10 kV高壓固態軟啟動器在調水工程中的應用

張 冰，劉飛燕，付春江

（青島市水利工程建設開發總公司，山東 青島 266000）

0 引言

位于山東省青島市境內的產芝水庫-城陽-即墨調水工程華山加壓泵站日最大調水能力10萬m3，其安裝10 kV高壓電機5臺，總容量1 775 kW。采用傳動的直接啟動方式，當需要單臺或多臺水泵機組全負荷開機運行時，電動機的啟動電流為4～7倍額定電流[4]，對電網的沖擊大，需要相關配套電器的配電容量大；由于華山加壓泵站機組平均高程55 m，其管線上用戶（水廠）最高高程90 m，高差大，采用直接停車方式，水錘現象十分明顯。本文結合國產高壓固態軟啟動器在調水工程加壓水泵上的應用，介紹GGQ1000/10型高壓固態軟啟動器的結構組成、性能特點和注意事項。

1 加壓水泵應用軟啟動器必要性分析

隨著晶閘管峰值電阻的增加和觸發技術的突破，晶閘管降壓軟啟動技術在啟動高壓電動機時提供了符合標準的保護作用，固態高壓電動機啟動器主要用于啟動和停止高壓交流電動機，以及相關控制與保護。當調水需求接近于單臺水泵的額定流量，在水泵加壓的啟動過程中，水泵電機的直接啟動會產生比較大的啟動電流，相當于高壓進線三相短路對供配電系統進行沖擊，會使失供電系統失去穩定，進而影響供水穩定。采用直接停車方式，水錘現象十分明顯，水錘瞬時產生的壓力可達管道正常壓力的幾十倍，壓力的大幅度變化動,可對調水管網產生強烈沖擊,輕則導致管道閥門接頭的變形，重則引起管道爆管破壞，造成設備損壞，增加維修和養護成本，軟啟器的使用可以有效避免上述問題，能夠實現調水泵站的安全可靠運行，而且價格是高壓變頻器的一半，其應用也有一定的經濟性。

2 高壓固態軟啟動器原理及結構性能特點分析

2.1 大功率晶閘管移相觸發原理

大功率晶閘管可稱為功率器件，可以在大電流、高電壓的條件下為負載提供大功率的輸出。一般來說，通過更改功能強大的晶閘管的移相觸發器的角度，可以更改晶閘管的輸出電壓，并且輸出電壓可以根據給定曲線增加。例如：欠壓、晶閘管組件損壞、啟動超時、三相電流不平衡等。可以自行糾正以保持設備正常工作，大功率晶閘管移相觸發，也稱為可控硅移相觸發，是指晶閘管整流回路中，調節其觸發脈沖，改變整流器輸出電壓的方法。當整流器輸出電壓改變時，原正弦波與觸發脈沖在示波器上是水平位移的，作為移相觸發原理的形成。當電機拖動水泵的負載不變，使可控硅的觸發脈沖移動改變電壓從而改變輸出電流[5]。

2.2 高壓軟啟動器升壓原理分析

光纖輸出信號使大功率晶閘管串并聯組件工作，當啟動器檢測到電流下降時，它迅速使晶閘管閥組件完全導通，并且并聯了晶閘管組件兩端的高壓AC真空開關，以繞開晶閘管組件的工作電流。控制回路信號通過信號處理電路進入數字信號處理器和單片機控制系統，控制系統發送的信號通過光纖傳輸系統發送到高壓數字觸發器，以啟動晶閘管單元，以便電動機可以執行軟啟動和軟停止功能[2]。

2.3 軟動器的結構組成的結構組成

高壓固態軟啟動器由兩大回路組成，即高壓回路、測控回路。高壓回路為主要回路，由主回路和旁通回路真空接觸器、電壓和電流互感器、晶閘管觸發元件組成。其中晶閘管觸發元件的通斷是由多路光纖輸入控制，又通過另外一組多路光纖用于晶閘管組件工作狀態信號監控反饋[1]。

圖1 高壓回路示意簡圖

2.4 高壓軟啟動器的性能特點分析

（1）使用晶閘管移相觸發器啟動模式可以有效地將電動機啟動電流控制在額定電流的4倍以下，從而減少對電源系統的影響；減少了配電系統容量投資規模。減少了水泵在啟動時的水流對葉輪的沖擊，延長了電機及水泵的壽命。

（2）運行工況不一樣，啟動負載有不同情況，通過任意修改啟動器調節并設定參數，使電動機運行在最佳啟動效果下。

（3）在晶閘管接收到停車信號后，電動機電壓線性下降，在預先設定的時間內電動機電壓降到零，從而實現軟停車，當水泵處于相對低高程時，軟停車功能有效的減輕了水錘效應的影響。

（4）保護功能完善可靠，能確保電動機及相關生產設備的使用安全。主要具有電機繞組匝間線路發生短路，起過流速斷作用的保護；在預先設定的啟動時間內，電機電流未達到額定電流時的啟動超時保護；大功率晶閘管短路或發生故障時，跳閘并報警的可控硅保護。在軟啟動或運行過程中，三相電流不平衡度如超過設定值時的跳閘保護[1]。

3 高壓固態軟啟動器應用實例

為保證運行的安全可靠，本工程2臺10 kV高壓電動機采用“一拖一”的方式進行水泵控制。

（1）安裝調試注意事項。安裝前要斷開所有電源，確保安全距離，確保設備牢固連接到機柜的接地片上，為確保可靠的接地，請用歐姆表檢查所有接地導體之間的電阻，使用380 V電源對整個裝置系統進行模擬試驗及電氣測試。若條件允許，可使用380 V小型電機進一步模擬試驗，使運行人員熟悉原理和啟動流程，避免人為的誤操作故障，確保安全可靠的操作。發動機應在怠速條件下進行測試，并應使用默認的啟動參數。成功進行測試后，請根據現場的工作條件調整參數。

（2）啟動控制方式的選擇。高壓軟啟動控制方式有：斜坡電壓、 恒流啟動、恒時間啟動。斜坡電壓：電機按照預先設定的初始電壓和軟起時間，初始電壓隨時間線性上升，直至達到全電壓后按照額定轉速運行，能有效保證電動機平穩啟動。恒流啟動：按照預先設定的初始電壓啟動,然后控制電流快速達到設定的恒定值，控制軟啟動一直保持該恒定電流,直至電機達額定轉速。恒時間啟動：電機轉速從零達額定轉速，是嚴格按照預先給定的恒定時間。實際選用斜坡電壓啟動方式，能保證電動機平穩啟動，電機在啟動的過程中按設定的初始電壓和軟起時間，啟動電壓隨時間線性上升，直至達到額定轉速而后全電壓運行。

圖2 斜坡電壓啟動方式

（3）參數設置介紹。啟動方式：采用遠程啟動，由PC通過上位機PLC，向面板發出控制啟動信號，面板將信號發給上級高壓開關，高壓開關閉合，軟起器開始啟動。初始電壓：將初始電壓設置為線路電壓的50%，以在啟動時為泵電動機提供足夠的轉矩，并保護電動機免受啟動轉矩的影響以及泵葉輪和其他機械零件的損壞。軟起時間：運用斜坡電壓啟動方式控制，為改變電壓斜坡的斜率，設置軟起時間為30 s。突跳時間：為斜坡電壓和恒流控制啟動方式之前的短暫過程[1]。通過輸入突跳啟動時間，軟啟動器會向電動機施加全電壓，從而為泵電動機提供足夠的扭矩以穩定地啟動電動機。水泵電機啟動負載較輕，設置為0 s。

（4）運行效果分析。電動機額定電流為24 A，軟啟動時啟動電流約為76.8 A，約為額定電流的3.2倍，不會引起供電系統電壓的急劇下降；軟停車時間設置為15 s，能有效削弱水錘對止回閥門和水泵葉輪的沖擊，經長時間使用，軟啟動器能保證供電系統穩定和閥門水泵設備的正常運行。

4 高壓固態軟啟動器應用時的注意事項

雖運用晶閘管移相觸發技術，能夠有效延長水泵機組使用壽命，減少運維費用。但是軟啟動器晶閘管移相觸發，電壓變化產生的諧波、旁路接通后相當于直接啟動的狀態，無功功率較大等對供電系統、信號傳輸、節能降耗產生一定的影響，筆者根據實際運行經驗，用戶需在以下2個方面要引起高度重視。

（1）軟啟動器在升壓過程會產生諧波。根據晶閘管移相觸發原理，軟啟動器輸出的波形是正弦波的一部分[3]，從啟動升壓到旁路投運這個過程中會產生諧波，若實際應用需要軟起時間較長（在0～100 s內可調），就需要考慮加裝合適型號電抗器，作為采購時的配套件選用，能起到諧波抑制，有效濾除高、中、低頻諧波。若軟啟動器的電流諧波較大，會給供水運行帶來如下危害：諧波的高頻脈沖電壓，會引起鐵心發熱，可能破壞變壓器絕緣；影響各種電氣設備的正常工作，測量儀表和電能計量增大誤差，影響計量精度和控制性能，導致高壓進線及配線柜繼電保護裝置誤動作，造成供水系統大面積停電。

（2）軟啟動器有別于變頻器（功率因數約為1），進入旁路運行后，相當于電網直連，必然會產生大量無功功率，長期投運，需要考慮加裝補償裝置，如果電網無功功率較大，則會給供電系統帶來如下危害：導致運行電流增大和無功功率增加，進而使配套變壓器容量增加；使變壓器的電壓降增大，電網電壓產生波動,供電質量下滑，嚴重影響電網的整體穩定運行[4]。

（3）軟啟動器的絕緣等級的下降，大部分是由塵土堆積和停機后熱源的吸潮現象導致的，可導致控制回路漏電、設備誤動作、水泵電機失控；停機后熱源吸潮現象使裸露的金屬部件腐蝕，塵土堆積可導致散熱設備散熱不佳，大功率晶閘管溫升增大而被損壞；而在日常維護方面，定期進行軟啟動器柜體內外部塵土清掃，定期采取除濕措施，比如發現吸潮、結露應及時用紅外燈泡或者電熱吹風設備進行干燥處理[1]。

除了以上問題，用戶在投運前后，還需要進行諧波檢測，特別是三次諧波；運行過程中進行檢測高壓電機的溫度、噪聲，若產生問題，需及分析原因，找出對策，避免不必要的損失。

5 結語

高壓固態軟啟動器投運以來，運行可靠穩定，有效減輕了啟動和停止時，管網水流沖擊所產生的水錘現象，節省了泵站水泵和管道閥門的維修費用。固態高壓電動機軟啟動器可與多種電動機配合使用，是一種易于使用的軟啟動器電動機控制設備，能夠在大型給排水工程中發揮重要作用。調水工程中，當電動機在直接啟動不能滿足管網系統要求時，首先考慮的是可控硅軟啟動器，隨著國產軟啟動器技術的突飛猛進，國產高壓軟啟動器性價比也大幅提高，國產軟啟動器在調水工程實際應用中發揮更大作用。