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从操作过电压谈高压电机软起动装置的选择 刘 刚, 崔合庆 中国铝业中州分公司 装备能源部, 河南 焦作 454174 [ 摘 要] 从操作过电压产生机理出发, 阐述操作过电压对高压电动机的危害, 通过对高压电机在各种情况下操作 过电压的探讨分析, 指出高压电动机采用传统起动方式存在的问题, 分析了高压电动机采用软起动的必要性, 通过 对当前各种软起动装置的比较, 提出了选择依据。 [ 关键词] 操作过电压; 电动机; 直接全压起动; 软起动 [ 中图分类号] TM34 [文献标识码] B [ 文章编号] 1003- 8884200601- 0010- 04 Selection of Soft Start Device for High Voltage Motor in Terms of Operating Over Voltage LIU Gang, CUI Heqing Equipment and Power Department, ZhongZhou Branch, CHALCO. , Jiaozuo 454174, China Abstract The paper describes the harm of the operating over voltage to highvoltage motor in terms of the op erating over voltage mechanism. Through investigating the operating over voltage occurrence condition, it points out problems caused by traditional start mode of the high voltage motor, analyses the necessity to start high voltage motor by soft mode. Comparing varieties of the soft start device, it puts forward criteria to select the soft start device. Key words operating over voltage; motor; line start; soft start [ 作者简介] 刘刚 1966- , 男, 河南南阳人, 工程师, 大学本 科, 主要从事电气设备管理工作. 0 概述 交流电动机的起动一直是人们关注的课题, 尤 其是高压大容量交流电动机, 随着其用量的急剧增 加, 软起动问题变得更加突出。 交流高压电机的起动和停止, 均由高压开关的 关合和开断电路来实现, 在关合和开断时会伴随有 过电压产生, 有时会达到额定电压的5 倍以上, 这样 高的过电压会对电机的绝缘造成严重的危害, 电机 的相间短路、 匝间短路、 接地故障等基本上都是由绝 缘击穿引起的[1]。电机出现本体故障, 也基本上都 是从过电压造成绝缘损坏开始的, 而操作过电压往 往最易被忽视。有的电机由于制造缺陷, 虽然经过 出厂试验, 但由于受很高的操作过电压冲击, 使用几 个月即出现问题; 而绝缘质量较好的电机, 使用寿命 可达十几年, 这更使人们对操作过电压的危害认识 不足, 而这时绝缘已有相当程度的老化, 潜在的危险 很大。 对于操作过电压, 人们通常采取一些防范危害 的措施, 如安装压敏电阻、 阻容装置等, 而对如何去 抑制操作过电压的产生则考虑较少。 1 操作过电压的产生 11 触头间隙击穿引起的过电压 在关合或开断电路过程中, 当高压开关触头间 隙绝缘强度低于外施电压时, 将导致间隙绝缘能力 的丧失 击穿即产生操作过电压。 12 电机起动时的过电压 通常情况下, 开关与电机之间的电缆较长, 关 10 分析研究 有色设备 2006 1 合电动机电路时, 电动机上将出现幅值较高、 波前沿 很陡的过电压, 对电动机的绝缘不利, 特别是对电动 机进线端线圈绝缘不利。一次合闸过电压即使不会 造成电机绝缘击穿, 频繁的合闸过电压会严重影响 绝缘材料的工作寿命。 13 电机停止时的过电压 开断电动机电路的情况比较复杂, 根据电动机 转子状态的不同, 可分为转子不动和运动两种状态, 运动状态又分为空载和负载两种状态。不同状态下 电动机的开断情况是不同的。下列情况都可能产生 过电压。 转子静止电流过零开断。高压电动机极少用 于点动情况, 此种情况仅相当于电动机过电流保护 的整定值过低, 当合闸相位不好, 起动电流过大时, 而使保护开关自动开断的情况。 运转中电动机的电流过零开断。当电机带有 负荷时, 负荷越大, 滑差越大, 开关开断后, 由转子旋 转在定子绕组中产生的感应电动势越小, 电弧电流 过零后的恢复电压越大, 越容易发生击穿而产生过 电压。 ∀ 开断电动机电路时的截流。断路器在开断电 动机电路过程中, 如果电弧不是在电流过零时熄弧 而是出现截流, 在电机上将出现截流过电压。 截流现象是高压开关开断各种小电感电流时出 现的普遍现象, 出现截流的主要后果就是产生截流 过电压。 多次复燃。由于真空开关的灭弧能力很强, 加之高频振荡的作用, 复燃后的电弧又会熄灭, 电压 再次加到间隙上, 当恢复电压超过间隙介质强度时 电弧又会复燃。电弧熄灭、 复燃、 再熄灭、 再复燃的 过程持续不断, 直至最终恢复电压低于间隙绝缘强 度时电弧才熄灭。 多次复燃过电压出现的概率一般较低, 而一旦 出现, 很有可能对电动机的匝间绝缘造成危害。 综上可知, 操作过电压主要产生于电机的起动 操作过程中, 选择能够避免产生操作过电压的起动 方式, 对于保证电机及同电网其它设备的稳定运行, 延长设备寿命, 具有重要的作用[ 2]。 2 各种起动方式产生操作过电压情况 比较 21 传统起动方式 传统起动方式有全压直接起动、 串电抗器起动 和自耦变压器起动。 全压直接起动时, 起动电流会达到额定电流的 5 7 倍。瞬间产生的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, 会破坏绕组绝缘和 造成鼠笼条断裂, 引起电机故障, 还将引起所在电网 电压急剧下降, 电压频率也会发生变化, 破坏同电网 其它设备的正常运行, 甚至引起电网失去稳定。交 流高压电机的起动和停止, 均由高压开关关合和开 断电路来实现, 其间伴随有过电压产生, 有时会达到 额定电压的 5 倍以上。 串电抗器起动和自耦变压器起动时, 一般都把 起动电压调在 07UN左右, 与全压直接起动相比, 产生操作过电压的基础虽减小, 但触头间电弧的复 燃次数却与许多因素有关, 过电压的幅值将有很大 的随机性, 故只能说它对电机产生致命危害的概率 减小, 但不能排除过电压的危害。 22 几种软起动方式的比较 目前, 低压电机软起动装置应用广泛, 它通过调 节正反并联可控硅导通角的办法来调节电动机的端 电压, 使电动机端电压逐渐上升, 达到软起动的作 用, 它限制了电动机的起动电流 一般在 3倍额定电 流以下 , 减小了对电网的冲击, 提高了供电质量, 延 长了电机及机械设备的寿命, 减少了停工台时, 提高 了生产效率。 高压电机的软起动装置受可控硅器件耐压性能 的限制不好解决, 但由于高压电机的应用越来越广 且向大型化发展, 其软起动问题便成为必须解决的 问题。 以下是几种被人们采用的软起动方法。 221 变频装置 变频装置能调频调压, 当频率很低时电压也很 低。在起动时开始频率很低, 所以电压也很低, 可以 做到无操作过电压。但变频装置在工作时会产生大 量高次谐波, 会对电机造成伤害; 另外由于变频技术 复杂, 用户的维修技术还不能满足需要且变频器价 格相对昂贵, 这便是这种方法尚未被广泛采用的 原因。 222 可控硅串联装置 可控硅串联装置属于调压软起动装置, 输出电 压可以从零起调, 因此可以做到无操作过电压。由 11 分析研究 有色设备 2006 1 于其采用 SCR 相控, 有谐波产生。采用可控硅串联 技术的高压电机软起动装置对元器件特性参数的一 致性要求很高, 元器件的筛选率很低, 而且筛选仪器 的价格很高, 这致使装置的价格较高。另外在使用 一段时间后, 元器件的参数还会发生变化, 使元器件 的均压性能降低, 极易造成整串元器件的损坏, 使这 种装置的可靠性降低, 一旦元器件损坏很难修复。 223 水电阻式软起动装置 水电阻式软起动装置在应用时连接在电机的末 端, 高压开关直接接在电源上, 开关后面便是电机, 所以它产生操作过电压的情况与全压直接起动几乎 一样, 只是截流过电压有些差别, 由于水电阻的存 在, 截流过电压衰减较快。 水电阻位于电机前面时, 与电抗器相当; 水电阻软起动装置以电流为调节变 量, 由于液变电阻受环境温度的影响较大, 有时会发 生汽化电阻太大, 起动电流不能达到最大值的情况, 这时电机会长时间达不到额定转速, 造成起动失败。 如果第二次起动则必须等待降温, 可能要几个小时, 这种情况对连续化大生产的工厂来说是不允许的, 造成的损失是不可估量的。 224 开关变压器式软起动装置 开关变压器式高压电动机软起动装置是用开关 变压器来隔离高压和低压的。开关变压器的低压绕 组与可控硅和控制系统相连, 通过改变其低压绕组 上电压来改变高压绕组上的电压, 从而达到改变电 机端电压的目的, 以实现电机的软起动。在起动过 程中, 开关变压器始终处于开和关两种工作状态, 损 耗很小。 系统结构框图见图 1, 开关 K1和电机 M 是原系 统, 开关K2、 开关变压器、 可控硅与可编程序控制器 PLC 构成软起动系统。 图 1 系统结构图 Fig. 1 System structure drawing 当电机起动时, 首先合上 K2, 使开关变压器与 电机串联接在电源上, PLC 控制可控硅的导通与截 止, 使开关变压器低压侧的电压由大到小变化, 高压 侧电压也由大到小, 电机的端电压则由小到大变化, 电机转速逐渐上升, 当接近额定转速时, 合上开关 K1, 断开开关 K2, 软起动完毕, 电机以额定转速 运转。 由于该装置属于调压软起动装置, 输出电压可 以从零开始连续可调, 因此在起动时不会产生操作 过电压, 可以有效地延长电机的使用寿命。虽采用 SCR 相控, 有谐波产生, 但其设有 T 的隔离, 谐波被 衰减许多。 3 高压软起动装置的应用 我公司始建于 20 世纪 80 年代末, 受当时技术 条件的限制, 1000 kW 以上电机分别采用了自耦变 压器减压起动、 串电抗器起动、 高压水泵直接起动等 传统的起动方式。到 90 年代末, 全公司 1000kW 以 上电机发展到30 余台, 在近 10 年的使用过程中, 每 年有近一半电机被烧毁, 造成很大经济损失。2002 年增设 5、 6CO2压缩机时, 我们对电机的各种起 动方式进行了全面分析, 并结合当今先进技术, 确定 表 1 各种软起动装置性能比较 Table 1 Perance comparison of various soft start devices 高压变频装置 采用可控硅串联技术 构成的高压软起动装置 采用水电阻构成的 高压软起动装置 开关变压器式高压 软起动装置 起动电机最大容量, kW50000 5 3无无 环境温度, ∃0 400 400 40- 30 40 安装倾斜度无要求无要求 5 无要求 体积大小大小 价格, 元/kW370025005001200 12 分析研究 有色设备 2006 1 采用高压软起动装置。几种主要装置的性能比较见 表1。 由此表可见, 开关变压器式高压软起动装置具 有最高的性能价格比, 它的价格远低于此前引进的 进口装置 仅为其 1/ 3 1/ 10 , 而性能却不亚于进 口装置, 与水电阻 含液变电阻 式装置相比, 价格高 得不多 为其 2倍左右 , 而性能上有全面的提高, 椐 此选用了开关变压器式高压软起动装置。该装置自 2002年 5 月投运至今, 运行稳定, 电机未发生烧毁, 节约了人力、 物力, 提高了经济效益, 其他电机的启 动已按此方案实施改造。 4 结语 开关变压器式高压电机软起动装置因电压连续 可调, 可以做到在电机起动和停止时无操作过电压 产生, 对延长电机的使用寿命大有好处, 无论从科技 进步还是企业的自身利益上看, 都具有极高的推广 价值。 [参考文献] [ 1] 周希章, 周全. 电动机的起动、 制动和调速[M] . 北京 机械工业 出版社, 2001. [ 2] M. G. SAY[ 英] . 交流电机[ M] . 北京 中国计量出版社,2000. 风机技术发展趋势 随着科学技术发展, 人们对风机使用要求越来 越高, 国际上风机技术发展趋势是, 风机容量不断增 大、 高效化、 高速小型化和低噪音。 大型风机容量继续增大 各种工业装置规模 的日益大型化, 客观上需要各类风机的容量也随之 不断增加, 大型号风机在未来几年在市场中将会受 到欢迎。 高效化 为提高效率, 三元流动叶轮在通风 机中的应用已越来越广泛。而诸如斜流风机等特殊 用途的风机发展将会更有市场。 ∀ 高速小型化 各类风机采用三元流动叶轮 后, 在提高效率的同时, 压力也可以提高。所以在同 等条件下, 叶轮外径可以减少 10 30, 故可获 得缩小体积和减轻重量的双重效果。提高转速也是 风机小型化的重要途径之一。 低噪声化 风机的噪声是工业生产中噪声污 染源的最主要来源之一。风机大型化和高速化更使 得噪声问题愈加突出。对于低频噪声, 风机防范的 主要手段是改进风机结构设计, 降低本体噪声; 若仍 达不到要求, 可以采取加装消声器等措施。 [ 中图分类号] TU8344 [ 文献标识码] D 葫芦岛有色集团 2006 年目标 葫芦岛有色金属集团公司 2005 年完成工业总 产值 50 亿元, 工业增加值 6 亿元, 同比分别提高 352和 25 ; 完成有色金属总量 30 万t, 同比提高 326; 其中锌 2456万 t, 铜 538 万 t, 同比分别提 高10 和 1395 ; 销售收入首次突破 50 亿元大 关, 实现 53 亿元, 同比提高 293 ; 实现利税 273 亿元, 同比提高 9097。完成辽宁省国资委下达 的综合经济效益指标 8511 万元, 同比提高 5744, 比责任目标提高 1501 。 日前, 该公司提出了 2006 年奋斗目标 完成有 色金属总量 35 万 t, 力争 38 万 t; 实现销售收入 63 亿元, 力争全 面扭亏; 完成 ISP 工程建设, 确保 630∋一次投产成功。为此, 着重抓好四方面工作 加强管理, 提高经济效益。强化生产组织工作, 最 大限度地发挥生产能力。20 万 t 系统继续满负荷生 产, 电锌系统由 2005 年的 5 万 t 提高到 8 万 t, 电铜 系统由 2005年的5 万 t 提高到 8 万t, 充分发挥公司 的规模效益。 推进项目战略, 搞好技术改造和产 品开发工作。以国债项目为重点, 加大技术改造力 度。ISP 工程继续执行封闭式网络计划, 尽快完成 所有配套项目, 确保 530∋联动试车, 630∋竣工投 产。铜系统改造项目要抓紧各项前期准备工作, 力 争年内开工建设, 确保在国家关闭鼓风炉炼铜企业 之前, 完成铜系统的改造。以市场为导向, 加大新产 品开发力度, 重点搞好锌、 铜延伸产品和高新技术产 品的开发, 创建公司科技先导园, 改善产品结构, 使 新产品产值逐步占公司工业总产值的 30 以上。 ∀ 深化改革, 加快建立现代企业制度。积极推进产 权制度改革、 劳动人事分配制度改革、 主辅分离和辅 业改制等工作, 建立全新的能够适应市场经济的经 营机制和管理体制。 以人为本, 构建和谐企业。 坚持职工利益和公司利益高于一切的原则, 努力构 建新型的和谐企业。 [ 中图分类号] F2722 [ 文献标识码] D 赵世全 13 分析研究 有色设备 2006 1