10 kV高压固态软启动器在调水工程中的应用

张 冰，刘飞燕，付春江

（青岛市水利工程建设开发总公司，山东 青岛 266000）

0 引言

位于山东省青岛市境内的产芝水库-城阳-即墨调水工程华山加压泵站日最大调水能力10万m3，其安装10 kV高压电机5台，总容量1 775 kW。采用传动的直接启动方式，当需要单台或多台水泵机组全负荷开机运行时，电动机的启动电流为4～7倍额定电流[4]，对电网的冲击大，需要相关配套电器的配电容量大；由于华山加压泵站机组平均高程55 m，其管线上用户（水厂）最高高程90 m，高差大，采用直接停车方式，水锤现象十分明显。本文结合国产高压固态软启动器在调水工程加压水泵上的应用，介绍GGQ1000/10型高压固态软启动器的结构组成、性能特点和注意事项。

1 加压水泵应用软启动器必要性分析

随着晶闸管峰值电阻的增加和触发技术的突破，晶闸管降压软启动技术在启动高压电动机时提供了符合标准的保护作用，固态高压电动机启动器主要用于启动和停止高压交流电动机，以及相关控制与保护。当调水需求接近于单台水泵的额定流量，在水泵加压的启动过程中，水泵电机的直接启动会产生比较大的启动电流，相当于高压进线三相短路对供配电系统进行冲击，会使失供电系统失去稳定，进而影响供水稳定。采用直接停车方式，水锤现象十分明显，水锤瞬时产生的压力可达管道正常压力的几十倍，压力的大幅度变化动,可对调水管网产生强烈冲击,轻则导致管道阀门接头的变形，重则引起管道爆管破坏，造成设备损坏，增加维修和养护成本，软启器的使用可以有效避免上述问题，能够实现调水泵站的安全可靠运行，而且价格是高压变频器的一半，其应用也有一定的经济性。

2 高压固态软启动器原理及结构性能特点分析

2.1 大功率晶闸管移相触发原理

大功率晶闸管可称为功率器件，可以在大电流、高电压的条件下为负载提供大功率的输出。一般来说，通过更改功能强大的晶闸管的移相触发器的角度，可以更改晶闸管的输出电压，并且输出电压可以根据给定曲线增加。例如：欠压、晶闸管组件损坏、启动超时、三相电流不平衡等。可以自行纠正以保持设备正常工作，大功率晶闸管移相触发，也称为可控硅移相触发，是指晶闸管整流回路中，调节其触发脉冲，改变整流器输出电压的方法。当整流器输出电压改变时，原正弦波与触发脉冲在示波器上是水平位移的，作为移相触发原理的形成。当电机拖动水泵的负载不变，使可控硅的触发脉冲移动改变电压从而改变输出电流[5]。

2.2 高压软启动器升压原理分析

光纤输出信号使大功率晶闸管串并联组件工作，当启动器检测到电流下降时，它迅速使晶闸管阀组件完全导通，并且并联了晶闸管组件两端的高压AC真空开关，以绕开晶闸管组件的工作电流。控制回路信号通过信号处理电路进入数字信号处理器和单片机控制系统，控制系统发送的信号通过光纤传输系统发送到高压数字触发器，以启动晶闸管单元，以便电动机可以执行软启动和软停止功能[2]。

2.3 软动器的结构组成的结构组成

高压固态软启动器由两大回路组成，即高压回路、测控回路。高压回路为主要回路，由主回路和旁通回路真空接触器、电压和电流互感器、晶闸管触发元件组成。其中晶闸管触发元件的通断是由多路光纤输入控制，又通过另外一组多路光纤用于晶闸管组件工作状态信号监控反馈[1]。

图1 高压回路示意简图

2.4 高压软启动器的性能特点分析

（1）使用晶闸管移相触发器启动模式可以有效地将电动机启动电流控制在额定电流的4倍以下，从而减少对电源系统的影响；减少了配电系统容量投资规模。减少了水泵在启动时的水流对叶轮的冲击，延长了电机及水泵的寿命。

（2）运行工况不一样，启动负载有不同情况，通过任意修改启动器调节并设定参数，使电动机运行在最佳启动效果下。

（3）在晶闸管接收到停车信号后，电动机电压线性下降，在预先设定的时间内电动机电压降到零，从而实现软停车，当水泵处于相对低高程时，软停车功能有效的减轻了水锤效应的影响。

（4）保护功能完善可靠，能确保电动机及相关生产设备的使用安全。主要具有电机绕组匝间线路发生短路，起过流速断作用的保护；在预先设定的启动时间内，电机电流未达到额定电流时的启动超时保护；大功率晶闸管短路或发生故障时，跳闸并报警的可控硅保护。在软启动或运行过程中，三相电流不平衡度如超过设定值时的跳闸保护[1]。

3 高压固态软启动器应用实例

为保证运行的安全可靠，本工程2台10 kV高压电动机采用“一拖一”的方式进行水泵控制。

（1）安装调试注意事项。安装前要断开所有电源，确保安全距离，确保设备牢固连接到机柜的接地片上，为确保可靠的接地，请用欧姆表检查所有接地导体之间的电阻，使用380 V电源对整个装置系统进行模拟试验及电气测试。若条件允许，可使用380 V小型电机进一步模拟试验，使运行人员熟悉原理和启动流程，避免人为的误操作故障，确保安全可靠的操作。发动机应在怠速条件下进行测试，并应使用默认的启动参数。成功进行测试后，请根据现场的工作条件调整参数。

（2）启动控制方式的选择。高压软启动控制方式有：斜坡电压、 恒流启动、恒时间启动。斜坡电压：电机按照预先设定的初始电压和软起时间，初始电压随时间线性上升，直至达到全电压后按照额定转速运行，能有效保证电动机平稳启动。恒流启动：按照预先设定的初始电压启动,然后控制电流快速达到设定的恒定值，控制软启动一直保持该恒定电流,直至电机达额定转速。恒时间启动：电机转速从零达额定转速，是严格按照预先给定的恒定时间。实际选用斜坡电压启动方式，能保证电动机平稳启动，电机在启动的过程中按设定的初始电压和软起时间，启动电压随时间线性上升，直至达到额定转速而后全电压运行。

图2 斜坡电压启动方式

（3）参数设置介绍。启动方式：采用远程启动，由PC通过上位机PLC，向面板发出控制启动信号，面板将信号发给上级高压开关，高压开关闭合，软起器开始启动。初始电压：将初始电压设置为线路电压的50%，以在启动时为泵电动机提供足够的转矩，并保护电动机免受启动转矩的影响以及泵叶轮和其他机械零件的损坏。软起时间：运用斜坡电压启动方式控制，为改变电压斜坡的斜率，设置软起时间为30 s。突跳时间：为斜坡电压和恒流控制启动方式之前的短暂过程[1]。通过输入突跳启动时间，软启动器会向电动机施加全电压，从而为泵电动机提供足够的扭矩以稳定地启动电动机。水泵电机启动负载较轻，设置为0 s。

（4）运行效果分析。电动机额定电流为24 A，软启动时启动电流约为76.8 A，约为额定电流的3.2倍，不会引起供电系统电压的急剧下降；软停车时间设置为15 s，能有效削弱水锤对止回阀门和水泵叶轮的冲击，经长时间使用，软启动器能保证供电系统稳定和阀门水泵设备的正常运行。

4 高压固态软启动器应用时的注意事项

虽运用晶闸管移相触发技术，能够有效延长水泵机组使用寿命，减少运维费用。但是软启动器晶闸管移相触发，电压变化产生的谐波、旁路接通后相当于直接启动的状态，无功功率较大等对供电系统、信号传输、节能降耗产生一定的影响，笔者根据实际运行经验，用户需在以下2个方面要引起高度重视。

（1）软启动器在升压过程会产生谐波。根据晶闸管移相触发原理，软启动器输出的波形是正弦波的一部分[3]，从启动升压到旁路投运这个过程中会产生谐波，若实际应用需要软起时间较长（在0～100 s内可调），就需要考虑加装合适型号电抗器，作为采购时的配套件选用，能起到谐波抑制，有效滤除高、中、低频谐波。若软启动器的电流谐波较大，会给供水运行带来如下危害：谐波的高频脉冲电压，会引起铁心发热，可能破坏变压器绝缘；影响各种电气设备的正常工作，测量仪表和电能计量增大误差，影响计量精度和控制性能，导致高压进线及配线柜继电保护装置误动作，造成供水系统大面积停电。

（2）软启动器有别于变频器（功率因数约为1），进入旁路运行后，相当于电网直连，必然会产生大量无功功率，长期投运，需要考虑加装补偿装置，如果电网无功功率较大，则会给供电系统带来如下危害：导致运行电流增大和无功功率增加，进而使配套变压器容量增加；使变压器的电压降增大，电网电压产生波动,供电质量下滑，严重影响电网的整体稳定运行[4]。

（3）软启动器的绝缘等级的下降，大部分是由尘土堆积和停机后热源的吸潮现象导致的，可导致控制回路漏电、设备误动作、水泵电机失控；停机后热源吸潮现象使裸露的金属部件腐蚀，尘土堆积可导致散热设备散热不佳，大功率晶闸管温升增大而被损坏；而在日常维护方面，定期进行软启动器柜体内外部尘土清扫，定期采取除湿措施，比如发现吸潮、结露应及时用红外灯泡或者电热吹风设备进行干燥处理[1]。

除了以上问题，用户在投运前后，还需要进行谐波检测，特别是三次谐波；运行过程中进行检测高压电机的温度、噪声，若产生问题，需及分析原因，找出对策，避免不必要的损失。

5 结语

高压固态软启动器投运以来，运行可靠稳定，有效减轻了启动和停止时，管网水流冲击所产生的水锤现象，节省了泵站水泵和管道阀门的维修费用。固态高压电动机软启动器可与多种电动机配合使用，是一种易于使用的软启动器电动机控制设备，能够在大型给排水工程中发挥重要作用。调水工程中，当电动机在直接启动不能满足管网系统要求时，首先考虑的是可控硅软启动器，随着国产软启动器技术的突飞猛进，国产高压软启动器性价比也大幅提高，国产软启动器在调水工程实际应用中发挥更大作用。