大容量高壓交流電動機軟起動分析

盧曉鵬

（中冶華天南京工程技術有限公司，江蘇 南京210019）

0 概述

隨著國家經濟的高速發展，各工業企業生產規模迅速擴大，企業用電設備數量、容量及單臺電機最大容量也隨之不斷增大，用電狀況十分復雜對電網有較高要求。 大容量電動機主要指額定工作電壓為6kV 或10kV 的電機，容量從幾千到幾萬千瓦不等，為保證大電機起動時自身及電網安全，各種大容量電氣軟起動裝置應運而生，如頻敏變阻器、水電阻、熱變電阻、晶閘管、電磁調壓、變頻器等，在工程實踐中得到了廣泛應用。

1 大容量電動機直接起動的弊端

大容量高壓電動機直接起動時電流大，無功需求高，對電網的沖擊明顯，在供電電網容量受限時，往往造成大電機自身的起動困難，并可能導致其它已運行電氣設備等因供電母線壓降較大造成跳閘停機甚至燒毀的嚴重后果。 對大電機自身而言，直接起動電流可達4-7 倍的額定電流，造成電動機繞組溫度過高，電機絕緣老化加速，并且過大的起動轉矩對被帶動的機械造成較大的機械沖擊，縮短其使用壽命。

在此情形下，各類電氣軟起動裝置應運而生，但由于用戶千差萬別，故各類電氣軟起動裝置均有不同的應用市場。

2 高壓軟起動裝置主要類型

高壓軟起動裝置如概述中所述分為多種，下面予以介紹。

2.1 頻敏變阻器

頻敏變阻器應用于繞線式電機，串接于電機轉子回路中，當電機起動時， 頻敏變阻器的阻抗隨著轉子電流的頻率變化而成正比變化，剛起動時，轉子電流頻率最大，電動機可獲得較大起動轉矩，起動后，隨著轉子電流頻率的下降，頻敏變阻器阻抗逐步減小，近似地得到恒轉矩特性，實現了電機的無極調速，起動完畢后，頻敏變阻器經短接退出。

頻敏變阻器的優點：

1）能平滑、無級、自動地起、制動；

2）結構簡單，堅固耐用，維修方便；

3）價格低廉。

頻敏變阻器的缺點：

適用范圍小，調節精度不高。

2.2 水電阻起動動裝置

水電阻起動利用伺服電機改變浸泡在導電液體 （一般由Na2CO3和水配制）中電極板之間的電氣距離， 使水電阻由大到小平滑無級變化，電極板串接于電機起動回路中，電機在起動過程中端電壓隨極板間距減小逐漸上升至直至全壓，實現電機軟起動。

水電阻起動的優點是：

1）在軟起動過程中不產生高次諧波；

2）價格低廉。

水電阻起動的缺點是：

1）高壓電動反電勢建立的速率和水電阻變化的速率很難吻合，從而造成了起動電流的斜率很大。

2） 環境溫度對起動性能的影響大。 水電阻導電的實質是靠離子的移動，電阻大小由導電離子的多少決定，水電阻由Na2CO3和水配制而成，其溶劑溶解度受外界溫度的影響，溫度越高溶解度越高，水電阻率越小，溫度越低溶解度越低，水電阻率越高，因而水電阻夏天起動電流大（有時高達5 倍額定電流），而冬天起動困難，嚴重時需要重新配液方可解決，加上水的蒸發和補充及其它導電離子進入液阻箱，均會引起液體電阻的改變。

3）對環境要求高，水電阻軟起動裝置不適合于置放在易結冰的現場。

4）液阻箱容積大，其根源在于阻性限流，減少容積引起溫升加大，一次性起動后電解液通常會有10℃-30℃的溫升，使軟起動的重復性差。

5）控制功能低下，起動時間、停止時間、初始電壓、限壓范圍等主要控制參數均不能方便地調節，移動極板需要有一套伺服機構，它的移動速度較慢，難以實現起動方式的多樣化。 保護功能不全，無自檢、過載保護、電流不平衡、斷相等保護。

6）維護困難。須經常維護，須經常加液體以保持液位。在高壓回路里加水作業有很大危險性。 電極板長期浸泡于電解液中，表面會有一定的銹蝕，需要作表面處理。

7）安全性差。這是該裝置最大的隱患，一旦維護不及時，至液位過低，起動時有引起裝置爆炸的危險，爆炸后引起高壓接地，給人員、設備帶來災難性的后果。 在起動時有噪聲及電動力致使之震動，特別是在極板運行中易造成導電水飛濺，安全性差。在高壓起動回路中，用傳動電機及傳動機構控制極板運行，一旦控制失靈，后果比較嚴重。

2.3 熱變電阻起動動裝置

熱變電阻起動利用液體的負溫度特性來改變其電阻，所謂負溫度特性，即溫度越高，阻值越小，溫度越低，阻值越大。 在起動過程中，將熱變電阻器（含液箱、熱敏電解液、電極、導流機構等構成）串接于大容量電機的定子繞組中，起動電流流過熱變電阻器加熱液體，溫度升高，阻值減小。起動過程中，回路總阻抗接近不變，從而使得電機起動過程電流較小、穩定且功率因數高。當電機起動完畢后，導流機構快速導出高溫液體，使有效電阻區域內液體溫度降至常溫附近，以利于下一次起動。

熱變電阻軟起動優點：

1）電極無需動，因而減免了移動電極的伺服機構，減免了伺服機構可能帶來的不安全；

2）起動電流較小，一般不大于2.5Ie，有顯著的軟起動特性；

3）起動時功率因數高，一般可維持在0.8 以上，母線壓降低，對電網穩定運行有益；

4）同時起動時起動轉矩由小逐步增高，使得機械設備起動平穩，無沖擊及噪音；

5）價格低廉。

熱變電阻軟起動缺點：

1）熱變電阻為保溫，必須把水箱封閉，且采用兩層水箱，層與層之間注入變壓器油隔離，液體在有限空間內加熱，極易發生爆；

2）熱變電阻的整個起動過程是不可控制的，談不上閉環控制；

3）相比于液阻，環境溫度對起動性能的影響更加嚴重；

4）具有一切液態軟起動裝置的共性，如發熱量大、體積大，不能作到免維護；

5）對環境尤其是溫度變化的耐受能力較差，難于保證不同環境溫度下軟起動性能的一致性；軟起動功能單一，使適用范圍受到一定的限制；不能實現軟停止，不能實現帶電流突跳的軟起動。

2.4 晶閘管軟起動

晶閘管軟起動裝置是利用反并聯晶閘管及電子控制電路串接于三相電源與待起動電機之間，利用晶閘管的電子開關特性，通過軟起動裝置中的單片機控制晶閘管觸發脈沖、觸發角的大小來改變晶閘管導通程度從而改變其輸出電壓，進而改變起動電機的定子機端電壓。 當晶閘管導通角從00 開始上升時，電機開始起動，隨著導通角的增大，晶閘管輸出電壓也隨之增大，電機轉速進一步升高，直至晶閘管全導通，使電機電壓接近額定電壓，電機起動完畢后，軟起動裝置被旁路，電機改由工頻運行方式。

晶閘管軟起動裝置優點：

1）起動電流、電壓可控；

2）起動過程無級調速，并適應頻繁起動。

晶閘管軟起動裝置缺點：

1）不能根據現場根據綜合條件調整起動參數，達不到全面優化的起動效果；

2）起動電壓到起動完成時，電壓與全壓有差距，切換到全壓時有沖擊；

3）一般只能接入電動機前端；

4）串并聯大量的晶閘管，故障點多，維護、檢修復雜；

5）價格較為昂貴。

2.5 電磁調壓軟起動

電磁調壓軟起動裝置是采用一個可變電抗器件做為執行元件接入大電機定子回路，用相對電壓較低的晶閘管（或其他電力電子器件），通過電磁轉換的原理，調節電抗值，改變電動機的機端電壓，從而達到控制電動機的起動過程，達到軟起動的目的。

電磁調壓軟起動裝置特點：

1）通過低壓控制高壓可調壓變壓, 其性能穩定可靠,耐沖擊性能強、噪音??；

2）晶閘管在變壓器二次回路,晶閘管無過壓風險,無須光纖觸發,性能穩定可靠，故障點少；

3）由于變壓器的隔離,對電網諧波干擾大大減小,電網側只有2%左右,(小于國家標準4%)， 有效克服超大容量的電動機起動時的電磁干擾。

4）與傳統的電抗器、自耦變壓器比較，起動轉矩大，起動過程平穩可控，無二次切換沖擊；

5）起動電壓可調，可以根據負載的特征，設置較低的起動初始電壓，從而電動機的起動電流更低，對電機和機械設備沖擊?。?/p>

6）當電網容量偏低時,還可并聯起動補償電容,將起動電流控制到1.5 倍額定電流,進一步減少對電網的沖擊,降低網壓降；

7）接線方式靈活，可接于大電機機端側或中性點側。

2.6 變頻器軟起動

變頻器軟起動方式是指大電機起動過程中既改變變頻器輸出端電源頻率，又改變電源電壓的一種起動方式，起動曲線平滑，適用于各種起動條件，是目前最先進的一種軟起動方式，但其價格昂貴，并產生高次諧波污染電網， 在起動次數較少且電機負載率且工作穩定條件下，選用變頻器是不經濟的，因而本文不予推薦。

3 采用電磁調壓軟起動的工程實例

3.1 工程概述

國內某鋼鐵公司建造兩座1250m3高爐， 配置兩臺10kV 19000kW汽動-電動風機(以下簡稱BPRT 風機)及一臺10kV 19000kW AV63 備用電動鼓風機，外部供電為兩路35kV 電源。在高爐區設35/10kV 變電所一座，配置2×50MVA 主變，35kV 及10kV 均采用單母線分段接線方式，兩臺19000kW BPRT 風機電機分別由35kV 變電所兩段10kV 母線供電，19000kW AV63 備用電動鼓風機經切換， 可由10kV 任一段母線供電以替換該母線段上退出運行的BPRT 風機，同時禁止任意兩臺風機在同一段10kV 母線同時工作。

由于風機電機容量很大，直接起動時電流大，母線壓降不滿足國標要求，經技術、經濟比較，設計采用電磁調壓軟起動方式對上述三臺大電機進行軟起動，軟起動裝置內電磁調壓部分起動柜為雙套（一用一備），三臺風機電機起動模式為軟起二拖三，為保證風機起動時因功率因數較低（Cos=0.3 左右）電磁調壓軟起動裝置配置有專用起動電容器，在風機起動完畢后切除退出。

經工程實踐，該套電磁調壓軟起動裝置起動效果良好，達到預期效果。

3.2 電氣主接線（見圖1）

圖1 35/10 kV 變電所電氣主接線圖

3.3 BPRT 風機（19000kW，1485r.p.m）起動時電氣參數表

3.3.1 系統參數

變壓器輸入電壓 35kV 變壓器輸出電壓 10kV

變壓器額定容量 50MVA 變壓器10kV 側母線最大短路容量 300MVA

軟起動電網電壓相對值0.92(起動補償后)

3.3.2 電動機參數

電動機額定功率 19000kW 電動機額定電壓 10kV

電動機額定電流 1253A 電動機額定功率因數 0.93

電動機額定轉速 1485r/m 電動機最大轉矩倍數 1.73

電動機堵轉轉矩倍數 0.48 電動機轉子飛輪距 59720N.m2

3.3.3 負載參數

負載轉動慣量 265000N.m2靜阻力矩 8500 Nm

起動最大阻力矩26500 N.m

3.3.4 電動機起動參數

降壓起動電流倍數 2.05 電動機額定容量 21.7MVA

全壓起動電流倍數 4.0 電動機額定轉矩 122188N.m

額定起動等效阻抗 1.182 歐 額定起動等效電阻 0.236 歐

額定起動等效電抗 1.17 歐 降壓起動電流 2568.7A

降壓起動容量 44.5MVA 負荷系數 1.02

起動時間 42.2S

4 結論

高壓軟起動裝置多種多樣，應根據工程實際狀況，考慮電網、工藝設備要求、現場土建條件、業主資金條件等各方面因素進行綜合評估，在保證安全、可靠、經濟的前提下選用最為合理的方案以保證工程的順利實施。

［1］卓樂友.電力工程電氣設計手冊[M].北京：水利電力出版社，1991.

［2］陳延鏢.鋼鐵企業電力設計手冊[M].北京：冶金工業出版社，1996.

［3］方大千.變頻器、軟起動器及PLC 實用技術問答[M].北京：人民郵電出版社，2007.