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重钢50MW燃气轮发电机组大型煤压机电机

启动方式的选择和应用

周  利

重庆钢铁股份公司热能厂   重庆   400041

摘要：随着工业产业规模化步伐的加快，工业装备单机生产能力日益提高，对大电机的需求有力地带动了电机制造业向大容量方向高速发展。但是在大电机起动时避免对电网的冲击和保护电机不受到损伤，大型电动机起动控制技术的选用尤为关键。选用经济实用的国内软起动装置（热变电阻降压起动）替代美国罗宾康变频器起动方式，经过仔细的论证和多次调试后，能满足现实需求，节约投资近千万元。同时此装置也有需改进的地方。

关键词：大型电动机  热变电阻  软起动  应用

1 问题的提出

根据当今国内外冶金行业利用富余煤气发电的手段效率最高的是燃气轮发电机 ，因此重钢决定新建一套50MW燃气轮发电机组，大型煤压机电机选用的是10kV电压、17MW的三相交流异步电动机，带动煤气压缩机将煤气管网里的高、焦炉煤气提高压力后进入50MW燃气轮机汽缸燃烧后产生的能量驱动发电机进行发电。

在设备选型阶段问题较大的是50MW燃气轮发电机组配套的17MW的煤气压缩机的启动方式。该压缩机由电动机拖动，电动机功率为17MW，属于大容量电动机(下文中简称大电机)，该大电机由我厂原有供电系统供电，接在燃气轮发电机组电站变电站10kV母线上。由于该电机容量大、启动电流大，对供电系统有较大的冲击，使10kV母线及上级系统有较大的压降。这样已有的负荷有可能受到大的影响(如开关跳闸、已运行的电动机不稳定或堵转，照明系统受影响等)，同时大电机本身的启动也要求一定水平的机端电压才能启动成功。因此就要求在启动大电机时对厂10kV母线电压和大电机机端电压进行验算，根据验算结果和供电系统具体情况采取相应的解决办法，如电动机启动装置的选型、供电系统运行方式、电气保护定值的配置。从而既保证大电机的启动成功，又不影响已有负荷的运行。即10kV母线电压必须保证在80％(85％以上更好)以上，电动机机端电压必须大于电动机允许启动的最低电压。

因此它的启动方式选用十分重要。

2 电动机启动的几种方式

经过多年的技术开发，电机的起动方式得到了长足的发展。笼型异步电机和同步电机的起动一般分为全压起动、降压起动和变频起动。

2.1 全压（直接）起动

全压（直接）起动具有启动迅速、启动过程短等特点。但启动电流大，为电机额定电流的4—7倍（部分国产电机及一些经过大修的电动机经过实测高达8—12倍），电机的转矩与施加电压的平方成正比，所以全压（直接）起动的转矩较大。

如果大电机采用全压起动，过大的启动电流往往会产生超过10%的线路电压降，易引起其它电气设备工作不正常，而且长时间的5～8倍的起动电流有可能造成变压器过负荷跳闸。另外，全压（直接）起动会使被拖动的工作机械受到过大的冲击而引起机械故障率提高。因此，只有在电网容量和被拖动的工作机械许可时，才可采用直接启动。

按照规定，全压起动的鼠笼型电机的容量不大于变压器容量的 20％～30%。因此，按全压起动选择变压器容量，可能造成容量偏大。100kW以上交流鼠笼式电机一般不允许采用全压起动，而采用降压起动。

2.2 降压起动

降压起动的含义很广，根据目前所采用的各种起动方式进行归纳，大致可细分为：

星型-三角形降压起动；延边三角形降压起动；电阻降压起动；电抗器降压起动；自耦变压器降压起动；晶闸管降压软起动；磁控降压软起动；液阻降压软起动；

绕线型异步电动机的起动方式一般有频敏变阻器起动、电阻分级起动和交流电子开关起动（用于低压电机的起动）。

2.3 变频软起动

变频起动是利用变频器控制的电机起动。根据V/F=C（式中：V为电压；F为频率；成为常数）的原理，电压从0伏平滑地与F成正比上升，同时改变电压和频率，保持V/F不变。既能降压，又能保持一定的起动力矩（基本上现变频器都具有零电压满转矩输出的特性），是目前最好的起动设备，但投资太大。

3 目前重钢大型电机的启动方式

目前重钢大型电机的启动方式如下表：

因重钢电网为110kV电压等级，最小短路容量只有600MVA左右，在较大电机（10000 kW左右）起动时如起动电流过大，产生的电压降将影响同一电源供电的生产设备，同时也会导致该电机不能顺利起动。因此，在选择较大电机的起动方式基本是考虑的变频起动。

4 50MW燃汽轮机组配套的17MW煤压机启动方式的选择

4.1 最初思路：选用变频器。

自2005年起重钢公司就开始进入了50MW燃气轮发电机组的设备选型阶段。17MW煤压机启动方式提上了议事日程，最开始也是选用西门子公司罗宾康传动部的变频起动，但价格昂贵达到1300万元人民币。

一般地，单从技术上来说，高压变频具有不可比拟的优势，起动特性好，可连续起动多次，起动电流可控制在额定电流以下，起动时电网功率因素高（0.9～0.95），电网压降小，同时还可进行调速，减小动力设备功率消耗，节约电能。高压变频器用于电动机的调速控制，具有很高的优越性（如调速性能、降流节能等），但是选用高压变频器作为电动机单纯的起动设备，其投资很大，用于非频繁起动的负载，非常不经济。

因此要进行针对现状选用恰当的起动装置。选用国内其它成熟的软起动装置节约价值巨大。

4.2 启动方式的选择

4.2.1 常规启动方式：

全压启动、常规的降压启动起动电流最少都在3-4倍以上，在重钢电网内电压降太大，不能适用。

4.2.2 现代启动技术的比较

（1）高压变频软起动

高压变频代表着大型电动机软起动技术的发展方向，具有明显的技术进步性，是目前最好的起动设备。用于电动机的调速控制，具有很高的优越性，但单纯用于起动其一次投资过大且没有什么大的收益非常浪费，不适用。　　

（2）智能软起动

智能软起动主回路是晶闸管组成的三相交流调压回路。其控制回路是由单片机控制电压、电流、移相构成的一个恒流调压闭环控制系统。启动电机时，使晶闸管的输出电压逐渐平滑地增加到额定电压，实现电机的平滑启动。启动电流小，温升低，可频繁启动。

但由于它是降压不降频的工作方式，启动转矩小，只适用于低压电机的启动，在高压大电机的启动上还没有应用。

（3）磁控软起动

在较早的高压降压起动中，我国采用电抗器降压起动居多，传统的电抗器存在阻抗不可调，起动特性不好，功率因素低等缺点，目前国内已很少使用。磁控正是在以上的基础上进行改良，通过在电抗器中加入控制绕组，利用电、磁控制技术，外部自动控制单元调整控制绕组中电流的大小，控制磁导率来调节电压的手段，改变励磁实现电动机软起动。起动过程中，电抗器两端的电压（电流）根据起动电流自动调整，由大变小无级变化，使电动机端电压平滑上升值额定值。

但由于重钢公司电网容量较小，再串入电抗器进行启动难度非常大。

（4）高压电阻类软起动

最早的降压起动采用固体电阻，由于固体电阻不可避免的缺陷（热容特性低等），高压动力设备的降压起动采用较少。随着技术水平的发展，具有频敏特性的固态电阻在低压、高压动力设备上得到了应用，80年代初期出现了液态电阻、热变电阻应用于高压动力设备，液态形式的电阻具有较高的热容特性。

液态软起动装置通过电流闭环自动控制单元控制传动机构，电机拖曳极板改变极间电阻值实现软起动；

热变电阻起动装置利用具有负温度特性的电解液体，在温度变化下改变电阻值实现软起动。

液态软起动装置有良好的控制功能，与磁控软起动控制功能接近，缺点是控制、传动机构复杂，故障点多，液阻需定期检验，一次、二次电源交错，绝缘性能要求较高。

热变电阻与液态电阻相比，结构简单，起动特性较好（厂家提供特性曲线比较），维护量小，长期安全可靠，适用电机容量大，且起动价格是高压变频起动的1/8～1/10，对于我公司来说，采用热变电阻起动可节省投资数百万元。

鉴于此，我公司基本确定17MW煤压机启动方式选用高压热变电阻启动装置。但需对其进行可行性进行验算。

4.3 热变电阻软起动方式的验算

4.3.1 运行方式考虑

考虑到17MW煤压机起动时电流较大，对电网的压降按预测在10%左右，为不影响在运设备的正常和便于煤压机起动的顺利，结合重钢电网的实际，制定了专门的煤压机起动方案。

启用2#电站备用的2#变压器作为17MW煤压机起动时专用。

110kV双新铁→2#电站110kVⅠ段母线→2#变压器→2#电站35kVⅡ段母线→#2322开关→3#电站35kVⅡ、Ⅰ段母线→#3315燃机Ⅰ→燃机站1#FT→燃机站10kVⅠ段母线→17MW煤压机起动。简图如下。

此运行方式采用了独立电源、独立变压器及独立回路用于大电机的起动，在起动回路基本没有其它负荷，这样在大电机起动时对其它用电设备基本没有影响，以及产生的电压降只需满足大电机起动时端电压，对上一等级的电压降要求不会太苛刻。

但是带来的问题是：每次大电机起动时2#电站要多启用一台40MVA的变压器，而且运行方式调整在30分钟左右，变压器的启用时间在1小时左右。为避免向电力公司支付变压器的基本电费（18元/kVA.月），每次起动前要向电力公司申请并得到同意后才能起机。

4.3.3 高压热变电阻软起动装置及工作原理

高压起动热变电阻器就是是利用上述理论解决大型高压电动机的软起动问题而开发的新产品－高压大容量热变电阻器。它由液箱、热敏电解液、电极及导流机构组成。 

将该电阻器串入电动机的三相定子回路中，实现电动机降压起动。当电动机起动时，电机的定子电流流过热变电阻器从而使电阻体发热，温度逐步升高，电阻逐步降低，在电机起动电流基本恒定的情况下，电动机端电压逐步升高，从而使电机起动转矩逐步增大，实现电动机的平滑起动。 

电动机软起动时，需要随着电机转速的增加而平滑减少串在电机定子回路的阻抗。热变电阻软起动装置利用液态电阻的温度热变性：液态电阻随温升而平滑减少，达到软起动的目的。

4.4 热变电阻软起动的验算

如果电网参数齐全，则电网电压波动的计算比较方便。但实际情况是各工矿企业往往得不到电网的详实数据，因此，要做出准确的计算是很困难的，而且在软起动项目立项之时，也不需要精确的计算，只要能粗略地计算并留有一定的余地就可以了。

电压波动近似计算的最简单方法是从电机端电压的变化或功率传输的变化情况来估算，它需要的参数最少，比较容易得到，其主要参数为：电机电源母线处的短路容量，电机额定功率，功率因数，效率，起动电流倍数。

原始数据

4.4.1 煤压机电机参数：

4.4.2 电网参数

折算到10kV母线上最小短路容量：146MVA

4.4.3 机械参数（折算到电机轴上）

4.4.4 计算结果

    （计算这里不再详述）

通过对拖动系统计算，可得出如下结论：

a采用热变电阻降压起动，不仅能满足系统对起动的要求：起动电流为额定电流的1.76倍，起动时间在51S以内，在不考虑固定负荷的情况下10kV母线压降在12.2% 以内，35KV母线压降为8％。

b 以上计算是以一定电流倍数1.8进行的计算，在具体项目实施时，可根据现场情况，做适当调整，以确保最佳起动性能。

C 关于起动时间的计算采用估算法，误差应在10%以内。

5 大电机起动装置的最终选用

根据验算结果和多家供货厂家的多次论证后，选用了襄樊大力工业控制有限公司HTR6-20000型号的热变电阻软起动装置。整个电机软起动控制系统由1台电机运行高压开关柜、1台电机起动高压开关柜、1台热变电阻出现高压开关柜、1套三相高压热变电阻柜及1套无功平衡电容器补偿装置组成。

6 应用情况

经过安装、调试合格，电网运行方式调整后具备了起机条件。

6.1 第一次起动试验

于2006年11月17日20：00进行了电机光轴（不带联轴器）起动，电机在静止条件下一次起动成功：起动时间19秒，起动电流1800A，10kV母线电压降约15%。

根据17MW煤压机的第一次起动情况和前面验算结果分析，电机在光轴起动时的，起动电流与验算结果一致，但母线电压降偏大和起动时间短。经分析起动时间短是电机光轴时转速很快升到额定这是明显的道理；10kV母线电压降偏大是计算误差。经过重新验算和调校，进行煤压机的下一次起动。

6.2 第二次起动试验

于2006年11月24日16时26分煤压机起动。

6.2.1起动时条件：

6.2.1.1电网采用专用起动方式。

6.2.1.2起动时投入补偿电容器。

6.2.1.3 10kV电抗器旁路。

6.2.1.4起动电流按额定电流的1.8倍、液阻温度15.6℃、电阻调整为1.6欧。

6.2.1.5电机全轴带空气起动、导叶角5°、进出口与大气相通。

6.2.1.6起动时限设定延时58秒后强行切换至电网。

6.2.1.7燃机站1#FT有载调压2档至低压侧电压10.4kV。

6.2.2 起动情况

在电机起动后，电流1900A（从起动装置读出），10kV侧电压降15%、35kV侧电压降10%，起动58秒时强行切换至电网，2#电站#2322开关低电压闭锁过电流保护动作跳闸，起动失败。

6.2.3原因分析

6.2.3.1在起动58秒时起动电流未下降（1900A）、电压降未好转（10kV侧电压降15%）的情况下起动装置根据设定切换至电网，从而变化成大电机全压起动情况，引起系统电压降至70%以下、电流太大（因超过电流表量程不能读出具体值）超过保护整定值导致开关跳闸。

6.2.3.2起动电流初始值给定偏小，起动力矩不能满足电机起动。

6.2.3.3在现场起动5秒后，应沈阳鼓风机厂技术人员的要求，压缩机叶片导叶角由5°增大到15°，增大了阻力矩。

针对以上原因的分析，提出了改进措施后进行了第三次起动。

6.3 第三次起动试验

6.3.1 起动条件

6.3.1.1液阻起动装置起动电流倍数增加至2倍、液阻温度29℃、1.6欧。

6.3.1.2起动时导叶角在5°位置，起动120秒后增大到15°。

6.3.1.3燃机站1#FT有载调压3档至低压侧电压10.8kV。

6.3.1.4起动装置解除强行切换改为在65秒时起动不成功停机，起动过程中62秒内检测电流下降至额定时延时3秒切换至电网运行。

6.3.1.5其他条件同第二次起动。

6.3.2 起动情况

于2006年11月25日11时45分进行了第三次起动，起动装置在58秒切换电网运行，起动成功。参数如下：

根据现场实测：32.48秒补偿电容器切除；55.26秒电流开始下降；58.13秒电流达到额定；58.20秒运行柜投入。

6.3.3 起动分析

6.3.3.1起动时10kV侧电压降为20%、35kV侧电压降10%，偏大，公司电网采用专用启机方式，所以对在用设备基本不影响，但需进一步优化。

6.3.3.2电机轴需增加转速表，以便进行转速/电流比较。

6.3.3.3液阻装置应作出温度/电阻曲线。

6.3.3.4补偿电容器应根据电压恢复情况进行切除，不应按固定时间切除。

6.3.3.5根据上述起动参数分析，此启动装置在电机轻载情况下采取特殊运行方式可以满足起动要求。

7 结论及展望

在经过前面几次的起动试车后，重钢50MW煤气轮发电机组进入了发电调试阶段，于2006年12月24日23时06分并网发电成功！至此，使用高压热变电阻降压起动大电机在公司的应用取得了圆满的成功，替代了美国罗宾康高压变频软起动，节约一次投资一千万元。在大电机起动的应用方面起到了很好的典范，为以后更大容量的电机起动的研制、应用打下了坚实的基础。

参考文献：

1.        《电动机应用指南》   蔡方耀

2.        周希章．电机的起动、制动和调速．机械工业出版社，1984

3.        襄樊大力工业控制公司．HTR高压热变电阻推广资料说明，2002

4.        电机软起动器．电工技术，2001，9

5.        《S7-200 可编程控制器系统手册》

6.        云南工业大学、云南省电力工业局调度所合编.电力系统运行基础。云南科技出版社，1996

7.        余龙海.大型高压电动机热变电阻软起动装置

8.       电力工程电气设计手册.水利电力出版社， 1989年