水电阻软启动在除焦电机上的应用

(中国石化扬子石油化工有限公司南京电气仪表分公司，江苏南京 210048)

0 引言

某焦化装置高压除焦电机为鼠笼式三相异步电机，电机功率为4 500kW，额定电流为506.8A，起动电流为额定电流的5.5倍。根据焦化装置连续生产的需要，高压电机每天需起动2次进行除焦，此大功率电机如果采用直接起动方式，将对电网系统造成很大的冲击，势必影响其他生产装置电气设备的安全平稳运行。

大型鼠笼电动机的直接起动有三大缺点：一是对电网造成瞬时过负荷，使电网电压下降而影响同一网络上其他设备的正常运行；二是对负载产生加速度冲击，容易损坏设备或缩短设备使用寿命；三是电动机本身存在过电流冲击而影响电动机的使用寿命。因此在新焦化装置高压水泵除焦电动机的起动方式选择方面，经过充分的调研和论证，最终采用了HTR3系列水电阻软启动方式。经多年实际操作，该降压启动装置运行稳定可靠，维护简单方便，值得广泛应用和推广。

1 水电阻软启动装置的工作原理

HTR3系列水电阻软启动装置适用于大中型高压鼠笼交流异步电动机的起动，使用该水电阻起动的电动机具有起动电流小、转矩逐步增加的软启动特性。启动装置由具有负温度特性的三相平衡水电阻组成， 将该水电阻串入电动机的三相定子回路中，实现电动机软启动。当电动机起动时，电机的定子电流流过水电阻从而使电阻体发热，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。

1.1 水电阻阻值的计算

水电阻阻值的最佳配置是控制适宜的起动电流及使电动机能正常起动的关键，根据实际应用而归纳的参考公式为

RS=1.01UE/(1.73×2.5IE)

(1)

式中，RS—每相水电阻配置的最大电阻；UE—电源线电压；IE—电动机的额定电流。

根据电机的参数代入液阻配置式(1)

RS=1.01×6300/(1.73×2.5×506.8)=2.8Ω

即三相水电阻每相配置最大电阻为2.8Ω左右时电动机能达到最佳起动状态。

1.2 水电阻启动特性及优点

采用水电阻软启动的电动机有以下显著的起动特性及优点。

1.2.1 恒电流软启动特性

在电机起动过程中，电流基本保持不变，数值在2.5～3IE左右，且有显著的软启动特性：启动电流恒定，一般在2～3倍额定电流。电动机在起动过程中，等效电阻是随着转差率s的减小而增大。在起动时，s=1，而X和R2/s都非常小(如图1)。因此直接起动时电流很大(5～7倍额定电流)。当在定子回路串一可变的电阻时(如图2)，回路总电阻在区间0.1

图1 不串电阻电动机起动时等效电路

图2 串水电阻电动机起动时等效电路

1.2.2 起动过程中系统功率因数高且接近恒定及母线压降低

一般采用水电阻降压起动的电动机系统功率因数都在0.8以上，且整个起动过程接近于恒定，母线压降低。由于上述特性，使电机起动对电力系统的影响降到最低，母线压降在5%左右。

1.2.3 起动平稳无冲击

电机的起动转矩由小到大逐步增高，因而使机械设备起动平稳，无冲击、无啸叫声，且机械能平稳越过谐振转速，使设备免受伤害。

1.2.4 经济效益显著

节约一次性投资和维护费用。水电阻软启动装置，由于控制系统简单、操作方便、且总体直接投资在高压大型电机的各种起动方案中是最经济的一种方式，尤其比起进口的变频起动器来说更显价格优势，只是同性能进口设备的1/6左右。采用水电阻软启动方式，可以大大降低电机起动时对电力系统的要求，从而可以节约大量的一次性电力增容方面的固定投资。

节约长期技术性投资，该方案理论成熟，结构简单，性能稳定、运行可靠、基本免维护。一般技术工人经过简单培训就可以达到使用和维护的标准要求。

采用该启动方案，大大降低电机起动对电力系统的要求，从而可使电力变压器的运行始终在经济运行区，从而降低电力变压器运行损耗，节约运行费用。由于传统的电机起动方案存在许多技术问题。比如在起动时，易烧电机、造成电网压降大，影响邻里运行、谐波严重等等，从而使电机起动成为一个难于克服的难题。采用水电阻软启动方案，电机起动就变成了一件非常普通的事，电机可随时起、停，从而可以从技术保障方面节约大量电能。

1.2.5 与其他启动方式相比，性能优越

采用电抗器降压起动方式，电动机的起动电流可以小量的降低，但是功率因数很低，母线压降相对较大，在15%左右。

自耦变压器降压起动方式同串联电抗器起动方式效果大体相同，但接线方式复杂，故障率较高，将给后期运行带来故障隐患，增加后期检修维护成本。变频软启动因起动特性较好，但从技术上对用户的维护人员要求较高，而且价格昂贵，投资费用大。

2 高压除焦电动机的降压起动原理

高压除焦电动机的降压起动原理接线图如图3所示。高压真空开关1DL合闸，大型软启动装置的三相电阻串入电机定子回路，水电阻随着电动机的起动自动投入并在电动机起动结束后在设定的时间内2DL闭合，将水电阻自动切除，电动机自动投入正常运行。图3中1GK是为检修水电阻而装设的隔离开关，正常时是处于合闸状态的，且和1DL之间有电气联锁关系。1DL为主电动机运行真空断路器，2DL为短接真空断路器，R代表可变电阻，水电阻装置的三相电阻由相互绝缘的三个绝缘箱体构成。

图3 高压水泵电动机的起动原理

该设备于2004年11月全部安装调试完毕，设备一次起动成功运行至今状况良好，性能稳定可靠。经测试，最大起动电流为1 571A左右，为额定电流的3.1倍，带负载起动时间为12s，减少了系统冲击，起动电流非常平稳，电网压降小于5%，达到了预期目的，其起动电流曲线如图4所示。

图4 起动电流曲线

3 故障分析及处理

3.1 水电阻液位低，起动时速断动作

2006年8月一次除焦电机起动过程中速断保护动作，起动不成功。检查发现水电阻箱水位指示浮标已看不到，水位低于规定液位指示范围。分析原因为环境温度高或起动消耗在水电阻的能量使得溶液温度升高，加快水的蒸发，溶液浓度变大，水电阻阻值变小，造成电机起动时电流变大，速断保护动作。加纯净水至标准水位后，电机正常起动。针对这一现象，车间分析评估后，在水电阻液面上滴少许变压器油封盖液面，阻止水分蒸发，起到很好效果，原来每个月补水一次现变为每季度补水一次。

3.2 极板腐蚀造成起动时速断动作

2010年10月份某次焦化除焦班起动电机除焦，起动时电机跳闸，高压柜综保继电器报速断故障。复位后第二次起动成功，连续几天都是这种现象。车间组织对故障原因进行查找分析，经电机起动时现场观察发现，每次都是在水电阻启动完毕2DL合闸切除水电阻时发生，分析认为虽然水电阻启动完毕，但电机未达到额定转矩，切换时电机未达到95%的额定转速，全压加上后电机电流迅速增大，造成速断动作。现场检查水电阻箱时发现电阻液颜色发绿，经检查确认为水电阻箱内极板发生腐蚀，电阻液中含有极板腐蚀后的铜离子，导致水电阻阻值增大，电机起动时达不到额定转矩。第二次起动时，由于第一次起动电流通过电阻液，致使电阻液温度上升，电阻变小，增大了起动转矩。现场更换电阻液，重新配比水电阻值，保证了除焦电机正常起动运行。2011年8月焦化装置停车大修时更换了极板，彻底解决了故障。

3.3 起动超时动作

焦化水电阻装置出现过两次启动超时动作：一次是星点高压柜机构不良造成，由于经常性投切，开关分合闸产生的振动，使开关小车离开了运行位置，对高压开关柜机构进行检修调整后消除了故障。另一次是因为时间继电器损坏，设定的投切时间发生偏移，超出了正常设置的投切时间。重新更换时间继电器后，消除了故障。

4 结语

水电阻软启动装置在炼油厂新焦化高压水泵电动机上的成功应用，彻底解决了该大功率电机采取直接起动时给电网电压及设备带来的各种不利因素，是一种新型的鼠笼式高压大功率电动机降压软启动理想装置。由于它具有结构简单、价格便宜、使用及维护方便、起动设备平稳无冲击、起动电流平滑、在投切时也没有二次电流冲击等特点而广泛应用于设备的软启动。通过不断的完善，HTR3系列水电阻软启动装置在以后的新建装置中将具有很好的推广使用前景。

[1] 汤蕴缪.电机学.机械工业出版社，2005.5.

[2] 周希章.电工技术手册.电力出版社，2004.2

[3] 刘介才.工厂供用电实用手册.电力出版社，2001.3.

[4] 襄樊大力软启动技术手册.襄樊大力，2003.