!大型及超大型电动机起动方法之比较与优选

张智元

（大庆油田有限责任公司天然气分公司生产运行部，黑龙江大庆 163457）

[摘要] 过去，大型及超大型电动机的起动不外乎有三种方法：自耦变压器减压起动，变压器供电直接全压起动及高压变频器软起动。每种起动方法都各有特点，但在不同方面不同程度上都存在着缺陷。开关变压器技术就是把变压器与可控硅相结合，构造为一个耐高压、大容量的电力电子开关，它可以应用在许多超大功率场合，对其传输功率进行控制。它具有高可靠性、高性能、大容量的优点，给人们提供了一种新的选择。本文将它做为大型及超大型高压电动机起动的优选方法。

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

[中图分类号] TM32 [文献标识码]B [文章编号] 1000-3983（2007）03-0027-04

Comparing and Optimizing of the Starting Methods for Large Motors

ZHANG Zhi-yuan

(China National Petroleum Corporation, Daqiang 163457, China)

Abstract: In the past, there are only three methods to start large capacity motor, which all have their respective characteristics and limitations in certain aspects and various degrees. They are autotransformer low-voltage starter, high-voltage transducer soft-starter and a dedicated transformer for the motor starting directly on line. Switching transformer high-voltage generator soft-starter is a new option, because of its high reliability, high performance and large capacity. This technology combines transformer and controllable silicon to make an electrical switch with high-voltage resistance and large capacity. It can be used in many super large power situation and control the transferred power. This paper considers it an optimal starting method for large and super-large motors.

Key words: autotransformer low-voltage starter; high-voltage transducer soft-starter; a dedicated transformer for the motor starting directly on line; switching transformer soft-starter

1概述

随着国民经济的发展，许多行业的生产规模越来越大，所使用的高压电动机的容量也越来越大。近几年来，在钢铁、石化、造纸等行业，20000kW以上的高压电动机越来越多，比如我国的钢铁行业正面临结构调整时期，要逐步淘汰300m3以下的小高炉，随着高炉容量的加大，高炉鼓风机电机的容量也变大。1000m3左右的高炉要20000kW左右的鼓风电动机，2000m3左右的高炉要30000kW左右的鼓风电动机，5000m3左右的高炉要60000kW左右的鼓风电动机。在石化行业，每个60~100万吨/年乙烯项目都有几台20000kW左右的电动机，每一台60000m3/h左右的空分装置都有一台30000kW左右的电动机。抽水蓄能电站一般都有几台4~30万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。如果再加上其他行业的情况，大型及超大型高压电动机的数量是相当可观的。因此他们的起动问题引起了重视。

过去，超大型电机应用不多，研究它的起动方法的人也较少，所见到的不外乎3种起动方法：自耦变压器减压起动；变压器供电直接全压起动；用高压变频器做软起动。对于超大型电机，减压起动的一些缺点变得突出起来，因此应用于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。

2电动机直接全压起动的危害性及软起动的好处

2.1对电网的影响

交流电动机在全压直接起动时，起动电流会达到额定电流的4~7倍，当电机的容量相对较大时，该起动电流会引起电网电压的急剧下降，影响到电网其他设备的正常运行。

对电网的影响主要表现在两个方面：

（1）超大型电机直接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。

软起动时，起动电流一般为额定电流的2~3倍，电网电压波动率一般在10%以内，以上影响可完全免除。

2.2对电机本身的伤害

2.2.1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，有时会达到外加电压的5倍以上，这样高的过电压会对电机绝缘造成极大伤害。

软起动时，最大电流降低一半左右，瞬间发热量仅为直起的1/4左右，绝缘寿命会大大延长；软起时电机端电压可以从零起调，可完全免除过电压伤害。

2.2.2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。

软起动时，由于最大电流小，则冲击力大大减轻。

2.3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、加速风叶疲劳甚至折断风叶等。

软起动的转矩不会超过额定转矩，上述弊端可以完全克服。

2.4综合评价

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；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，而其他方面的危害都照样存在。

大型及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。比如说对一台电机我们不能指望它的各处绝缘都是完全一致的，可能在某一点就有个薄弱环节，出厂试验时它能通过，但在长时间的冲击下这个薄弱环节会逐渐首先显露出来，使其寿命缩短。如果采取软起动，则可以大大延长电机的使用寿命。这两种方案哪一个合算呢？这是显而易见的。

3几种起动方法之比较

3.1自耦变压器减压起动

这种方式在起动时电机接于低压侧。因此一次电流较小，能减小线路压降，减小对其他设备的影响。

这种起动方式的缺点如下：

（1）冲击方面：在起动过程中，电压有2~3次切换，因而转矩也有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，如果变比较高对电网的冲击也会较大。

（2）可靠性方面：在电压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。

3.2变压器供电直接全压起动

该方法实际上就是直接全压起动。只是用一个变压器来隔离对其他用电设备的影响，对电机、对机械设备的其他危害依然存在。另外，与共用电网的情况相比，要增加相当可观的电能损耗，在过去其实就是一种不得已的选择。

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

T1为三绕组主变。10kV绕组给其他负荷供电；35kV绕组给T2-D供电。D的容量一般在T2容量的60%左右。

图 1

如果电机D 与其他负荷共网运行，则一次系统如图2所示。主变T 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表1所示的数据。

表 1

变压器

功率损耗 110kV/10kV 双绕组63000kV A 260kW 110kV/35kV/10kV 三绕组63000kV A 300kW 35kV/10kV 双绕组31500kV A

132kW

比较图1和图2可见，供电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。 ②T 2的功率损耗。T 2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40.0315********

=⎟⎠

⎞⎜⎝⎛。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：

kW 4.1322

4

.1132)260300(=×

+−=ΔP 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

581165.0365244.1325.0=×=×××(万元)

即由于采用变压器供电方式，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T 2，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。

3.3 用高压变频器来软起动

用高压变频装置做软起动，其性能是非常优异的：起动力矩大、起动电流小、起动平滑无冲击。但是当前变频技术尚处于发展时期，开关器件的开关损耗还比较大，变频装置的可靠性还不是很高。常常会出现这样那样的故障。维修技术也相当复杂，一般技术工人很难处理，要有专业修理人员。

高压变频装置的高次谐波很大，容易在电机铁齿槽部产生磁场局部集中现象，使局部电场强度增强，对电机绝缘造成伤害。在许多变频调速应用中选用特制的变频电机就是为了防止这种伤害。对于超大型高压电动机的软起动，虽然电动机的起动时间很短，但由于电机价格昂贵，还是要防止高频谐波对它的反复伤害，防止其寿命缩短，应该配滤波器使用。

大容量高压变频装置当前国内还不能生产，要依靠进口，其价格十分昂贵。另外其后的维修服务费用也非常高。

3.4 开关变压器式高压电机软起动装置

开关变压器式高压电机软起动装置是对可控硅串联式软起动装置（俗称固态软起动装置）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）。这样可控硅不用串联，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。其他方面：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；开关变压器工作于开关状态，开通时只有铜损，隔断时只有铁损，起动过程中开关变压器损耗很小，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。

110kV

63000kV A 220kV/10kV

10kV

D

T

其他负荷

110kV

63000kV A

10kV

T1

35kV

31500kV A 35kV/10kV

其他负荷

4应用实例

2004年，大庆天然气红岗第九作业大队由于电网容量，每次直接起动压缩机时，电网电压降落都会超出允许的范围(<12%)。为解决这一问题，他们提出增设变压器来增大电网容量或者采用软起动装置两种解决方法。经过仔细核算，在比较了两种方式的可用性和经济性后，决定采用开关变压器式软起动装置。

其电网与电机参数如下：

电网短路容量：169.4 MV A

额定电压：6300 V

电机额定功率：3965 kW

电机额定电流：431 A

起动电流倍数：6

额定转速：1490r/min

功率因数：cosϕ=0.91

电机效率：η=0.97

电机及压缩机转动惯量：GD2=24978 N·m2

该装置于2004年7月成功投运。该装置起动电机平滑，准确地控制了最大起动电流，完美解决了电网容量问题。

起动参数为：

最大起动电流：1300

3=

=

N

Q

I

I

电网电压波动率为：%

52

.6

=

Δ

N

L

U

U

该装置经过近3年的运行检验，证明厂方选择的软起动方式非常成功，不但节约了增设变压器的工程投资，还节约了变压器运行损耗费用。

5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，但其重要作用不可轻视，应该引起我们电气技术工作者的高度重视。从电机系统节能的角度看，使用软起动可以取消供电变压器，具有很大的节电效果。

大型高压电动机软起动装置属于重大技术装备类别。过去主要靠进口，价格昂贵，哈尔滨帕特尔科技公司开发生产的开关变压器式高压电机软起动装置，具有技术性能先进、可靠性高、价格低廉，给国内外该领域提供了一个新的选择。

[收稿日期]2006-08-01

[作者简介]

张智元（1973-），1997年7月毕业于哈尔滨理

工大学，现从事生产运行管理工作，助理工程

师。

†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† （上接第22页）

查后，又通过了直流压降、直流电阻、温升法的钎焊质量检查，效果良好。

5 总结

绥中电厂800MW汽轮发电机改造，并头焊接要解决难点在于：（1）感应圈难设计，不容易制造。（2）钎焊工艺参数的确定。（3）由于并头尺寸大，锡铅焊料密度大，熔化焊料达到一定高度后，开始往外渗漏。通过采用专用的感应圈、辅助模具，采用正确工艺参数解决上述三大难点，保证了并头钎焊质量，基本上是一次性焊接成功，节省大量贵重钎料和宝贵的工期。800MW汽轮发电机线圈接头容易安装，安全系数大，整体来讲，钎焊工序容易进行，工期短。800MW汽轮发电机与哈电公司生产的水轮发电机水冷结构并头相对比较，由于汽轮发电机线圈端部形状复杂，800MW汽轮发电机并头采用锯齿外形，更容易安装和保证接头焊接质量。因此，建议大型水冷汽轮发电机采用该结构的并头。

[收稿日期] 2006-01-18

[作者简介]

史文卿（1973-），1997年毕业于佳木斯大学焊

接工艺及设备专业，从事钎焊工艺工作至今，

工程师。