10 kV高壓固態(tài)軟啟動(dòng)器在調(diào)水工程中的應(yīng)用

張 冰，劉飛燕，付春江

（青島市水利工程建設(shè)開發(fā)總公司，山東 青島 266000）

0 引言

位于山東省青島市境內(nèi)的產(chǎn)芝水庫-城陽-即墨調(diào)水工程華山加壓泵站日最大調(diào)水能力10萬m3，其安裝10 kV高壓電機(jī)5臺(tái)，總?cè)萘? 775 kW。采用傳動(dòng)的直接啟動(dòng)方式，當(dāng)需要單臺(tái)或多臺(tái)水泵機(jī)組全負(fù)荷開機(jī)運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流為4～7倍額定電流[4]，對(duì)電網(wǎng)的沖擊大，需要相關(guān)配套電器的配電容量大；由于華山加壓泵站機(jī)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(xiàn)象十分明顯。本文結(jié)合國(guó)產(chǎn)高壓固態(tài)軟啟動(dòng)器在調(diào)水工程加壓水泵上的應(yīng)用，介紹GGQ1000/10型高壓固態(tài)軟啟動(dòng)器的結(jié)構(gòu)組成、性能特點(diǎn)和注意事項(xiàng)。

1 加壓水泵應(yīng)用軟啟動(dòng)器必要性分析

隨著晶閘管峰值電阻的增加和觸發(fā)技術(shù)的突破，晶閘管降壓軟啟動(dòng)技術(shù)在啟動(dòng)高壓電動(dòng)機(jī)時(shí)提供了符合標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)作用，固態(tài)高壓電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器主要用于啟動(dòng)和停止高壓交流電動(dòng)機(jī)，以及相關(guān)控制與保護(hù)。當(dāng)調(diào)水需求接近于單臺(tái)水泵的額定流量，在水泵加壓的啟動(dòng)過程中，水泵電機(jī)的直接啟動(dòng)會(huì)產(chǎn)生比較大的啟動(dòng)電流，相當(dāng)于高壓進(jìn)線三相短路對(duì)供配電系統(tǒng)進(jìn)行沖擊，會(huì)使失供電系統(tǒng)失去穩(wěn)定，進(jìn)而影響供水穩(wěn)定。采用直接停車方式，水錘現(xiàn)象十分明顯，水錘瞬時(shí)產(chǎn)生的壓力可達(dá)管道正常壓力的幾十倍，壓力的大幅度變化動(dòng),可對(duì)調(diào)水管網(wǎng)產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊,輕則導(dǎo)致管道閥門接頭的變形，重則引起管道爆管破壞，造成設(shè)備損壞，增加維修和養(yǎng)護(hù)成本，軟啟器的使用可以有效避免上述問題，能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)水泵站的安全可靠運(yùn)行，而且價(jià)格是高壓變頻器的一半，其應(yīng)用也有一定的經(jīng)濟(jì)性。

2 高壓固態(tài)軟啟動(dòng)器原理及結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)分析

2.1 大功率晶閘管移相觸發(fā)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(fù)載提供大功率的輸出。一般來說，通過更改功能強(qiáng)大的晶閘管的移相觸發(fā)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(jù)給定曲線增加。例如：欠壓、晶閘管組件損壞、啟動(dòng)超時(shí)、三相電流不平衡等?？梢宰孕屑m正以保持設(shè)備正常工作，大功率晶閘管移相觸發(fā)，也稱為可控硅移相觸發(fā)，是指晶閘管整流回路中，調(diào)節(jié)其觸發(fā)脈沖，改變整流器輸出電壓的方法。當(dāng)整流器輸出電壓改變時(shí)，原正弦波與觸發(fā)脈沖在示波器上是水平位移的，作為移相觸發(fā)原理的形成。當(dāng)電機(jī)拖動(dòng)水泵的負(fù)載不變，使可控硅的觸發(fā)脈沖移動(dòng)改變電壓從而改變輸出電流[5]。

2.2 高壓軟啟動(dòng)器升壓原理分析

光纖輸出信號(hào)使大功率晶閘管串并聯(lián)組件工作，當(dāng)啟動(dòng)器檢測(cè)到電流下降時(shí)，它迅速使晶閘管閥組件完全導(dǎo)通，并且并聯(lián)了晶閘管組件兩端的高壓AC真空開關(guān)，以繞開晶閘管組件的工作電流?？刂苹芈沸盘?hào)通過信號(hào)處理電路進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理器和單片機(jī)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)通過光纖傳輸系統(tǒng)發(fā)送到高壓數(shù)字觸發(fā)器，以啟動(dòng)晶閘管單元，以便電動(dòng)機(jī)可以執(zhí)行軟啟動(dòng)和軟停止功能[2]。

2.3 軟動(dòng)器的結(jié)構(gòu)組成的結(jié)構(gòu)組成

高壓固態(tài)軟啟動(dòng)器由兩大回路組成，即高壓回路、測(cè)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(fā)元件組成。其中晶閘管觸發(fā)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(tài)信號(hào)監(jiān)控反饋[1]。

圖1 高壓回路示意簡(jiǎn)圖

2.4 高壓軟啟動(dòng)器的性能特點(diǎn)分析

（1）使用晶閘管移相觸發(fā)器啟動(dòng)模式可以有效地將電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流控制在額定電流的4倍以下，從而減少對(duì)電源系統(tǒng)的影響；減少了配電系統(tǒng)容量投資規(guī)模。減少了水泵在啟動(dòng)時(shí)的水流對(duì)葉輪的沖擊，延長(zhǎng)了電機(jī)及水泵的壽命。

（2）運(yùn)行工況不一樣，啟動(dòng)負(fù)載有不同情況，通過任意修改啟動(dòng)器調(diào)節(jié)并設(shè)定參數(shù)，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最佳啟動(dòng)效果下。

（3）在晶閘管接收到停車信號(hào)后，電動(dòng)機(jī)電壓線性下降，在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間內(nèi)電動(dòng)機(jī)電壓降到零，從而實(shí)現(xiàn)軟停車，當(dāng)水泵處于相對(duì)低高程時(shí)，軟停車功能有效的減輕了水錘效應(yīng)的影響。

（4）保護(hù)功能完善可靠，能確保電動(dòng)機(jī)及相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備的使用安全。主要具有電機(jī)繞組匝間線路發(fā)生短路，起過流速斷作用的保護(hù)；在預(yù)先設(shè)定的啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)，電機(jī)電流未達(dá)到額定電流時(shí)的啟動(dòng)超時(shí)保護(hù)；大功率晶閘管短路或發(fā)生故障時(shí)，跳閘并報(bào)警的可控硅保護(hù)。在軟啟動(dòng)或運(yùn)行過程中，三相電流不平衡度如超過設(shè)定值時(shí)的跳閘保護(hù)[1]。

3 高壓固態(tài)軟啟動(dòng)器應(yīng)用實(shí)例

為保證運(yùn)行的安全可靠，本工程2臺(tái)10 kV高壓電動(dòng)機(jī)采用“一拖一”的方式進(jìn)行水泵控制。

（1）安裝調(diào)試注意事項(xiàng)。安裝前要斷開所有電源，確保安全距離，確保設(shè)備牢固連接到機(jī)柜的接地片上，為確保可靠的接地，請(qǐng)用歐姆表檢查所有接地導(dǎo)體之間的電阻，使用380 V電源對(duì)整個(gè)裝置系統(tǒng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)及電氣測(cè)試。若條件允許，可使用380 V小型電機(jī)進(jìn)一步模擬試驗(yàn)，使運(yùn)行人員熟悉原理和啟動(dòng)流程，避免人為的誤操作故障，確保安全可靠的操作。發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)在怠速條件下進(jìn)行測(cè)試，并應(yīng)使用默認(rèn)的啟動(dòng)參數(shù)。成功進(jìn)行測(cè)試后，請(qǐng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工作條件調(diào)整參數(shù)。

（2）啟動(dòng)控制方式的選擇。高壓軟啟動(dòng)控制方式有：斜坡電壓、 恒流啟動(dòng)、恒時(shí)間啟動(dòng)。斜坡電壓：電機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的初始電壓和軟起時(shí)間，初始電壓隨時(shí)間線性上升，直至達(dá)到全電壓后按照額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，能有效保證電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)。恒流啟動(dòng)：按照預(yù)先設(shè)定的初始電壓?jiǎn)?dòng),然后控制電流快速達(dá)到設(shè)定的恒定值，控制軟啟動(dòng)一直保持該恒定電流,直至電機(jī)達(dá)額定轉(zhuǎn)速。恒時(shí)間啟動(dòng)：電機(jī)轉(zhuǎn)速從零達(dá)額定轉(zhuǎn)速，是嚴(yán)格按照預(yù)先給定的恒定時(shí)間。實(shí)際選用斜坡電壓?jiǎn)?dòng)方式，能保證電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)，電機(jī)在啟動(dòng)的過程中按設(shè)定的初始電壓和軟起時(shí)間，啟動(dòng)電壓隨時(shí)間線性上升，直至達(dá)到額定轉(zhuǎn)速而后全電壓運(yùn)行。

圖2 斜坡電壓?jiǎn)?dòng)方式

（3）參數(shù)設(shè)置介紹。啟動(dòng)方式：采用遠(yuǎn)程啟動(dòng)，由PC通過上位機(jī)PLC，向面板發(fā)出控制啟動(dòng)信號(hào)，面板將信號(hào)發(fā)給上級(jí)高壓開關(guān)，高壓開關(guān)閉合，軟起器開始啟動(dòng)。初始電壓：將初始電壓設(shè)置為線路電壓的50%，以在啟動(dòng)時(shí)為泵電動(dòng)機(jī)提供足夠的轉(zhuǎn)矩，并保護(hù)電動(dòng)機(jī)免受啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的影響以及泵葉輪和其他機(jī)械零件的損壞。軟起時(shí)間：運(yùn)用斜坡電壓?jiǎn)?dòng)方式控制，為改變電壓斜坡的斜率，設(shè)置軟起時(shí)間為30 s。突跳時(shí)間：為斜坡電壓和恒流控制啟動(dòng)方式之前的短暫過程[1]。通過輸入突跳啟動(dòng)時(shí)間，軟啟動(dòng)器會(huì)向電動(dòng)機(jī)施加全電壓，從而為泵電動(dòng)機(jī)提供足夠的扭矩以穩(wěn)定地啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。水泵電機(jī)啟動(dòng)負(fù)載較輕，設(shè)置為0 s。

（4）運(yùn)行效果分析。電動(dòng)機(jī)額定電流為24 A，軟啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流約為76.8 A，約為額定電流的3.2倍，不會(huì)引起供電系統(tǒng)電壓的急劇下降；軟停車時(shí)間設(shè)置為15 s，能有效削弱水錘對(duì)止回閥門和水泵葉輪的沖擊，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用，軟啟動(dòng)器能保證供電系統(tǒng)穩(wěn)定和閥門水泵設(shè)備的正常運(yùn)行。

4 高壓固態(tài)軟啟動(dòng)器應(yīng)用時(shí)的注意事項(xiàng)

雖運(yùn)用晶閘管移相觸發(fā)技術(shù)，能夠有效延長(zhǎng)水泵機(jī)組使用壽命，減少運(yùn)維費(fèi)用。但是軟啟動(dòng)器晶閘管移相觸發(fā)，電壓變化產(chǎn)生的諧波、旁路接通后相當(dāng)于直接啟動(dòng)的狀態(tài)，無功功率較大等對(duì)供電系統(tǒng)、信號(hào)傳輸、節(jié)能降耗產(chǎn)生一定的影響，筆者根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，用戶需在以下2個(gè)方面要引起高度重視。

（1）軟啟動(dòng)器在升壓過程會(huì)產(chǎn)生諧波。根據(jù)晶閘管移相觸發(fā)原理，軟啟動(dòng)器輸出的波形是正弦波的一部分[3]，從啟動(dòng)升壓到旁路投運(yùn)這個(gè)過程中會(huì)產(chǎn)生諧波，若實(shí)際應(yīng)用需要軟起時(shí)間較長(zhǎng)（在0～100 s內(nèi)可調(diào)），就需要考慮加裝合適型號(hào)電抗器，作為采購時(shí)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(dòng)器的電流諧波較大，會(huì)給供水運(yùn)行帶來如下危害：諧波的高頻脈沖電壓，會(huì)引起鐵心發(fā)熱，可能破壞變壓器絕緣；影響各種電氣設(shè)備的正常工作，測(cè)量?jī)x表和電能計(jì)量增大誤差，影響計(jì)量精度和控制性能，導(dǎo)致高壓進(jìn)線及配線柜繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作，造成供水系統(tǒng)大面積停電。

（2）軟啟動(dòng)器有別于變頻器（功率因數(shù)約為1），進(jìn)入旁路運(yùn)行后，相當(dāng)于電網(wǎng)直連，必然會(huì)產(chǎn)生大量無功功率，長(zhǎng)期投運(yùn)，需要考慮加裝補(bǔ)償裝置，如果電網(wǎng)無功功率較大，則會(huì)給供電系統(tǒng)帶來如下危害：導(dǎo)致運(yùn)行電流增大和無功功率增加，進(jìn)而使配套變壓器容量增加；使變壓器的電壓降增大，電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動(dòng),供電質(zhì)量下滑，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的整體穩(wěn)定運(yùn)行[4]。

（3）軟啟動(dòng)器的絕緣等級(jí)的下降，大部分是由塵土堆積和停機(jī)后熱源的吸潮現(xiàn)象導(dǎo)致的，可導(dǎo)致控制回路漏電、設(shè)備誤動(dòng)作、水泵電機(jī)失控；停機(jī)后熱源吸潮現(xiàn)象使裸露的金屬部件腐蝕，塵土堆積可導(dǎo)致散熱設(shè)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(hù)方面，定期進(jìn)行軟啟動(dòng)器柜體內(nèi)外部塵土清掃，定期采取除濕措施，比如發(fā)現(xiàn)吸潮、結(jié)露應(yīng)及時(shí)用紅外燈泡或者電熱吹風(fēng)設(shè)備進(jìn)行干燥處理[1]。

除了以上問題，用戶在投運(yùn)前后，還需要進(jìn)行諧波檢測(cè)，特別是三次諧波；運(yùn)行過程中進(jìn)行檢測(cè)高壓電機(jī)的溫度、噪聲，若產(chǎn)生問題，需及分析原因，找出對(duì)策，避免不必要的損失。

5 結(jié)語

高壓固態(tài)軟啟動(dòng)器投運(yùn)以來，運(yùn)行可靠穩(wěn)定，有效減輕了啟動(dòng)和停止時(shí)，管網(wǎng)水流沖擊所產(chǎn)生的水錘現(xiàn)象，節(jié)省了泵站水泵和管道閥門的維修費(fèi)用。固態(tài)高壓電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器可與多種電動(dòng)機(jī)配合使用，是一種易于使用的軟啟動(dòng)器電動(dòng)機(jī)控制設(shè)備，能夠在大型給排水工程中發(fā)揮重要作用。調(diào)水工程中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在直接啟動(dòng)不能滿足管網(wǎng)系統(tǒng)要求時(shí)，首先考慮的是可控硅軟啟動(dòng)器，隨著國(guó)產(chǎn)軟啟動(dòng)器技術(shù)的突飛猛進(jìn)，國(guó)產(chǎn)高壓軟啟動(dòng)器性價(jià)比也大幅提高，國(guó)產(chǎn)軟啟動(dòng)器在調(diào)水工程實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮更大作用。