流平滑、在投切時也沒有二次電流沖擊等特點而廣泛應用于設備的軟啟動。通過不斷的完善，HTR3系列水電阻軟啟動裝置在以后的新建裝置中將具有很好的推廣使用前景。

[1] 湯蘊繆.電機學.機械工業出版社，2005.5.

[2] 周希章.電工技術手冊.電力出版社，2004.2

[3] 劉介才.工廠供用電實用手冊.電力出版社，2001.3.

[4] 襄樊大力軟啟動技術手冊.襄樊大力，2003.