高压软起动方式节能减排技术分析

文／大力电工襄阳股份有限公司 汪兴

机械工业北京电工技术经济研究所 徐元凤 闫微／

一、讨论背景

“十二五”规划以来，为全面贯彻落实科学发展观，加快资源节约型、环境友好型社会建设，中央和各省把节能减排作为调整经济结构、转变发展方式的突破口和重要抓手，作为宏观调控的重点，出台了一系列促进节能减排的政策措施。冶金、石化等工业产业作为国民的支柱，同时也是高耗能的产业，节能降耗的形式严峻。

大型电动机一直是工业用电的主体，由于电机的特性，在起动的过程中电流会大幅超过电机额定运行时的电流，达到额定电流的4～7倍，最初电机起动都是直接起动，然而随着工业的发展，电动机功率日渐增大，从最初的几千千瓦到如今四、五万千瓦，为了避免大型电机起动时对电网的冲击，影响到其他用电设备的运行，通常都会安装软起动装置。

软起动装置其主要功能是在电网容量一定的情况下，降低大型电动机起动的电流，减小电网波动；同时，电网的稳定性跟上级变压器的容量有关，在上级电网容量一定的情况下，变压器容量越大，电网短路容量也越大，即稳定性越强。然后，提高变压器容量，除了会造成一次性投资增加外，每月的基本用电费用也会上升，这是得不偿失的。所以选用合适的软起动装置，能降低变压器的投入，同时大幅减少每月基本电费，有效节约电能。

以下以一个实例具体分析软起动与变压器容量的关系。

二、实例数据参数

通过降补固态软起动装置在风机大电机起动系统中的应用情况,简要说明降补固态软起动装置的工作条件。

1、风机负载参数

现有高炉鼓风机组一套，具体参数如下：

负载类型：AV63 转子GD2：22074kg.m2

静阻力距：8000N.m 额定阻力矩：30000N.m

2、异步电动机参数

根据负载参数，选用电动机参数如下：

额定功率：18000kW 电压：10000V

最大转矩/额定转矩：1.83 堵转转矩/额定转矩：0.52

堵转电流/额定电流：4.1 定子电流：1179A

转速：1486r/min 电机转子转动惯量J：1493kg..m2

此时负载参数折算到电机端：

转子GD2：22074kg.m2静阻力距： 0.07Te

额定阻力矩：0.259Te

保证机端电压>62%Ue，即可满足起动要求。

3、电网条件

110KV出口短路容量按照1000MVA计算；

110KV/10.5KV变压器容量有以下几种规格：40MVA、31.5MVA、25MVA；短路阻抗按照10.5%计算；

10.5KV母线固有负荷2000KVA，功率因素按照0.9计算。

三、起动方案系统配置及技术参数

结合以上相关参数进行起动过程计算,并绘制等效电路图,进一步计算出降补固态软起动装置对起动电流、电压、时间及变压器容量的影响，与电机直接起动参数形成对比。

1、电机直接起动

1.1 系统方案

1）系统主回路如图1所示。

1.2 起动技术参数

1）等效电路及计算

使用降补固态软起动装置进行起动时，其等效电路如图2所示，其起动电流、电压等数据可由等效电路进行计算。根据等效电路，将电动机等效为一个简单的LR串联回路，根据电流-转速曲线可计算出不同转速时所对应的阻抗值。根据已知的电网参数，计算出系统阻抗，再由等效电路图，即可计算出起动时电机端电压、电流和网侧电压和电流。

图2 起动时等效电路图

2）计算结果

针对电网情况，保证起动要求，110KV/10.5KV变压器选用2台40MVA并联，计算得10KV侧短路容量为432MVA，起动计算如下：

表1 起动瞬间对应关键数据表

可以看出：网侧电流最大为3.54倍电机额定电流，起动电流较大；网侧电压在86%Ue以上；电机端电压为同网测电压。起动时间约为20秒，110KV/10.5KV变压器选用2台40MVA并联。

2、采用降补固态软起动装置起动

2.1 降补固态软起动系统方案

1）系统主回路如图3所示

根据现场情况，需配置进线柜PT柜，高压运行柜，高压起动柜，差动互感器柜，星点柜以及降补固态软起动装置，具体包括：无功控制柜、降压控制柜、降压器和无功发生器。起动时起动装置通过起动柜接入高压回路，起动完成后通过运行柜进行旁路。

2）一次系统配置如图4所示

2.2 降补固态软起动技术参数

图4 一次系统图

1）等效电路及计算

使用降补固态软起动装置进行起动时，其等效电路如图5所示，其起动电流、电压等数据可由等效电路进行计算。降压器用理想变压器和一个电抗进行等效计算，在本项目中，我们采用的降压器电压比为10000/7600，其短路阻抗值为0.164欧。无功发生器用理想电容进行计算，在本项目中，取其阻抗值为3.96欧。其余部分同上方案。

图5 起动时等效电路图

2）计算结果

针对电网情况，保证起动要求，110KV/10.5KV变压器选用25MVA，计算得10KV侧短路容量为192MVA，采用降补起动计算如下：

表2 起动瞬间对应关键数据表

可以看出：网侧电流最大为1.3倍电机额定电流，起动电流较小；网侧电压在89%Ue以上，电网电压波动较小；电机端电压为64.8%Ue以上，起动转矩大，从而保证能拖动风机迅速起动。

起动时间约为43秒，110KV/10.5KV变压器选用25MVA。

四、方案耗能对比分析

目前，国内电网用电实行“两部制电价”，就是将电价分为基本电价和电度电价两部分，计算电费时将按用电容量乘以基本电价和按电量乘以电度电价所得的电费之和作为总电费的计算办法。即：基本电价=用电容量×基本电价；电度电价=电度电量×电量电价；电费=用电容量×基本电价+电度电量×电量电价

用电容量：按受电变压器容量（即变压器容量）计取；按企业用电最大需量计取。计算时两者选其一。电度电量：即电度表计量的，每月按表读数。所以电费计算的主要差别在每月基本电费的计算上。经向供电公司了解：按受电变压器容量计取用电容量，则基本电价为 28元/KVA；按最大需量计取用电容量，则基本电价为 38元/KVA，若实际使用容量不足上报最大需量的40%时，按40%收取；超过最大需量则要加倍收取基本电费（超过按76元/ KVA）。

表3 投资成本核算 单位为万元

电机功率为19000kW，加上其他负荷1000KVA,每月最大需求为20000KVA。月基本电费按照变压器容量和最大需求量核算，两者选其一，实际按照投资最小方案选取。即选用紫色方案最为节省。上述分析可以得出：直接起动不仅一次性投资巨大，年基本电费也是最多；降补软起动性价比较高，可以减少总支出，节约电能。

五、结论

综上所述，安装软起动装置并运行1年能为电机起动费用节约272万元，为企业带来实际经济效益，响应了我国“十二五”规划中绿色发展，建设资源节约型、环境友好型社会要求。安装软起动装置减少变压器的一次性投资，同时大大降低了年基本用电费用。软起动装置运行过程中不产生谐波，无附加有功损耗，不影响电能质量。当然，对于电网系统来说，不仅仅只能通过软起动装置来达到节能减排，比如安装就地无功补偿，也可以提高电网功率因素和效率，也同样能带来节能的功效。所以在大型电网系统中合理安装电网优化装置，均能达到节能的效果，把资源节约和环境保护贯穿于生产、流通、消费、建设各领域各环节，提升可持续发展能力。