超大型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方法之比較

田晨

宋振洋②

詹雨橋①

田超③

（①黑龍江科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，哈爾濱150022；②齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司，齊齊哈爾161000；③內(nèi)蒙古大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，哈爾濱150022）

0 引言

伴隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，超大型電機(jī)的應(yīng)用也隨之增加，解決超大型電機(jī)的啟動(dòng)問(wèn)題也顯得尤為重要。在通常情況下，10000kW～20000kW電機(jī)大多數(shù)使用減壓起動(dòng)的方法。功率超過(guò)20000kW的超大型電動(dòng)機(jī)，只能通過(guò)使用高壓變頻器方法進(jìn)行軟啟動(dòng)。目前市場(chǎng)上這種高壓變頻器價(jià)格很高，許多工廠為了節(jié)約資金通常不使用高壓變頻器，而直接采用獨(dú)立變壓器全壓起動(dòng)。此種方法雖然節(jié)約了購(gòu)買(mǎi)高壓變頻器的資金，但是全壓?jiǎn)?dòng)對(duì)大型電機(jī)的危害也會(huì)增大。

1 電動(dòng)機(jī)直接全壓起動(dòng)的危害性及軟起動(dòng)好處

1.1 對(duì)電網(wǎng)的影響 ①起動(dòng)電流中含有大量的高次諧波，會(huì)與電網(wǎng)電路參數(shù)引起高頻諧振，這樣極容易導(dǎo)致自動(dòng)控制故障、造成繼電保護(hù)誤動(dòng)作等問(wèn)題。②起動(dòng)的大電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊幾乎類(lèi)似于三相短路對(duì)電網(wǎng)的沖擊，常常會(huì)引發(fā)功率振蕩，使電網(wǎng)失去穩(wěn)定性。

1.2 使電機(jī)絕緣受損，影響電機(jī)壽命 ①全壓?jiǎn)?dòng)產(chǎn)生的大電流致使導(dǎo)線(xiàn)釋放更多熱量；伴隨著大電流產(chǎn)生的機(jī)械力使導(dǎo)線(xiàn)間互相摩擦。這些情況都加速了導(dǎo)線(xiàn)外絕緣層的老化，縮短了絕緣層的使用壽命。②高壓開(kāi)關(guān)合閘瞬間會(huì)產(chǎn)生觸頭的抖動(dòng)現(xiàn)象，這會(huì)使電機(jī)定子繞組產(chǎn)生操作過(guò)電壓。

1.3 電動(dòng)力對(duì)電機(jī)的傷害 全壓?jiǎn)?dòng)產(chǎn)生的大電流能夠產(chǎn)生很大的沖擊力，這會(huì)對(duì)定子線(xiàn)圈及鼠籠條造成傷害，容易造成線(xiàn)圈變形、鼠籠條斷裂等故障。這些都嚴(yán)重影響了電機(jī)的使用。

1.4 對(duì)機(jī)械設(shè)備的傷害 全壓直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大約為額定轉(zhuǎn)矩的兩倍，這種大的力矩突然作用在靜止的機(jī)械設(shè)備上，極容易造成加速齒輪磨損甚至損壞、加速皮帶磨損甚至拉斷皮帶等故障。

當(dāng)采用減壓起動(dòng)時(shí)，能夠適當(dāng)?shù)販p少上述的危害，而采用軟起動(dòng)時(shí)，幾乎可以不產(chǎn)生上述危害并且這種獨(dú)立變壓器供電直接啟動(dòng)電機(jī)的方式僅能夠適當(dāng)減少電網(wǎng)電壓波動(dòng)，而其它的危害和影響幾乎沒(méi)有減少。

在生產(chǎn)過(guò)程中，超大型電動(dòng)機(jī)是設(shè)備的核心且此類(lèi)電動(dòng)機(jī)的價(jià)格昂貴。一旦其發(fā)生故障則會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，維護(hù)好超大型電動(dòng)機(jī)是非常重要的。

2 幾種起動(dòng)方法之比較

2.1 自耦變壓器減壓起動(dòng) 此類(lèi)方法大多數(shù)使用在10000～20000kW電機(jī)上，而高于20000kW的電機(jī)上幾乎不能使用。

起動(dòng)時(shí)，自藕變壓器低壓側(cè)與電機(jī)相連接。因此自藕變一次電流較小，能在一定程度上減小線(xiàn)路壓降，減小對(duì)其它設(shè)備的影響。

但存在如下缺點(diǎn)：

①?zèng)_擊方面：在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，電壓有2～3次切換，所以轉(zhuǎn)矩會(huì)有2～3次突變，這種突變會(huì)影響較精密的機(jī)械設(shè)備；在電氣方面，如果自藕變比較高則會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生很大影響。②可靠性方面：由于會(huì)有大量電流伴隨切換的產(chǎn)生，這會(huì)在自耦變壓器繞組上產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓。這種情況極易造成對(duì)繞組絕緣的破壞，降低使用壽命。

2.2 降補(bǔ)式減壓起動(dòng) 所謂降補(bǔ)減壓起動(dòng)方式就是傳統(tǒng)的自藕變壓器減壓起動(dòng)，并在自藕變壓器的二次側(cè)增加了輸出容性電流的高壓電力電容器，它是為了解決小容量電網(wǎng)起動(dòng)較大電機(jī)的情況，使電機(jī)起動(dòng)時(shí)的感性電流較少地流入電網(wǎng)。但是該方法并不能減少電機(jī)本身的起動(dòng)電流，起動(dòng)電流對(duì)電機(jī)及負(fù)載的沖擊依然很大（比如在某例中，電機(jī)回路的起動(dòng)電流為4.8Ie）。

采用電容器來(lái)減小流入電網(wǎng)的感性電流是眾所周知的方法，用于電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)還存在下述幾個(gè)筆者所擔(dān)心的問(wèn)題：

①電機(jī)起動(dòng)時(shí)電流突變中的高次諧波會(huì)影響電容器的壽命。②電容器合閘時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的涌流，致使這種方法不適于頻繁起動(dòng)。③起動(dòng)過(guò)程中如因事故跳閘，則可能發(fā)生電機(jī)振蕩現(xiàn)象，嚴(yán)重危及機(jī)械設(shè)備的安全。④當(dāng)電機(jī)起動(dòng)接近結(jié)束時(shí)電流會(huì)下降，此時(shí)要及時(shí)切除電容器，否則會(huì)有過(guò)補(bǔ)償發(fā)生，這樣會(huì)使電壓波動(dòng)率大大增加。

2.3 獨(dú)立變壓器供電直接全壓起動(dòng)（T-D組） 以20000kW/10kV電機(jī)為例，當(dāng)采用獨(dú)立變壓器供電方式時(shí)，一次系統(tǒng)如圖1所示。

圖1

T1為三繞組主變。10kV繞組給其它負(fù)荷供電；35kV繞組給T2-D供電。D的容量一般在T2容量的0.6倍左右。

如果電機(jī)D同時(shí)與其它負(fù)荷共網(wǎng)運(yùn)行，則一次系統(tǒng)如圖2所示。主變可以使用雙繞組變壓器。

圖2

在耗損方面，T-D組起動(dòng)方式較共網(wǎng)方式呈增加的態(tài)勢(shì)，當(dāng)出現(xiàn)滿(mǎn)負(fù)荷的情況時(shí)，假設(shè)此時(shí)的鐵損等于銅損，就會(huì)得出下列的多耗能計(jì)算公式：

大型電機(jī)在工作時(shí)，通常情況下均為連續(xù)工作制，假設(shè)按0.5元/kWh計(jì)算，可以得出每年多耗電費(fèi)

0.5 ×132.4×24×365=0.5×116=58（萬(wàn)元）

可以得出當(dāng)應(yīng)用獨(dú)立變壓器方式進(jìn)行電機(jī)供電時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)一些大量的損耗，從節(jié)約的角度出發(fā)，只需要我們?cè)诠簿W(wǎng)運(yùn)行時(shí)減少一個(gè)變壓器T2的使用，這樣就可以節(jié)省一部分的資金費(fèi)用，其效益也是很可觀的。

2.4 采用靜止變頻器方式 用靜止變頻裝置做軟起動(dòng)，其性能是當(dāng)前軟起動(dòng)方式中最好的，但是其輸出較大的動(dòng)力矩大、額定電流內(nèi)起動(dòng)，常常會(huì)出現(xiàn)意想不到的故障?？刂萍夹g(shù)也相當(dāng)復(fù)雜，一般技術(shù)工人很難應(yīng)對(duì)，要有專(zhuān)業(yè)管理及維護(hù)人員。起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，特別在抽水蓄能機(jī)組應(yīng)用時(shí)，起動(dòng)時(shí)間甚至可達(dá)3～5分鐘，這對(duì)需要調(diào)峰填谷的蓄能電站作出快速響應(yīng)是非常不利的。

2.5 開(kāi)關(guān)變壓器式高壓電機(jī)軟起動(dòng)裝置 在主導(dǎo)電路的元器件選擇上，對(duì)于所選的功率元件一定看好其容量，這樣就可以保證開(kāi)關(guān)變壓器式高壓電機(jī)軟起動(dòng)裝置能夠用來(lái)起動(dòng)任何容量較大的電動(dòng)機(jī)。

現(xiàn)在應(yīng)用的軟起動(dòng)的方式均為靜止變頻，這樣由于存在著高次諧波就會(huì)危及電機(jī)的使用性能。為了可以解決上述的問(wèn)題，在軟起動(dòng)裝置上采用了開(kāi)關(guān)變壓器式高壓電機(jī)軟起動(dòng)的方式。

3 開(kāi)關(guān)變壓器軟起動(dòng)裝置在某大型石化企業(yè)催化裂化裝置中的應(yīng)用

3.1 12000kW高壓電機(jī)及負(fù)載相關(guān)參數(shù) 電機(jī)：額定功率12000kW，額定電流1322A，額定電壓6kV。（佳木斯電機(jī)廠生產(chǎn)）風(fēng)機(jī)：AV-50系列軸流壓縮機(jī)。（陜西鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)有限公司）電網(wǎng):變壓器—電動(dòng)機(jī)組供電方式,20000kVA變壓器,電壓等級(jí)為35k V／6kV。

3.2 起動(dòng)情況 2007年4月11日上午10：05分空載起動(dòng)12000kw電機(jī)，最大起動(dòng)電流3000A（為額定的2.27倍）、起動(dòng)時(shí)間10.4秒、6kV母線(xiàn)電壓降15%。

2007年4月16日，輕載起動(dòng)負(fù)載靜葉開(kāi)度為22度，最大起動(dòng)電流為2850A（為額定的2.16倍），起動(dòng)時(shí)間為40s，6kV母線(xiàn)電網(wǎng)最大壓降為25%。

該裝置的成功運(yùn)行標(biāo)志著具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代超大容量軟起動(dòng)裝置的誕生，從此我們國(guó)人有了自己的超大容量電機(jī)的軟起動(dòng)器。

4 結(jié)語(yǔ)

超大型高壓電動(dòng)機(jī)在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程都屬于核心，且其價(jià)格昂貴。因此，很有必要對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。雖然軟起動(dòng)裝置的工作時(shí)間很短，但其重要性卻不容忽視，應(yīng)該引起工作人員及管理人員的高度重視。另外，從節(jié)能的角度分析，電機(jī)系統(tǒng)使用軟起動(dòng)裝置可以替代獨(dú)立供電變壓器，具有很顯著的節(jié)能效果，在國(guó)人大力倡導(dǎo)節(jié)能減排的今天具有很實(shí)際的現(xiàn)實(shí)意義。

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