高壓大型同步電動機電抗器降壓起動方式的探討

劉明，滿淳

（1.天津渤化工程有限公司，天津300193；2.中國鐵塔股份有限公司天津市分公司，天津300000）

伴隨著我國電動機制造工業的發展，產品品種和規格不斷增加，單機容量迅速增大，技術經濟指標不斷提高，與國外電動機制造工業逐漸靠攏[1]。

同步電動機是常用的交流電動機的一種，與直流電動機和感應電動機不同在于，同步電動機既可以作為電動機運行，又可以作為補償機運行，還可以作為發電機運行。在現代發電廠中，交流發電機幾乎都是同步發電機；在電力企業和工礦系統中，大容量的電動機往往都是同步電動機或者同步補償機。同步電動機直接投入電網運行時，存在著失步與起動困難兩大難題，這些難題制約著同步電動機的運用與發展[2]。

1 同步電動機起動方式的選擇

1.1 交流電動機的各種起動方式

籠型異步電動機和同步電動機的起動方式常用的有全壓起動、降壓起動和變頻起動三種方式。繞線型異步電動機的起動方式一般有頻敏變阻器起動、電阻分級起動和交流電力電子開關起動（交流電力電子開關只用于交流低壓電動機）[3]。

1.2 交流電動機起動方式的比較

變頻起動是一種高效率、高性能的起動和調速方式，伴隨著電力電子技術和微電子技術的發展，變頻起動得到了廣泛的應用，但是其系統復雜，造價較高，轉速變化率小，對項目的初始投資造成一定的困難。

降壓起動常用的有以下六種：1）星形-三角形降壓起動；2）延邊三角形降壓起動；3）電阻降壓起動；4）晶閘管降壓起動；5）電抗器降壓起動；6）自耦變壓器降壓起動。其中前四種往往用于低壓籠型異步電動機，對于同步電動機和高壓籠型異步電動機，一般只采用后兩種降壓起動方式[4]。

電抗器降壓起動和自耦變壓器降壓起動均適用于高壓電動機，電抗器降壓起動的特點是起動電流較小，起動轉矩較大；電抗器降壓起動的特點是起動電流較大，起動轉矩較小。

1.3 起動方式的要求

對于同步電動機，應優先采用全壓起動，且在起動時起動電壓降、起動容量、電動機及其起動設備的動熱穩定應滿足要求。

不經常起動的電動機電壓降不應大于15%；經常起動的電動機電壓降不應超過10%；在保證生產機械所要求的起動轉矩又不影響其他用電負荷的正常運行，起動電壓降可允許到20%。

電動機起動時，應對變壓器過負荷進行校驗。根據相關規范要求、設備廠家試驗數據，若每晝夜起動6次，每次起動時間不超過15s，變壓器的負荷率小于90%時，最大起動電流允許為變壓器額定電流的4倍；若每晝夜起動6次，每次啟動持續時間不超過30s，變壓器負荷率小于70%時，最大起動電流允許值為變壓器額定電流的4倍；若每晝夜起動10～20次，每次起動時間不超過30s，變壓器負荷率小于70%時，最大起動電流允許為變壓器額定電流的2～3倍；若每晝夜起動10～20次，每次起動時間不超過15s，變壓器負荷率小于90%時，最大起動電流允許為變壓器額定電流的2～3倍。當不符合上述條件時，應加大變壓器的容量，而不是進一步降低起動電壓，否則會延長電動機的起動時間，使變壓器過熱[5]。

1.4 實際應用項目舉例（僅對電抗器降壓起動方式進行討論）

某項目1450kW軋鋼電動機起動條件如下：

1)變電所6kV母線上短路容量Sd1=46MVA；2)電動機靜阻轉矩M*j=0.16；3)母線上的無功負荷Qfh=2.95Mvar；4)機組的總飛輪轉矩GD2=80Mg；5)電動機額定容量Se=1.9MVA；6)電動機額定功率Pe=1450kW；7)電動機額定電流Ie=183A；8)電動機額定電壓Ue=6kV；9)電動機的全起動電壓U*qe=1；10)電動機全電壓起動時的電流倍數Kiq=5.9；11)電動機全電壓起動時的轉矩M*q=1；12)電動機起動時的平均轉矩M*qp=1.1；13)電動機的功率因數cosφ=-0.8；14)電動機的額定轉速ne=500r/min；15)連續起動次數N=3次；

計算全壓起動的可能性：1）計算系數α=1/U*m-1=0.175（根據現行規范GB50055要求，U*m=0.85，下同）；2）采用全壓起動的條件：Kiq×Se＜α×（Sdl+Qfh）；Kiq×Se=5.9×1.9=11.2，α×（Sdl+Qfh）=0.175×（46+2.95）=8.55，11.2＞8.55，不滿足全壓起動條件。

計算電抗器起動的可能性：1）計算系數β=1.05/（1-U*m）=7；2）采用電抗器降壓起動條件：U*qe×（Sdl+Qfh）/（Kiq×Se）＞β×（M*j/M*q）1/2；U*qe×（Sdl+Qfh）/（Kiq×Se）=1×（46+2.95）/（5.9×1.9）=4.37，β×（M*j/M*q）1/2=7×（0.16/1）1/2=2.8，4.37＞2.8，滿足電抗器降壓起動條件；3）計算系數γ=U*m/（1-U*m）=5.67；4）起動電抗器的電抗=62×[5.67/(46+2.95)-12/(5.9×1.9)]=0.95；5）可選用某廠家NKL-6-200-6型水泥電抗器Xk=6/100×6000/(31/2×200)=1.04Ω。

電抗器起動校驗：

1）起動電壓降低后的起動容量

Sq’=（Kiq×Se）]=1/[1.04/62+1/(5.9×1.9)]=8.5MVA；2）起動時母線上的電壓U*m=（Sdl+Qfh）/（Sdl+Qfh+Sq’）=（46+2.95）/（46+2.95+8.5）=0.85；3）起動時電動機端子上的電壓U*q=U*qe×（1-U*m）×（Sdl+Qfh）/（Kiq×Se）=1×（1-0.85）×（46+2.95）/（5.9×1.9）=0.655；4）起動時電動機的起動電流Iq=U*q×Kiq×Ie=0.655×5.9×183=707A；5）起動時電動機的起動轉矩M*q=U*q2×M*e=0.6552×1=0.429＞0.16，電動機可以起動；6）起動一次時間

tq=/[3580×Pe×（×M*qp-M*j）]=80×5002/[3580×1450×（0.6552×1.1-0.16）]=12.4；7）連續起動三次電抗器必需的熱穩定度（kA2×s1/2）：

I×t1/2=0.9×Iq×（tq×N）1/2×10-3=0.9×707×（12.4×3）1/2×10-3=3.82；8）電抗器的熱穩定度（kA2×s1/2）：某廠家NKL-6-20-6型設備，根據產品樣本得9.88，9.88＞3.82，滿足電抗器熱穩定度要求。

2 結束語

2.1 高壓大型同步電動機起動時，對電網電壓波動有極大影響，因此，必須按照電壓降要求進行起動方法的選擇和計算。

2.2 在電網容量允許時，同步電動機應盡量采用全壓起動。只有在電網容量和電動機結構不允許全壓起動時，才考慮采用電抗器起動、自耦變壓器降壓起動或變頻起動。

2.3 同步電動機是否允許直接起動，首先取決于電動機的結構條件，它由電機制造廠決定。如果不能取得電機制造廠的資料時，通常可按下述條件估算，符合下述條件時，可以直接起動：1）對于3kV電動機：Pe/極對數≤250～300kW；2）對于6kV電動機：Pe/極對數≤200～250kW。