自耦變壓器和電容組合啟動方式探討

摘要：目前，大型高壓電機的應(yīng)用非常廣泛，但由于電網(wǎng)容量的限制，大型電機無法直接啟動。自耦變壓器和電容器是最經(jīng)典、最常用的啟動方式，但因電網(wǎng)和投資的限制，應(yīng)利用自耦變壓器與電容器組合的啟動方式，有效拓寬自耦變壓器啟動裝置的應(yīng)用范圍。文章通過工程實例來說明自耦變壓器和電容組合啟動方式的實際應(yīng)用效果及前景。

關(guān)鍵詞：大型高壓電機；軟啟動裝置；自耦變壓器；電容器；無功功率 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM411 文章編號：1009-2374（2015）27-0080-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.27.042

自耦變壓器由于具有最簡單、最可靠、最經(jīng)濟的特性，成為大型高壓電機啟動方式的首選。但是在實際應(yīng)用中經(jīng)常會遇到較苛刻的電網(wǎng)條件，使得單一的自耦變壓器降壓啟動遇到困難。在這種情況下以往只能選擇變頻軟啟動裝置解決，而變頻器軟啟動裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護困難、造價很高，且對于不調(diào)速電機變頻器的作用并不能充分發(fā)揮，浪費嚴(yán)重。電機異步啟動過程中需要從電網(wǎng)獲取大量的無功，如果啟動時能額外提供給電機無功功率，使其減少從電網(wǎng)上吸收無功功率，從而減小對電網(wǎng)的影響，滿足啟動要求。而電容器的特性就是為電網(wǎng)提供無功功率，只要將電機、自耦變壓器與電容器組合匹配，就能較好地實現(xiàn)苛刻電網(wǎng)條件下的電機啟動。

1 自耦變壓器降壓啟動方式

自耦變壓器一直以來是最廣泛的大型高壓電機啟動裝置之一。啟動時，首先自耦變星點斷路器3QF合閘，使自耦變接線完整。然后電機運行柜斷路器1QF合閘，電機得電啟動。當(dāng)電機電流下降到一定值時，開始投全壓，同時旁路自耦變壓器步驟。首先3QF斷路器分閘，自耦變壓器星點打開，隨即2QF斷路器合閘，啟動完成。在投全壓前，自耦變壓器星點必須先打開，此時自耦變壓器有一部分繞組以電抗器形勢串入電機啟動回路，到2QF斷路器合閘，自耦變被旁路這段短短時間內(nèi)，該部分繞組將承受很大的電流及電動力，是自耦變設(shè)計時必須重點考慮的問題。

2 自耦變壓器加電容器啟動方式

自耦變壓器加電容器的啟動方式有兩種接線方式：電容器加在母線側(cè)，即補償電容器直接加在母線上，在自耦變壓器一次側(cè)，電機回路為傳統(tǒng)的自耦變壓器啟動接線方式；電容器加在電機側(cè)，即電容器與電機并聯(lián)，加在自耦變壓器的二次側(cè)。兩種方式各有優(yōu)劣。

2.1 電容加在母線側(cè)

電容加在母線側(cè)的接線方式如圖1所示：電容器與電機啟動回路分開，當(dāng)啟動時，4QF斷路器首先合閘，將電容器投入，然后再按照常規(guī)啟動自耦變壓器啟動方式投切開關(guān)啟動電機。電容器可在啟動過程中初步切除（當(dāng)有多組電容器并聯(lián)時），也可在啟動完成后切除。

該接線方式的優(yōu)點：電容器與電機回路獨立，直接掛在母線下，在特殊情況下可作為系統(tǒng)無功補償裝置使用，用于提升系統(tǒng)的功率因數(shù)；旁路柜電纜接線少，便于接線施工。

該接線方式的缺點：由于啟動大型電機前一般在有條件的情況下會上調(diào)母線電壓，而該接線方式下電容器會先投入電網(wǎng)運行，將會進一步提高電網(wǎng)電壓，有時甚至?xí)^110%額定電壓，給系統(tǒng)造成一定危害；由于電容器先投后切容易發(fā)生過電壓，使得對電容器本身的要求會更高。

2.2 電容加在電機側(cè)

電容加在電機側(cè)的接線方式如圖2所示：電容器與電機并聯(lián)接在自耦變壓器的副邊，啟動前先合4QF斷路器，將電容與電機并聯(lián)，而不需要先投入電網(wǎng)。啟動時其余斷路器動作順序與常規(guī)自耦變壓器啟動方式一致。在啟動過程中可根據(jù)電機電流或母線電壓情況逐步切除電容器。在啟動過程中電容與電機可視為一個系統(tǒng)，電機啟動所需的一部分無功直接從電容吸收，不需要經(jīng)過母線及自耦變壓器，等效于電機的啟動容量減小。

該接線方式的優(yōu)點：電容不需要提前投入電網(wǎng)，因此啟動前不會產(chǎn)生補償電容將母線電壓抬高的情況；電容、電機并聯(lián)同時投入，等效電機啟動容量減小，減小對自耦變壓器及電網(wǎng)沖擊；由于不會產(chǎn)生額外高電壓，電容器不會發(fā)生過壓，對電容器要求相對較低。

該接線方式的缺點：旁路柜除自耦變壓器抽頭、電機外，還需要連接電容器，使得電纜室電纜較多，對安裝會超成一定影響。

除同步機外，大型異步電機的功率因數(shù)普遍較高，且實際應(yīng)用中啟動時需補償?shù)碾娙萘窟h(yuǎn)大于系統(tǒng)無功補償所需的電容量，因此電容器掛電機側(cè)的接線方式更適合大型高壓電機的啟動。

3 應(yīng)用實例

張家港永鋼集團配套6萬空分（下稱項目A）與張家港沙鋼集團配套6萬空分（下稱項目B）空壓機均使用同一型號ABB公司28000kW同步電機作為主要驅(qū)動力，且兩個項目均使用63000kVA供電。項目A電機采用自耦變壓器降壓啟動，項目B電機采用自耦變壓器加電容器

啟動。

項目A使用110/10.5-63000kVA主變帶動28000kW電機，10kV側(cè)短路容量為390MVA。一次回路如圖3所示。根據(jù)基本公式，及變壓器阻抗折算公式，計算系統(tǒng)各部分等效阻抗，從而可以計算出電機啟動時的電網(wǎng)壓降。按母線電壓10kV，自耦變壓器80%中間抽頭計算，母線電壓將降至約8.4kV為84%額定電壓，壓降16%；啟動前上調(diào)母線電壓至10.75kV，啟動瞬間母線電壓降至8.57kV，為額定電壓85.7%，母線側(cè)電流3832A，其壓降達到了20.3%。

項目B分別使用兩臺35/10.5-63000kVA主變各帶動一臺28000kW電機，35kV側(cè)最大短路電流為27.5kA。經(jīng)計算10kV母線短路容量與項目A相近，采用自耦變壓器80%抽頭計算，啟動壓降也與項目A相近。結(jié)合項目電機啟動數(shù)據(jù)，用自耦變壓器啟動對電網(wǎng)沖擊過大。

為減小沖擊，并降低投資成本，在比較變頻軟啟動、晶閘管軟啟動等后，項目B決定采用自耦變壓器加電容啟動方式，分組補償電容15MVAR。兩臺28MW電機采用自耦變壓器加電容器一拖二啟動方式，一次回路如圖4所示：

啟動前母線電壓上調(diào)至10.5kV，80%自耦變壓器抽頭。啟動瞬間母線電壓降至9.1kV到91%額定電壓，壓降13.3%。啟動沖擊明顯減小，啟動性能改善明顯。

4 結(jié)語

在電網(wǎng)條件較苛刻的應(yīng)用環(huán)境中，在電網(wǎng)側(cè)增加補償電容器的可以有效地改善了自耦變壓器的啟動特性，同時也大大減小對電網(wǎng)的沖擊，并且具有簡單、可靠、免維護等優(yōu)點。自耦變壓器配上相應(yīng)的補償電容器，能較好地啟動大型電機，可有效地取代部分變頻器軟啟動，大大降低投資成本，并減少設(shè)備維護量，有著巨大的推廣應(yīng)用價值。

參考文獻

[1] 《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊》編委會.鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

作者簡介：孫彬（1978-），男，浙江杭州人，浙江外企德科人力資源服務(wù)有限公司工程師，研究方向：空分裝置的配電設(shè)計和現(xiàn)場調(diào)試。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）