同步电动机启动失败的原因分析

王德成 范卫民 常建贤

摘要：本文简单介绍了同步电动机的启动方式，通过对同步电机启动失败实例的分析，提出了确保成功启动的改进措施。

关键词：同步电动机；启动；分析；措施

1.同步电动机的启动

高压同步电动机除早期采用的液力耦合器启动方式外，目前采用的启动方法有三种：辅助电动机启动法、调频启动法、异步启动法。综合分析技术、投资、启动可靠程度和现场应用实践等因素，最常用的启动方式是异步启动[1]。异步起动方式是指先接人定子电源开始起动，当转速达到准同步速度（即同步转速的95%）及以上时，切除降压电阻投入励磁，使电机由准同步运行至额定同步转速，完成启动过程。考虑到启动时的电流冲击和机械冲击，工程上较多采用自耦变压器、液态电阻（本文主要指水电阻）、电抗器等限流降压启动技术。

在某企业生产流程中采用同步电动机作为大型空气压缩机的驱动设备，运用液态电阻启动方式。本文就该种启动方式在运行中无法正常启动的过程进行分析和探讨。

2.空压机12100kW驱动电机启动实例

2.1启动电源及启动对供电系统的要求

电动机供电回路如图1：《空气压缩机供电系统图》。

设计空气压缩机带叶轮启动对供电系统的要求为：启动容量200-250MVA，启动电流（3.2-3.5）Ie（电动机额定电流），堵转电流3.5 Ie，启动电压6.1-6.3kV，采用定子回路中性点串联液态电阻降压启动，启动前初始水电阻阻值为6.1 kV时0.75-0.82Ω，6.3 kV时0.78-0.86Ω。电动机使用无刷励磁装置，励磁柜具有励磁控制、电机启动和运行、主电机保护等功能。

2.2启动过程及现象

某日空压机按生产安排开机，图1中40000kVA变压器未投运，按下空压机启动按钮，18秒后主电机励磁柜连锁保护跳闸，励磁柜PLC显示信息为“同步电机转速监测跳闸”。现场人员对该空压机导叶等重点部位及启动参数进行了检查，未见异常。电气人员将启动过程的数据与过去启动成功的实测数据进行了对比分析，认为启动不成功是供电母线电压较低，启动电流值偏小，造成主电机启动在18秒内没有达到75%额定转速发出跳闸信号。记录电流数据如表1：

调整63000kVA变压器有载开关，将电动机运行母线电压调至6.2kV后再次启动，再次跳闸，现象同第一次。再次安排人员对机械和电气回路及设备进行了详细的检查，仍未见异常。通过对第二次启动电流数值与初次成功启动值比较，偏小，认为启动电流偏小的原因可能是液态电阻值不满足要求。随即测量启动回路的水电阻阻值如表2。实测值与水电阻初始阻值比较确实发生了变化，于是将水电阻阻值调整到表2所列初始的阻值后，第三次启动，50秒后励磁柜连锁保护跳闸，励磁柜PLC显示信息为“同步电机启动电流超时跳闸”。

3.启动过程分析

根据同步电机的启动特性，电机能否启动关键在于启动时异步力矩能否克服机组阻力矩。异步力矩的产生及强弱，取决于供电电源电压和电流。依据电机启动时电流及力矩关系得知，启动时电压降系数是决定电机启动的重要因素。电压降系数的大小取决于为电动机供电的供电系统的容量和启动回路的阻抗[2]。

实例中启动过程中微机综合保护装置的电流和电压变化曲线及数值显示，启动失败均是电动机保护动作跳闸所致，电动机保护动作是正确的。排除机械部分影响电机启动的各类因素，仔细分析前两次启动过程的数据和启动电流电压曲线后我们发现电机跳闸前启动过程中的电流变化是不一样的，启动失败的主要原因是引起启动电流变化的启动回路的液态电阻和供电系统。

3.1液态电阻阻值对启动的影响

定子侧串入液变电阻本质上属于降压起动，也就是提高电压降系数。对于大功率高压笼型同步电动机而言，在电网短路容量及变压器容量不是足够大或瞬时机械冲击过大时，是最佳起动方式之一。对液态电阻的组成、工作原理和运行维护要求进行分析得知液态电阻的阻值又受温度的影响较大，其电化学性能与导电介质的稳定性、电液的发热、散热与液箱容积、电液阻值变化的三相平衡性、极板运动及限流响应速度等都将影响电机的启动过程。

分析启动不成功的过程，发现液态电阻阻值的变化对启动电流的变化影响较大。实例中启动前的液态电阻的初始值明显与历史上成功启动时的值不同，说明液态电阻已经发生了大的变化，现场人员凭经验认为没有变化。因此，主要原因应是与上次启动之间间隔时间近三个月，液态电阻受温度、极板腐蚀和自然蒸发等影响，初始阻值发生了变化，不能满足设计的要求。

3.2供电系统对启动的影响分析

从图1中可看出，电机启动时供电方式有三种：单台63000kVA主变供电、单台40000kVA主变供电、两台主变并联供电。图2為电机启动回路的等效阻抗图。假设为电动机供电的6kV母线短路，在110kV系统大、小运行方式下及电抗器投入和退出时，分别计算三种供电方式下6kV母线的短路容量如表3。

从表3的计算看，在系统小方式下，40000kVA主变供电方式和63000kVA主变投入的方式系统容量很难满足电机启动的要求；两台主变并联，系统的短路容量都能满足电机启动对系统容量的要求，但一旦出现系统电压偏低、回路阻抗变化或负载轻微变化，有可能造成启动不成功。同时可知，各种方式下启动时对启动过程的保障程度是不同的，供电方式的变化对电机启动的成功率影响较大。

在实例中，第一次启动前，适逢供电系统最近的一台150MW发电机检修停运，系统电压与前偏低，供电系统条件接近小方式下单台63000kVA主变供电，存在启动不成功的可能性。实践中采用两台主变并列运行的方式为电机提供启动电源，电机单体启动正常，启动时间47s，启动瞬间母线电压5.77kV，电流3393kA 。与空压机联机启动一次成功。

4.结论及启示

通过上述同步电动机启动失败的案例分析，认为同步电机启动不成功的主要原因应是液态电阻阻值变化和供电系统容量不满足启动条件。由此我们得出如下启示：

（1）大型同步电动机在设计时要进行供电系统各种可能的运行方式下短路容量的计算，使供电回路充分满足启动容量的要求。

（2）液态电阻受环境和运行时间的影响较大，在每次电机启动投运前要测试阻值，并调整，确保达到初始要求的值；对厂家提供的“3-5年不检修，仅适量加水”的维护要求要慎重对待。

（3）目前运用的液态电阻启动方式大多是按启动时间由PLC控制和调整极板，从而调整启动电阻来满足电机启动过程中对启动电流的要求，每次启动过程不完全相同。再次启动前要对每次启动过程的数据和电流波形分析，启动条件做些适当的调整，确保一次启动成功。

（4）电机启动前，技术人员要检查供电系统的条件能否满足设计的启动技术要求，重点关注母线电压、上级变电所的运行方式，必要时申请调整运行方式。

参考文献：

[1]宋吉祥.大型同步电动机异步起动过程中故障原因分析.中国新技术新产品，2013（2），111

[2]《钢铁企业电力设计手册》编委会.钢铁企业电力设计手册，下册.冶金工业出版社，北京，1996.1

[3]罗一钟.高压液态电阻软起动装置在大型同步电动机的应用. 煤矿机电，2008（4），104-105

[4]吉文清，何美华.电动机液态电阻软启动器在矿渣粉磨系统中的应用.中国非金属矿工业导刊，2010（6），37-38.

作者简介：

王德成（1966—），男，工程学士，高级工程师，从事企业供配电的技术和管理等方面的研究。

范卫民（1975—），男，工学学士，工程师，从事企业供配电的技术和管理工作

常建贤（1991—），男，绥化学院电气工程学院，在校学生。