浅谈 21000KW 盘磨电动机的起动、保护和控制

张劲松

摘要 : 本文通过高压大中型电动的几种起动方式的比较与分析并通过计算，确定了２１０００ＫＷ盘磨电动机的启动方式．采用液态热变电阻软起动技术有效地解决了造纸行业大型盘磨电动机的起动问题，为大型盘磨电动机的起动提供了一种新的经济合理的起动方式

关键词 : 高压大中型盘磨电动机 大型盘磨电动机起动方式 起动方式　热变电阻软起动器　起动计算　盘磨电动机的保护和控制

工程概述：在 2005 年投入运行的山东某纸业年产 25 万吨杨木化机浆工程中， BCTMP 车间有两台大型盘磨同步电动机，其额定工作电压为 10KV ，功率均为 21000KW 。在该工程中我采用液态热变电阻软起动技术成功起动两台 21000KW 盘磨电动机，一次性试车成功，实现了盘磨电动机的平滑起动，起动电流控制在 2 倍电动机额定电流以内且 10KV 母线起动压降控制在允许值以内，起动过程对电网和机械均无冲击，克服了采用串电抗器或自耦变压器起动大功率电动机的不足，相对于采用变频软起动技术节省投资 700 多万元。该工程采用液态热变电阻软起动技术有效地解决了造纸行业大型盘磨电动机的起动问题，为大型盘磨电动机的起动提供了一种新的经济合理的起动方式。同时该工程还刷新了采用该技术起动大功率电动机的起动记录。下面我结合工程设计及计算过程谈谈大型盘磨电动机的起动、保护和控制等有关问题。

一、高压大中型电动机的几种起动方式

近几年来，随着我国工业的高速发展，在冶金、化工、石油、轻工、市政等工业领域，有大量的高压大中型电动机投入使用，如钢铁厂烧结风机、高炉风机、制氧空压机，如化工厂空气压缩机、泵、挤压机，又如造纸厂磨浆机等等。生产规模的日益扩大，单台电动机的容量也越来越大。

目前，高压大中型电动机的起动方式有：①全压起动（包括变压器－电动机组）；②串电抗器降压起动；③自耦变压器降压起动；④并电容器起动；⑤串电抗并电容器起动；⑥磁控式软起动器起动；⑦开关变压器式软起动器起动；⑧变频软起动器起动；⑨液态电阻软起动器起动（液态热变电阻软起动属于其中一种）； ⑩ 以小拖大起动方案（主要适用于高压大中型同步电动机的起动，即用一台小的异步电动机拖动大的同步电动机至亚同步时投全压并投励磁拖入同步）。技术上最合理的方案不一定是工程中最适用的方案。如何合理经济地选择高压大中型电动机的起动方案是我们设计人员面临的新课题。

在过去的几年中，高压大中型电动机主要采用全压直接起动或高压电抗器降压起动或高压自耦变压器降压起动等几种传统起动方式，也有少量大型电动机采用变频软起动器起动。液态热变电阻软起动技术是近几年发展起来的新型起动技术。 下面简单说明 一下上 述几种起动方式的特点。目前，因并电容器起动、串电抗并电容器起动、磁控式软起动器起动、 开关变压器式软起动器起动 和以小拖大等起动方式在实际应用中为数不多，在此不作叙述。

1 ．全压直接起动方式

全压起动是最简单、最可靠、最经济的起动方式，在工程中应优先采用。但全压起动大中型高压电动机可能会存在以下问题：

①起动电流大，易烧电机，主要表现为转子断条、转子端环断裂；

②电机起动时对电网影响大，电网压降较高，易影响其它设备的正常运行；

③起动时冲击转矩大，易造成机械故障，如烧轴承，缩短减速机寿命，振动严重，啸叫声大等等。

当符合下列条件时，高压电动机应采用全压起动：

①电动机起动时配电母线的压降和端电压符合允许值；

②被拖动机械设备能够承受电动机起动时的冲击转矩；

③电动机制造厂对电动机的起动方式无特殊规定。

2. 高压自耦变压器或高压电抗器降压起动方式

这两种降压起动方式是目前应用较多的起动方式，但存在以下问题：

①对电网影响较大，因为电机起动时功率因数非常低，只有 0.1 ～ 0.2 （注：同步电动机的起动一般也是异步起动 , 起动过程功率因数同样很低），采用高压电抗降压起动使功率因数变得更低；采用高压自耦变压器起动对电机起动时的功率因数的提高似乎没有。

②高压电抗器和自耦变压器由于其制造参数固定，现场抽头难于

根据电机和负载的工艺情况以及电网的变化进行调整，故较难获得理想的起动参数。对于高压电抗器而言：电抗大，则易造成起动时电机长时间大电流中速爬行而导致起动不成功，电抗小则起动电流大，易造成电网压降大。

③在起动完毕切除时易造成二次冲击电流。

3. 变频软起动起动方式

变频软起动因起动特性较好，它代表着大电机起动技术的发展方

向。但价格非常昂贵且维护费用也较高，对于不需频繁起动而又不需调速的大型动力设备来说，仅仅为了起动而投资，太不经济。另外，起动时会产生大量谐波，对电网造成污染。因此该起动方式一般适合于在其它几种降压起动方式无法满足大型电动机的起动要求时使用。

4. 液态热变电阻软起动方式

液态热变电阻软起动技术是近几年发展起来的新型起动技术。其主要技术特性是：液态热变电阻器是一种电解质的水溶液，它的电阻温度特性是负温度特性。其基本原理为：液态热变电阻器串于电机定子回路，当电机起动电阻器通过起动电流时，液态热变电阻器温度升高而电阻值随之减小，从而使电动机端电压逐步升高，起动转矩逐步增加，以此实现电机的平稳起动。起动电阻值可以根据电动机参数和负载要求的起动转矩进行调节，能方便地配置到最佳的起动参数。

采用高压液态热变电阻器降压起动的电动机有以下显著的起动特性：

①起动电流恒定，一般在 2 ～ 3.5 倍电动机额定电流。

我们知道，电动机在起动过程中，其等效电抗值 X 是不变的，而

等效电阻 是随着转差率 s 的减小而增大。 （如图 1 ）

在起动时， s=1 ，而 X 和 都非常小，因此直接起动时电流很大（一般为 5 ～ 7 倍电动机额定电流 ）。

当在定子回路串一可变电阻 R Q 时（如图 2 ）， 随着 s 的减小而增大 , 而 R Q 随着通电发热而阻值逐步降低，两者相加起动回路总电阻则近似不变。因此，在 起动过程中 回路总阻抗 是近似不变的，基本上实现了电动机的恒电流起动。目前，部分厂家生产的高压液态软起动器还具有电流闭环自动控制功能，更好地实现了闭环恒流软起动。

高压液态热变电阻器的电流软起动特性避免了较大的冲击电流造成电动机局部过热而降低电动机的寿命。有效地克服了高压电抗器和自耦变压器在切除时电流有跳变的现象发生。

② 起动过程中系统功率因数高且接近恒定。

一般采用高压液态热变电阻器降压起动的电动机系统功率因数都在 0.7 以上，且在整个起动过程基本上是恒定不变的。

③ 母线压降低。

由于上述 1 、 2 特性，使电机起动对电力系统的影响降到最低，母线压降一般可控制在 10% 以内。

④ 起动平稳无冲击。

由于液态热变电阻器在起动过程中电阻值逐步降低，电动机端电压逐步升高，起动电流接近恒定，起动转矩逐步升高，并与机械静阻转矩保持近似恒定的差值，从而使机械加速过程近似恒定，因而使机械设备起动平稳，无冲击、无啸叫声，使机械设备免受伤害。

⑤ 适应性强、可塑性好。

针对电网电压波动、不同的负载情况和电机的不同参数可以方便地进行阻值配置以满足最佳起动效果。有效地克服了高压电抗器和自耦变压器适应性差的问题。

⑥ 可连续起动三次以上。

因高压液态热变电阻器热容量较大，起动一次温升一般在 7 ℃ 以内，故一般至少可连续起动三次。而采用高压电抗器和自耦变压器起动一次温升较高，一般不宜作连续起动，起动时间间隔一般在 6 小时左右。

⑦ 无电磁污染。

高压液态热变电阻器是一种纯液态热变电阻器，在电机起动过程中既无冲击闪变造成的高次谐波，也无整流造成的高次谐波。因此高压液态热变电阻器不会对电网造成任何污染。

⑧ 装置结构简单，基本上免维护。

⑨ 不消耗贵重金属，价格低廉。

液态热变电阻软起动装置具有较多的优点，但它同样存在着如下之不足：

① 液阻箱体积较大，需要占去较大的配电室面积。

② 液阻箱内的水需要定期补充。

③ 液态热变电阻值受环境温度和自身影响，每次起动前需要检

测液态热变电阻值大小，并作适当微调。

5. 各种起动方案的比较 （见表一） 表一

表中： Un ——母线标称电压； I st 、 M st —电动机的全压起动电流和起动转矩； k —起动电压与标称电压的比值，对于自耦变压器为变比。

二、 21MW 盘磨电机的起动计算及起动方式确定

1. 工程概况及计算原始数据

该工程总装机容量约为 58.5MW ，计算负荷约为 36.8MW ，其中 BCTMP 车间有两台磨浆机，配置了两台电压为 10KV 、容量为 21MW 的同步电动机。该工程由纸厂 110KV 变电站供电，该变电站电压等级为 110KV/10KV ，主变装机容量为 2 × 50MVA 。

考虑到大型盘磨电动机的起动， 110KV 变电站两台 50MVA 主变在 10KV 侧采取并列运行方式，在并列运行方式下 110KV 变电站 10KV 母线短路容量为： S max =526MVA,S min =345MVA 。电网参数、 21MW 电动机参数和盘磨机械参数具体列表如下：

•  电网参数 （见表二） 表二

•  电动机参数 （见表三） 表三

•  盘磨机械参数 （见表四） 表四

(4) 其它参数

电动机电缆截面 3(YJV-1X300)/ 相 ,21MW 同步电动机与变电站 10KV 母线距离为 390 米 。

2. 液态热变电阻软起动器的起动计算

•  电机起动特性计算 （见表五） 表五

(2 ) 起动时间计算 （见表六） 表六

(3) 母线压降计算 （见表七）

系统等效回路如图三：

表七

3. 几种起动方案计算结果比较

（ 1 ）几点说明：

①因全压起动、串电抗器降压起动和自耦变压器起动计算《工业及民用配电设计手册（第三版）》中有现成的计算公式，故在此未列出计算过程；而液态热变电阻软起动计算无现成的计算公式，只能根据电机学和电路理论的有关知识和公式进行计算，故在本文列出了全部计算过程。

② 采用全压起动、串电抗器降压起动和自耦变压器降压起动方式在起动过程中起动电流是逐步减小的，其起动时间按下面公式计算： （根据《工业及民用配电设计手册（第三版）》第 268 页）；而液态热变电阻软起动在电动机起动过程中基本上是恒电流起动，加速转矩接近恒定，其起动时间根据旋转运动的方程式 或 ，并且将 M st 和 M Z 分别建立数学模型进行积分计算。

（ 2 ） 几种起动方案计算结果 （见表八） 表八

注：以上计算结果基于第 1 点所列的电动机和盘磨的有关原始数据。

4 ． 21MW 同步电动机的起动方式确定及计算结果分析

（ 1 ） 起动方案确定

通过上述计算结果可知：采用全压起动时母线电压降太大，不能

满足要求；采用串电抗器降压起动时起动时间太长。而采用液态热变电阻降压软起动，不仅能满足系统对起动的要求——以 57% 初始端电压起动时，起动电流为额定电流的 2 倍，起动时间在 10S 以内，且 10kV 母线最低电压不低于 9120V ；而且起动性能优异，比如恒定的起动电流，高起动功率因数，起动过程无机械冲击等优点。自耦变压器降压起动虽然能满足各项起动要求，但存在切除时会产生二次冲击及不能连续起动等缺点，故不作为首选方案；变频软起动装置起动性能优越但价格昂贵。因此，该工程采用液态热变电阻降压软起动不失为最佳起动方案，既经济又实用。

（ 2 ） 计算结果分析

①为什么采用电抗器降压起动和采用液态热变电阻降压起动所串的阻抗值基本相同（电抗器 1.8 Ω , 液态热变电阻为 1.76 Ω），而起动时的电动机端电压、起动电流、起动转矩却相差甚远呢？

这是因为尽管采用电抗器降压起动与采用液态热变电阻降压起动所串的阻抗值基本相同，但前者为电抗，而后者为电阻，导致了前者起动回路的总等效阻抗值比后者大（略经计算即可得出），因此电动机端子所获得的分压值前者比后者小，故前者起动时的端电压、起动电流、起动转矩比后者小，起动时间前者也比后者长。这说明：在串接相同的阻抗值的情况下，采用液态热变电阻降压起动比电抗器降压起动所获得的电动机端电压、起动电流、起动转矩要高。

② 一般来说起动电流越大，引起的母线压降也越大，为什么采用电抗器降压起动与采用液态热变电阻降压起动时起动电流相差较大（前者为 1690A ，后者为 2468A ），而母线压降却基本相同？

根据电动机起动时母线电压下降相对值公式

△ u stm = 可知： 系统预接无功负荷 Q fh 越大， △ u stm 越小；电动机起动时起动回路起动容量的额定输入容量 S st 越小 ， △ u stm 越小。一方面， 采用液态热变电阻降压起动时起动电流比采用电抗器降压起动时起动电流大，造成起动回路输入 容量 S st 前者比后者大 ，从而导致△ u stm 前者比后者大；另一方面，采用液态热变电阻降压起动时功率因素比采用电抗器降压起动时功率因素要高得多（前者为 0.83 ，后者约为 0.1 ～ 0.2 ），使得在起动过程中从系统中吸收的无功功率前者比后者小，相当于系统预接无功负荷 Q fh 前者比后者大，从而导致 △ u stm 前者比后者小 。一增一减，使得两种起动方式下△ u stm 产生了相同值，这当然是在该工程计算过程中出现的一个“偶然”现象。但从中却可以得到一个结论：在相同的母线压降条件下， 采用液态热变电阻降压起动比采用电抗器起动可以获得更高的起动电流，从而可以获得更高的起动转矩，更有利于电动机的起动。

③为什么采用自耦变压器降压起动和采用液态热变电阻降压起动所获得的电动机端起动电压基本相同（前者为 0.597 ，后者为 0.570 ，前者甚至略大），而起动时间后者却比前者短？

对于同一台电动机采用自耦变压器降压起动和采用液态热变电阻降压起动，在端电压 U D 相同的情况下，电动机起动电流和起动转矩也是相同的。但在起动过程中，前者起动电流是逐步减小的；而后者基本上为恒电流起动，加速转矩接近恒定，电机加速也快。因此，采用液态热变电阻降压起动时间比采用自耦变压器降压起动时间要短。

5 ． 21MW 盘磨电动机的实际起动参数

两台 21MW 盘磨同步电动机采用液态热变电阻软起动器起动，于 2005 年 3 月一次性试车成功，其具体起动参数如下：（见表九）

表九

从表中可以看出：第二台同步电动机起动压降比第一台同步电动机起动压降小。在同一母线上起动多台等容量的同步电动机，在后起动的比在先起动的对母线电压影响小；在同一母线上起动多台不等容量的同步电动机，先起动小容量的再依次起动大容量的比先起动大容量再依次起动小容量的对母线电压影响小。若换成异步电动机，上述结论恰恰相反。

三、 21MW 盘磨同步电动机的起动控制和保护

1 ． 21MW 同步电动机的起动主接线图 （见图四）

2 ． 21MW 同步电动机的起动过程

① 起动条件：只有当盘磨定盘和动盘完全脱离时 ( 即空载时 ) 并且只有当励磁装置和软起动装置准备好之后方可进行同步电动机的起动。盘磨电机的起动命令必须通过盘磨的控制系统的联锁方可执行。

② 盘磨电动机的起动过程如下：在起动前，所有与盘磨电机起动和运行有关的高压开关柜的手车均应处于工作位置并且盘磨电机运行柜断路器 CB1 、盘磨电机起动柜断路器 CB2 、液态热变电阻软起动器隔离柜断路器 CB3 处于分断状态，当一切准备就绪后，先合上断路器 CB3 ，紧接着合上断路器 CB2 ，此时电动机定子回路串入液态热变电阻软起动器，实现同步电动机的异步软起动；当电动机达到亚同步转速时（设定为 94%n e ），合上断路器 CB1 、同时分断断路器 CB2 和断路器 CB3 ，切除液态热变电阻软起动器，使电动机投入全压运行；当电动机转速达到设定值 95%n e 时，电动机转子投入励磁拖入同步，至此同步电动机起动完毕。

3 ． 21MW 同步电动机的保护

设长时间起动、过 / 欠励、过 / 欠压、失步、差动、堵转、过流、过载、负序、定子接地故障、温度保护、振动保护。

4 ． 液态热变电阻软起动装置的保护功能

① 液阻箱具有测温装置并具有高限报警和超高限闭锁功能。

② 液阻箱具有液位监测功能并具有低限报警和超低限闭锁功能。

③ 液阻箱具有绝缘监测和漏液检测功能和报警功能。

④液态热变软启动装置带有启动超时保护功能。

参 考 文 献

1 、中国航空规划设计研究院组编 . 工业及民用配电设计手册（第三版） . 北京：水力电力出版社 .2005 ： 266 ～ 273

2 、通用用电设备配电设计规范 .GB50055-93: 第 2.3.2 条及条文说明 .

3 、余龙海 . 大容量高压电动机热变电阻软起动装置 .

4 、陈广银 . 高压笼型电动机热变电阻软起动装置在合钢高炉风机上的应用 .

5 、襄樊大力工业控制有限责任公司 . 大型软起装置高压热变电阻器产品样本 .

6 、合肥工业大学 顾绳谷主编 . 电机及拖动基础（上、下册） . 北京：机械工业出版社 .1993 ：上册 72 ～ 75 ；下册 1 ～ 13.

________________________________________________________________［2007第1期］