軟啟動器在“引增合一”改造工程中的應用

林西國

(華電國際鄒縣發電廠，山東 鄒城 273522)

0 引言

某電廠#6機組額定容量為630 MW，在2013年脫硝改造工程中，為克服脫硝系統阻力和簡化機組控制邏輯，采取引風機-增壓風機合一方式，即取消增壓風機，對引風機進行增容，簡稱“引增合一”。增容后的引風機為雙級動葉可調軸流式風機，其驅動電機仍由機組主廠房6 kV系統供電。引風機電機由2 640 kW增容到6 800 kW，其功率超過原電動給水泵電機功率(6 650 kW)，成為主廠房6 kV系統容量最大的電機。

經計算，在引風機電機直接啟動時，6 kV母線電壓降為額定電壓的76%,已經不滿足DL/T 5153—2002《火力發電廠廠用電設計技術規定》中規定的電機啟動時母線電壓不能低于80%額定電壓的要求。為降低引風機啟動對6 kV系統的影響，一般采取2個方案：對高壓廠用變壓器(以下簡稱高廠變)進行增容改造，引風機電機采取直接啟動方式；電機采取軟啟動方式，降低引風機電機啟動電流。該工程通過經濟技術比較，采用方案2，在一次回路加裝了索肯和平HPMV-DN型中壓數字軟啟動器，采用1拖1方案。

1 系統設備概況

1.1 引風機電機

“引增合一”后，引風機電機額定功率為6 800 kW ，額定電壓為6 kV，額定電流為763.4 A，額定頻率為50 Hz，極數為6 P，轉速為995 r/min。電動機采用空-水冷卻方式，電動機冷卻器型號為XD609FBJ002，功率為200 kW，冷卻水溫度為38 ℃，工作壓力為0.6 MPa，冷卻器管板使用不銹鋼，水量為17.4 m3/h，風量為4.5 m3/s。

1.2 軟啟動裝置

1.2.1 工作原理

索肯和平HPMV-DN型中壓數字軟啟動器為晶閘管調壓軟啟動器，采用多個可控硅串并聯的晶閘管作主回路開關件，串聯于三相電源與電動機的定子回路之間，通過微處理器的控制來改變可控硅的導通角以實現對電動機輸入電壓的控制。電機啟動過程中，軟啟動器按照預先設定的啟動曲線增加電機的端電壓，使電機平滑加速，從而減少了電機啟動時對電網、電機本身、相連設備的電氣沖擊和機械沖擊。當電機達到正常轉速后，旁路斷路器接通，切除軟啟動設備，系統全壓運行。

軟啟動器和變頻器是兩種用途完全不同的產品：變頻器用于需要調速的地方，其輸出不但改變電壓而且同時改變頻率；軟啟動器實際上是個調壓器，用于電機啟動時，輸出只改變電壓并沒有改變頻率。變頻器具備所有軟啟動器功能。

1.2.2 軟啟動裝置的構成

整個軟啟動裝置包含3個部分(如圖1所示)：高壓軟啟動柜，主要包含晶閘管、控制元件；高壓隔離柜1,2，主要包含GL1,GL2隔離刀閘；高壓旁路柜，主要包含旁路開關QF。

圖1 6 kV一次系統圖

1.2.3 軟啟動裝置的工作流程

電機啟動前，隔離開關GL1，GL2均在投入位置，旁路開關QF在斷開位置。軟啟裝置接收到啟動命令后，根據預設曲線和方式控制晶閘管的導通角，電機逐漸升速，經過設定時間或電流降至額定電流的1.5倍后，認為電機啟動成功，接通旁路開關QF，軟啟動裝置自動關閉，軟啟動回路和旁路并聯運行，電機全電壓下運行。

電機停運或事故跳閘時，高壓進線開關斷開，聯鎖旁路開關QF跳閘，電機自然停止運行。

2 軟啟動器限流倍數優化

2.1 優化時應考慮的問題

(1)啟動時6 kV母線電壓不低于80%額定電壓。電機啟動時電壓降主要取決于電流在高廠變或高壓啟動備用變壓器上電壓降的大小，最大的電流意味著最大的電壓降，因此，合適的限流倍數可以保證母線最低電壓不低于80%額定電壓。

(2)電機承受過流的能力。電機廠家提供的限值參數為：電機電流為4倍額定電流時，冷態啟動不得超過45 s，熱態啟動不得超過35 s。

2.2 電機啟動時的電壓降估算

引風機電機可以由本機組高廠變供電，也可通過高壓備用變壓器(以下簡稱高備變)供電。高廠變半穿越阻抗電壓百分數為15%，高備變半穿越阻抗電壓百分數為20%，計算基準容量(額定容量)均為40 MV·A。在實際系統中，系統空載時啟動壓降大于負載時的啟動壓降。以系統空載、限流倍數取4.0為例，計算由高備變供電時電機軟啟動的壓降，為簡化計算，高備變高壓側的系統阻抗設為0。

16%×6.3=1.008 (kV) ,

式中：ΔU為6 kV母線電壓降；C為軟啟限流倍數；Ud為高備變半穿越阻抗電壓百分數；S為高備變的額定容量，40 MV·A；Ue為6 kV母線額定電壓，6.3 kV；Ie為吸風機的額定電流。

同理，限流倍數取3.8時，高備變供電，電機軟啟動時的壓降約為額定電壓的15%。即限流倍數取4.0時，母線電壓為正常電壓的84%；限流倍數取3.8時，母線電壓為正常電壓的85%。

2.3 高備變供電時的啟動參數

為了比較電機直接啟動和帶載軟啟動對系統的電壓影響，在機組停運期間采用高壓備用電源對電機多次啟動,啟動數據見表1。

由表1可以看出：

(1)雖然引風機電機空載啟動，但最大啟動電流與帶負載(風機)直接啟動時相同，母線最低電壓為4.7 kV，為啟動前電壓的74.6%，小于規程規定值，與計算值76%大體相當；

(2)引風機電機帶載啟動，不論限流倍數為3.8還是4.0，母線最低電壓都是滿足要求的，但是在啟動時間上限流倍數取4.0有較大優勢，略減少4 s，表明系統加速快，對系統有利；

(3)限流倍數為4.0時，不論系統電壓是6.0 kV還是6.3 kV，引風機電機帶載啟動，電壓降低約1.0 kV,母線最低電壓均大于80%額定電壓，滿足要求，驗證了估算方法的正確性。

綜上所述，優化后電動機的啟動限流倍數應取4.0。

3 軟啟動器的使用注意事項

3.1 對差動保護的影響

引風機電機額定功率為6 800 kW,為提升對內部相間故障的靈敏度，需要裝設電流差動保護。受引風機電機本身空間限制，不便裝設磁平衡保護，僅能裝設比率制動式電流差動保護，即在電源開關和電機中性點處裝設電流互感器，電機兩側電流通入保護裝置進行分析判斷，發現故障后快速出口跳閘。

正常運行、軟啟動甚至旁路切換過程中，一次回路中電源開關處的電流與電機尾部電流相等，基本滿足基爾霍夫電流定律∑I=0。軟啟動過程中電流波形主要包含基波、5次諧波、7次諧波，不是完整的正弦波，但開關側與中性電側波形畸變一致，差動基本為0，比率制動式差動保護不會誤動，引風機電機差動保護可以全程投入運行。

3.2 對供電系統的影響

3.2.1 對6 kV系統電流、電壓的影響

電機啟動時，啟動電流主要以基波為主， 5次、7次諧波電流為輔，3次諧波電流因電機繞組為Y接線而不能流通，全程接近為零。隨著電流的增大，5次、7次諧波電流基本不變。軟啟裝置退出運行后，5次、7次諧波電流消失。5次、7次諧波電流在高廠變(高備變)上產生壓降，6 kV母線電壓波形畸變，電壓波形主要存在基波及5次、7次諧波。5次諧波電壓分量主要影響系統的負序分量保護，如電動機的負序電流保護、復合電壓過流保護中的負序電壓元件。由于該分量較小，無需調整負序電流保護、負序電壓元件定值。

3.2.2 對低壓系統電壓的影響

在限流倍數為4.0的前提下，電機啟動時，6.0 kV系統電壓約降低1.0 kV，400 V系統電壓由390 V降至320 V左右，不間斷電源(UPS)輸出電壓不變。電壓波形保持為完整的正弦波，無畸變，無設備異常掉閘或系統切換現象，整個系統運行穩定。

3.3 對電機本身的影響

3.3.1 對啟動力矩的影響

軟啟動器啟動時，通過控制可控硅的導通實現對一次回路的控制，根本上是降壓啟動，導致啟動轉矩降低。在前期啟動階段，5次、7次諧波電流在啟動電流中占的比例較大，約25%。5次諧波產生的力矩為負力矩，7次諧波電流在1/7同步轉速以下也為負力矩，所以使用軟啟動器時啟動轉矩小于一般的降壓啟動轉矩。

3.3.2 對電機溫升的影響

采用軟啟動器時，因諧波電流增加的附加損耗以及較長的啟動時間，電機啟動時繞組溫度上升明顯。實際使用中，熱態啟動時繞組溫度上升10 ℃，冷態啟動時繞組溫度上升20 ℃。熱態啟動時的繞組最高溫度為75 ℃，而電機絕緣等級為F級(按B級絕緣考核)，不會因啟動時間長、繞組溫度高而導致電機絕緣老化過快。

3.3.3 對電機絕緣測試的影響

由于電機增加了軟啟動器，在測量電機或電纜絕緣時，應將隔離刀閘GL1，GL2退到試驗位置，從隔離柜與旁路柜測量電纜，不可對高壓軟啟動柜進行測量，避免損壞晶閘管組件。

3.4 軟啟動器對環境的要求

雖然軟啟動器僅在啟動過程中使用，但在風機電機運轉過程中，設備一直耐受高電壓，其配套設備如旁路柜、進線柜等承受大電流，依然存在發熱元件；同時，軟啟動器主要功能元件為晶閘管，要保持清潔、干燥。因此，軟啟動器及配套設備一般裝設在密閉環境內，裝設空調，保持溫度在30 ℃左右。

4 結束語

通過本文分析，在系統參數一定的情況下，軟啟動器的限流倍數取4.0，在母線電壓為6.0～6.3 kV時啟動電機，母線電壓降為1.0 kV，與估算結果基本一致。在“引增合一”改造工程上使用軟啟動器，電機啟動時母線電壓可以由額定電壓的76%提升至額定電壓的85%，同時避免了對系統的沖擊，有利于供電系統電壓穩定。