液态软起动器在高压电机与卧式轴流泵机组的应用研究

杨建国，朱毅阳，顾 振，郁 昊，杜治潮

(1. 扬州市工业技工学校，江苏扬州 225200； 2. 苏州市河道管理处，江苏苏州 225000；3. 江苏省江都水利工程管理处，江苏扬州 225200)



液态软起动器在高压电机与卧式轴流泵机组的应用研究

杨建国1，朱毅阳2，顾 振2，郁 昊2，杜治潮3

(1. 扬州市工业技工学校，江苏扬州 225200； 2. 苏州市河道管理处，江苏苏州 225000；3. 江苏省江都水利工程管理处，江苏扬州 225200)

介绍了液态软起动器在苏州市城市中心区防洪工程的低扬程卧式轴流泵机组配套使用情况，根据高压三相鼠笼型异步电动机起动基本理论和液态软起动器的结构特点，并结合卧式轴流泵在活水工程投运情况，分析了就地、远程自动化操作的相关技术及应用。

液态软起动；高压电动机；卧式轴流泵；应用技术分析

0 引言

2015年汛期，长江流域迎来强瀑雨，包括东风新枢纽在内的30多台机泵集中排涝运行，确保了城区防汛安全度汛。具体见表1所示。

表1 苏州城市中心区防洪工程一览表

东风新枢纽在原来开2台的基础上增开3台或4台，多次引起10 kV高压继电保护定值的过流速断保护动作。在起动瞬间即刻停机，直接影响正常运行。我们进行了现场调研，对有关情况进行检修，确保电机正常起动运行。

1 高压电动机起动技术

电动机在电网中从停止状态达到稳定运行状态的这一过程称之为起动。

1.1 全压起动的优点

起动设备比较简单，没有中间降压、限流过度环节，操作10 kV高压开关真空断路器就能开机运行。

1.2 全压直接起动的缺点

起动电流过大。以普通笼型三相异步电动机为例，起动电流IS=KIIN=(5-8)IN。起动电流正比于定子端电压，起动转矩正比于定子端电压的平方[1]。过大的起动电流对电网和设备都有不利影响，会造成电网电压降低，10 kV线路可能引起速断过电流、过电流、欠电压保护动作，导致设备跳闸，严重时会影响其它用电设备的正常运行，甚至有可能造成不堪设想的越级跳闸。过大的起动电流会使电机绕组快速发热，产生的电磁力同样很大，过高的温度和电磁力产生了极大的破坏力，加快其绝缘老化，从而影响电机使用寿命。突然的冲击转矩容易损坏与电机相连的联轴节或传动齿轮，造成设备非正常磨损和老化，影响设备精度，缩短其使用周期。

国家相关部门分别于1990年和1995年制定和修订了《三相异步电动机经济运行》(GB 12497—1995)的强制性国家标准。为节省能耗，提高设备利用率，延长设备使用周期，应采取软起动器进行软起动。

2 液态软起动的原理和结构

2.1 液态软起动原理

如图1所示的液态软起动器，将液体电阻串入电机定子回路中，取代传统的固定电阻值起动。2006年，东风新枢纽建站时就选择了GZYQ型液态软起动装置，高压开关柜电网电压10 kV，1QS是隔离开关，1QF是负荷开关， 液阻箱RS是水电阻，KM3为水阻开关，KM0为旁路开关，M为电机。

图1 液态软启动器简图

2.2 液态软起动装置

液态软起动装置的核心部分是液阻箱见图2，该部分包括箱体部分、传动部分和液阻液部分。

图2 液态软起动的液阻箱

将配置好的电解液放入采用耐压、耐腐蚀、高强度绝缘材料制成的箱体内。三相可靠绝缘，电极板为圆盘型，静极板与母排相连，初始电压为10%～50%连续可调，加速时间为1～30 s可调，限流为100%～400%IN可调。此时KM3闭合，电机开始起动。液态软起动器通过机械传动伺服装置带动动极板和母排另一端向下移动，使导电液体中两平行极板的距离逐渐减小直至零，从而实现分压、限流，电机转速随着液态电阻值的减小而平滑提升。A、B、C三相同步运行，当电动机转速逐渐平滑上升至额定转速，不会产生谐波， 减小了电流的冲击，达到无级软起动的目的，此时旁路开关KM0将水电阻短接，主机进入自动转为电网供电运行。

2.3 液态软起动的优点

改变电解液中导电介质的浓度来改变本身的电阻率，一般由厂方到现场配置电解碳酸氢钠溶液，电液箱也不密封，其可调范围很大。

2.4 液态软起动的液态电阻配置

液态电阻配置的参考公式如下：

东风新枢纽电机PN=250 kW，UN=10 kV，IN=18.5 A。

Rs=1.01UN/(1.73×2.9IN)=10 100/92.814 5=108.8 Ω

式中：Rs为每相电液配置的最大值；IN为电机额定电流；UN为电网线电压。

2.5 单相水电阻柜电解液的水电阻测量方法

将液体电阻的动极板移动至初始位置，测量液阻箱两极板间的电压差以及电流大小，液态电阻由公式R=U/I算出，如图3所示。

图3 液态电阻测试电路

2.6 液阻软起动的缺点

液阻限流，开启一次软起动后电解液通常会有10～30 ℃的温度上升，使软起动的重复性差；移动极板的一套伺服结构，移动速度较慢，难以实现起动方式的多样化；液阻软起动装置箱中的水需要定期补充，电极板长期浸泡于电解液中，表面会有一定的锈蚀，3～4 a需要作表面处理；一个电解液的水箱要承受10 kV的电压，对柜体的外壳要保持良好的绝缘，与电解液串联的真空接触器通断功况要可靠，否则会发生电解液加温热气象蒸笼，柜内有10 kV的电压容易引起爆炸。

3 影响卧式轴流泵起动电流因素分析

苏州枢纽泵站根据双相抽水的特点，扬程在2 m以内，采用的压力面和吸力面相同的对称翼型转轮双向竖井贯流泵装置[2]，改变电机电压的正反相序就可以使转轮在正向和反向均能高效运行。与立式轴流泵双相流道相比，具有投资少、效率高、经济适用、安全可靠。东风新枢纽采用双向S平面轴伸式轴流泵结构，水平躺在泵房的最底层，叶轮淹没在水下，水泵的进水流道的轴向中心线与出水流道的轴向中心线为同一条中心线，其叶轮中心高程都是在同一个高程上。

通过卧式轴流泵的资料，分析影响电动机起动电流的主要因素有：

与高压网电压有关；“活水”时与外、内河水位落差闸门止水有关；与机组安装轴瓦间隙，水泵、齿轮箱、电机传动灵活有关系；与直接起动和降压起动有关系。参照水位差的关系，直接起动的电流一般在5.8倍电动机额定电流，大约为5.8IN=5.8×18.5=107.3 A；现场采用液态软起动起动1号、2号电动机时从数字表观察到1号机为55 A，2号机为59 A。

4 自动化控制

全国泵站自动化控制始于水利部“948”项目，《江都抽水站机组监控关键技术》引进消化国外先进技术与设备，解决我国大型轴流转桨式水泵的自动化监控技术，以提高国内大型泵站的自动化水平，提高泵站的运行效益[3]。

所谓自动化就是实现鼠标开机，在电脑屏幕上选中冷却供水泵、油泵起动运行，通过鼠标点击合闸，选中上下游闸门、软起动器柜KM3真空接触器，点击正常同步开起，此刻打开闸门进出水、将定子线圈串入液态电阻进行无级起动。当起动电阻短路后，将KM0旁路真空接触器闭合，同时断开KM3，Rs起动电阻由伺服结构反转恢复到原来起动位置，进入正常运行。除上述远程开机还有就地手动操作保证设备正常运行，实现了“无人值守，少人值班”。

东风新枢纽监控系统包括主站级计算机及现地控制单元级LCU设备，软起动器由PLC集中采集装置、控制开关、极板限位、液位异常、温度显示等，对短路、过载、缺相、起动超时、起动过流、欠电压、过电压、系统异常等故障出现后作出相应的保护并发出报警信号。

5 结语

我们通过教学和工作实践，结合液态软起动器降压原理，开展了高压鼠笼型异步电动机双向S平面型卧式轴流泵系统节能起动。有效抑制了电机的起动电流，在一定时间内保证电机均匀升速达到额定转速，无级切除，实现了软起动；提高了电网的利用率和延长了机电设备使用周期。采用PC上位机与PLC监控技术配合，在控制室点击鼠标实现软起动器进行正常起动，具有规范的操作和显著的经济意义。

[1]李学炎.电机与变压器[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2001: 61-71.

[2]汤方平，刘超，王国强，等.平面S型流道双向轴流泵装置水力模型研究[J].北京：农业机械学报，2003.34(6)：50-53.

[3]汤正军，江都水利枢纽志[M].南京：河海大学出版社，2004：70-71.

李娜，女，1982年生，工程师，本科，主要从事水轮发电机组自动化设计工作。