自耦变压器和电容组合启动方式探讨

摘要：目前，大型高压电机的应用非常广泛，但由于电网容量的限制，大型电机无法直接启动。自耦变压器和电容器是最经典、最常用的启动方式，但因电网和投资的限制，应利用自耦变压器与电容器组合的启动方式，有效拓宽自耦变压器启动装置的应用范围。文章通过工程实例来说明自耦变压器和电容组合启动方式的实际应用效果及前景。

关键词：大型高压电机；软启动装置；自耦变压器；电容器；无功功率 文献标识码：A

中图分类号：TM411 文章编号：1009-2374（2015）27-0080-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.27.042

自耦变压器由于具有最简单、最可靠、最经济的特性，成为大型高压电机启动方式的首选。但是在实际应用中经常会遇到较苛刻的电网条件，使得单一的自耦变压器降压启动遇到困难。在这种情况下以往只能选择变频软启动装置解决，而变频器软启动装置结构复杂、维护困难、造价很高，且对于不调速电机变频器的作用并不能充分发挥，浪费严重。电机异步启动过程中需要从电网获取大量的无功，如果启动时能额外提供给电机无功功率，使其减少从电网上吸收无功功率，从而减小对电网的影响，满足启动要求。而电容器的特性就是为电网提供无功功率，只要将电机、自耦变压器与电容器组合匹配，就能较好地实现苛刻电网条件下的电机启动。

1 自耦变压器降压启动方式

自耦变压器一直以来是最广泛的大型高压电机启动装置之一。启动时，首先自耦变星点断路器3QF合闸，使自耦变接线完整。然后电机运行柜断路器1QF合闸，电机得电启动。当电机电流下降到一定值时，开始投全压，同时旁路自耦变压器步骤。首先3QF断路器分闸，自耦变压器星点打开，随即2QF断路器合闸，启动完成。在投全压前，自耦变压器星点必须先打开，此时自耦变压器有一部分绕组以电抗器形势串入电机启动回路，到2QF断路器合闸，自耦变被旁路这段短短时间内，该部分绕组将承受很大的电流及电动力，是自耦变设计时必须重点考虑的问题。

2 自耦变压器加电容器启动方式

自耦变压器加电容器的启动方式有两种接线方式：电容器加在母线侧，即补偿电容器直接加在母线上，在自耦变压器一次侧，电机回路为传统的自耦变压器启动接线方式；电容器加在电机侧，即电容器与电机并联，加在自耦变压器的二次侧。两种方式各有优劣。

2.1 电容加在母线侧

电容加在母线侧的接线方式如图1所示：电容器与电机启动回路分开，当启动时，4QF断路器首先合闸，将电容器投入，然后再按照常规启动自耦变压器启动方式投切开关启动电机。电容器可在启动过程中初步切除（当有多组电容器并联时），也可在启动完成后切除。

该接线方式的优点：电容器与电机回路独立，直接挂在母线下，在特殊情况下可作为系统无功补偿装置使用，用于提升系统的功率因数；旁路柜电缆接线少，便于接线施工。

该接线方式的缺点：由于启动大型电机前一般在有条件的情况下会上调母线电压，而该接线方式下电容器会先投入电网运行，将会进一步提高电网电压，有时甚至会超过110%额定电压，给系统造成一定危害；由于电容器先投后切容易发生过电压，使得对电容器本身的要求会更高。

2.2 电容加在电机侧

电容加在电机侧的接线方式如图2所示：电容器与电机并联接在自耦变压器的副边，启动前先合4QF断路器，将电容与电机并联，而不需要先投入电网。启动时其余断路器动作顺序与常规自耦变压器启动方式一致。在启动过程中可根据电机电流或母线电压情况逐步切除电容器。在启动过程中电容与电机可视为一个系统，电机启动所需的一部分无功直接从电容吸收，不需要经过母线及自耦变压器，等效于电机的启动容量减小。

该接线方式的优点：电容不需要提前投入电网，因此启动前不会产生补偿电容将母线电压抬高的情况；电容、电机并联同时投入，等效电机启动容量减小，减小对自耦变压器及电网冲击；由于不会产生额外高电压，电容器不会发生过压，对电容器要求相对较低。

该接线方式的缺点：旁路柜除自耦变压器抽头、电机外，还需要连接电容器，使得电缆室电缆较多，对安装会超成一定影响。

除同步机外，大型异步电机的功率因数普遍较高，且实际应用中启动时需补偿的电容量远大于系统无功补偿所需的电容量，因此电容器挂电机侧的接线方式更适合大型高压电机的启动。

3 应用实例

张家港永钢集团配套6万空分（下称项目A）与张家港沙钢集团配套6万空分（下称项目B）空压机均使用同一型号ABB公司28000kW同步电机作为主要驱动力，且两个项目均使用63000kVA供电。项目A电机采用自耦变压器降压启动，项目B电机采用自耦变压器加电容器

启动。

项目A使用110/10.5-63000kVA主变带动28000kW电机，10kV侧短路容量为390MVA。一次回路如图3所示。根据基本公式，及变压器阻抗折算公式，计算系统各部分等效阻抗，从而可以计算出电机启动时的电网压降。按母线电压10kV，自耦变压器80%中间抽头计算，母线电压将降至约8.4kV为84%额定电压，压降16%；启动前上调母线电压至10.75kV，启动瞬间母线电压降至8.57kV，为额定电压85.7%，母线侧电流3832A，其压降达到了20.3%。

项目B分别使用两台35/10.5-63000kVA主变各带动一台28000kW电机，35kV侧最大短路电流为27.5kA。经计算10kV母线短路容量与项目A相近，采用自耦变压器80%抽头计算，启动压降也与项目A相近。结合项目电机启动数据，用自耦变压器启动对电网冲击过大。

为减小冲击，并降低投资成本，在比较变频软启动、晶闸管软启动等后，项目B决定采用自耦变压器加电容启动方式，分组补偿电容15MVAR。两台28MW电机采用自耦变压器加电容器一拖二启动方式，一次回路如图4所示：

启动前母线电压上调至10.5kV，80%自耦变压器抽头。启动瞬间母线电压降至9.1kV到91%额定电压，压降13.3%。启动冲击明显减小，启动性能改善明显。

4 结语

在电网条件较苛刻的应用环境中，在电网侧增加补偿电容器的可以有效地改善了自耦变压器的启动特性，同时也大大减小对电网的冲击，并且具有简单、可靠、免维护等优点。自耦变压器配上相应的补偿电容器，能较好地启动大型电机，可有效地取代部分变频器软启动，大大降低投资成本，并减少设备维护量，有着巨大的推广应用价值。

参考文献

[1] 《钢铁企业电力设计手册》编委会.钢铁企业电力设计手册[M].北京：冶金工业出版社，2008.

作者简介：孙彬（1978-），男，浙江杭州人，浙江外企德科人力资源服务有限公司工程师，研究方向：空分装置的配电设计和现场调试。

（责任编辑：黄银芳）