关键词：自耦变压器减压起动、高压变频器软起动、独立变压器供电直接全压起动、开关变压器式高压电机软起动

Abstract: Current large-capacity starter motor means a total of four ways, and each way starting performance and characteristics also vary, in this article a detailed comparison of the super-capacity starter motor various ways and explains the pros and cons of a variety of ways, the introduction of the Medium switch transformer type super-capacity motor soft starting devices and examples of actual industrial applications.

Key words: Autotransformer start decompression, high-voltage converter soft start, an independent power supply transformer directly to the entire start-up pressure, high voltage electric transformer switch soft start.

一、概述

　　中高压（3-10KV）电动机的容量都比较大，一般都在200KW以上。近些年来，随着我国工业化进行程的加快许多行业的生产能力越来越大，其生产设备的驱动电机也越来越大，如在钢铁、化工行业，10000KW以上电动机的使用已越来越多。

　　随着超大型电机（10000KW—50000KW）的较多使用，以上问题也变得越来越严重，抽水蓄能电站一般都有几台4万～30万KW的发电电动机。根据我国的近期发展规划，千万吨级的钢铁公司和百万吨级的乙烯项目都有十几个。要上的抽水蓄能电站项目也很多。如果再加上其它行业的情况，超大型高压电动机的数量是相当可观的。因此超大电机的起动问题便被提到日程上来。

　　过去，超大型电机应用不多，研究它的起动方法的人也较少，对于超大型电机，减压起动的一些缺点变得突出起来，因此减压起动应用于10000kW～20000kW电机较多，电机再大则用此法较少;对于20000kW以上的超大型电动机，如要软起动则只有花高价购买高压变频器，由于其价格昂贵，人们常常舍弃软起动而采用独立变压器直接

　　全压起动，这是在权衡各方面情况之后所做出的不得已选择，并非优选之法，因为直接全压起动的危害性对超大型电机变得更加突出。

二、电动机直接全压起动的危害性及软起动好处

　　1. 对电网的影响

　　①起动的大电流对电网的冲击几乎类似于三相短路对电网的冲击，常常会引发功率振荡，使电网失去稳定。

　　②起动电流中含有大量的高次谐波，会与电网电路参数引起高频谐振，造成继电保护误动作、自动控制失灵等故障。

　　2. 伤害电机绝缘，降低电机寿命

　　①大电流产生的焦耳热反复作用于导线外绝缘，使绝缘加速老化、寿命降低。

　　②大电流产生的机械力使导线相互摩擦，降低绝缘寿命。

　　③高压开关合闸时触头的抖动现象会在电机定子绕组上产生操作过电压。

　　3. 电动力对电机的伤害

　　大电流在电机定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力，会造成夹紧松动、线圈变形、鼠笼条断裂等故障。

　　4.对机械设备的伤害

　　全压直接起动时的起动转矩大约为额定转矩的2倍，这么大的力矩突然加在静止的机械设备上，会加速齿轮磨损甚至打齿、加速皮带磨损甚至拉断皮带、加速风叶疲劳甚至折断风叶等等。

　　当采用减压起动时，上述危害只有一定程度的降低;当采用软起动时，上述危害几乎完全消失;独立变压器供电方式直接起动只能在电网电压波动方面有所缓解，而其它方面的危害都照样存在。

　　超大型电动机的价值都很高，在生产中也都起着核心作用。它的一点故障便会造成很大的经济损失，对它采用完善的保护是非常必要的。

三、几种起动方法之比较

　　⒈ 自耦变压器减压起动

　　I.起动时电机接于自藕变压器低压侧。因此自藕变一次电流较小，能在一定程度上减小线路压降，减小对其它设备的影响。

　　但存在如下缺点：

　　① 冲击方面：在起动过程中，电压有2～3次切换，所以转矩会有2～3次突变，这对较精密的机械设备是非常不利的;在电气方面，如果自藕变变比较高对电网的冲击也较大。

　　② 可靠性方面：在切换时由于电流还比较大，因而在自耦变压器绕组上会产生感应过电压，有时会伤及绕组绝缘，降低使用寿命。

　　这种方法常在10000～20000kW电机上用，电机再大时已很少应用。

　　II.降补式减压起动

　　所谓降补减压起动方式就是传统的自藕变压器减压起动，并在自藕变压器的二次侧增加了输出容性电流的高压电力电容器，它是为了解决小容量电网起动较大电机的情况，使电机起动时的感性电流较少地流入电网。但是该方法并不能减少电机本身的起动电流，起动电流对电机及负载的冲击依然很大（比如在某例中，电机回路的起动电流为4.8Ie）。

　　采用电容器来减小流入电网的感性电流是众所周知的方法，用于电动机的起动还存在下述几个笔者所担心的问题：

　　①电机起动时电流突变中的高次谐波会影响电容器的寿命。

　　②电容器合闸时会产生很大的涌流，致使这种方法不适于频繁起动。

　　③起动过程中如因事故跳闸，则可能发生电机振荡现象，严重危及机械设备的安全。

　　④当电机起动接近结束时电流会下降，此时要及时切除电容器，否则会有过补偿发生，这样会使电压波动率大大增加。

　　2. 独立变压器供电直接全压起动（T-D组）

　　该方法本质上就是直接全压起动。只是用一个高阻抗的变压器来隔离对其它用电设备的影响，同时利用变压器的高阻抗降低线路及起动回路的电流。而对电机、对机械设备的危害依然存在。另外，与共用电网的情况相比，要增加相当可观的电能损耗。

　　以20000kW/10kV电机为例，当采用独立变压器供电方式时，一次系统一般如图1所示：

　　T1为三绕组主变。10kV绕组给其它负荷供电;35kV绕组给T2-D供电。D的容量一般在T2容量的0.6左右。

图1

　　如果电机D与其它负荷共网运行，则一次系统如图2所示。主变 选择双绕组变压器即可。

图2

　　从三相油浸式电力变压器国家标准上可以查到如下数据：

　　比较图1和图2可见，T-D组起动方式较共网方式耗损增加主要由两部分组成：① 主变的损耗差异。② T2的功率损耗。T2的功率损耗主要由铁损和铜损构成。由于不满负荷，故铜损较满负荷时小些，铜损与电流的平方成正比，此时的铜损相当于满负荷的。我们假设满负荷时的铁损等于铜损，则可得出如下的多耗能计算：大电机一般都是连续工作制，假设按0.5元/kWh计算，则每年多耗电费（万元）

　　即由于采用独立变压器供电方式，每年多耗电116万度，多花电费58万元。如果考虑到共网运行时少用一个变压器T2，在基建投资中又可节约一笔费用，其经济效益是相当可观的。

　　3. 采用静止变频器方式

　　用静止变频装置做软起动，其性能是当前软起动方式中最好的：输出较大的动力矩大、额定电流内起动、机械设备平滑无冲击运转。但是静止变频技术尚处于发展阶段，器件的开关损耗还比较大，变频装置的可靠性还不是很高。常常会出现意想不到的故障。控制技术也相当复杂，一般技术工人很难应对，要有专业管理及维护人员。起动时间较长，特别在抽水蓄能机组应用时，起动时间甚至可达3～5分钟，这对需要调峰填谷的蓄能电站作出快速响应是非常不利的。

　　大容量静止变频装置当前国内还不能生产，主要要依靠进口，关键技术被国外少数几家公司所垄断，且其价格十分昂贵。另外运行后的维修服务费用也非常高。

　　4. 开关变压器式高压电机软起动装置

　　开关变压器软起动装置是近年来出现的另一种利用晶闸管的开关特性连续调节变压器的输出电压、从而实现高压电机软起动的装置。是对可控硅串联式软起动装置的改进，它用开关变压器（TK）的高压绕组来代替可控硅串，而把可控硅放在开关变压器的低压侧（如图3所示）这样可控硅不需要串联，可靠性大大提高;且由于开关变压器漏抗的滤波作用，加到电源上的谐波大大减少。其它方面：电压电流可全范围调节;可输出任意波形;可构成闭环控制，时间常数小、反应迅速;电动机功率增加时只要增加功率器件的容量即可;且起动过程中损耗很小，可连续起动;由于是纯调压软起动，故一拖多时电动机的容量可以相差很远。这一切使开关变压器式高压电动机软起动装置成为当前性/价比最高的高压电动机软起动装置。

　　只要主电路功率元件的容量选择合适，开关变压器式高压电机软起动装置可用来起动任意大容量的电动机。

图3

　　运用开关变压器技术，可以对任意大容量的电动机实施软起动。比如当前抽水蓄能电站的单机容量达30万kW，当它做水泵应用时就要软起动。当前都是采用静止变频软起，高次谐波这个隐形杀手会影响电机的使用寿命。如果使用开关变压器式高压电机软起动装置则可以有效地解决这个问题。

四、开关变压器软起动装置在某大型石化企业催化裂化装置中的应用

　　1. 12000kW高压电机及负载相关参数：

　　电机：额定功率12000kW，额定电流1322A，额定电压6kV。（佳木斯电机厂生产）

　　风机：AV-50系列轴流压缩机。（陕西鼓风机集团有限公司）

　　电网:变压器—电动机组供电方式,20000kVA变压器,电压等级为35kV/6kV

　　2.起动情况

　　2007年4月11日上午10：05分光轴起动12000kw电机，最大起动电流3000A（为额定的2.27倍）、起动时间10.4秒、6kV母线电压降15%。起动曲线如图4所示：

图4

　　2007年4月16日，轻载起动负载静叶开度为22度，最大起动电流为2850A（为额定的2.16倍），起动时间为40s, 6kV母线电网最大压降为25%，起动曲线如图5所示：

图5

　　该装置的成功运行标志着具有自主知识产权的新一代超大容量软起动装置的诞生，从此我们国人有了自己的超大容量电机的软起动器。

五、结语

　　超大型高压电动机价格昂贵，在各行业的生产运行中起核心作用，对它进行多方呵护是非常必要的。软起动装置虽然工作时间短，但其重要成都不容忽视，应该引起电气技术工作人员及管理人员的高度重视。从电机系统节能的角度看，使用软起动可以取消独立供电变压器，具有很显著的节能效果，在国人大理倡导节能减排的今天具有很实际的现实意义。

　　超大型高压电动机软起动装置属于重大技术装备产品。目前还主要依赖进口，价格昂贵，开关变压器式高压电机软起动装置技术性能先进、可靠性高、价格低廉，给我们超大容量电机软起动方式的选择提供了一个崭新的途径。

参考文献：

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