大型高压电动机热变电阻软起动装置
【摘要】介绍了高压热变电阻软起动装置的工作原理、起动特性及应用。该产品主要用于大型电动机的降压软起动，与自耦变压器相比，它具有起动电流小且恒定、母线压降低、功率因数高等优点；与高压变频软起动器相比，它具有性价比高、无高次谐波等优点。该产品已在13500kW高压同步电动机的降压软起动上得到成功应用。
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关键词：大型电动机 高压热变电阻器 软起动
一、概述
随着冶金、化工、石油、石化等产业规模和单机容量的不断增加，大型高压电动机的应用也越来越多，而电力系统容量并未同比增加，这样大型高压电动机的软起动问题就作为一个重要的课题被提出，各种各样的软起动技术应时而生。高压热变电阻降压软起动技术是其中最重要的也最成功的技术之一，已逐步为市场所接受。本文着重介绍高压热变电阻技术及其在大型高压电动机软起动上的应用，并对该技术的技术现状展望作了简单介绍。
二、热变电阻原理
说到热变电阻器，人们很容易想到温度敏感电阻等，其实，在我们目前所能掌握和使用的电阻材料中，不管是靠自由电子导电的金属材料，靠游动离子（团）导电的气体或液体材料，还是靠自由子或空穴作为载流子导电的半导体材料，它们的导电特性均受温度变化的影响。金属电阻材料的电阻特性一般呈正温度系数特性变化，而半导体材料的电阻温度特性是负温度特性。今天所要谈到的热变电阻，它是一种液体材料，一种电解质的水溶液。
众所周知，电解质溶入水后，发生电离，形成自由可游动的阴、阳离子，这些阴、阳离子在电场的作用下，作为载流子定向移动形成电流，在外加电场强度恒定的情况下，电流的强弱取决于载流子（阴、阳离子）的多少。所以，在电解液浓度一定的情况下，电阻的大小和电解度有关。
电解质在水中的电离是比较复杂的，离子存在的形式也多种多样，有单个阴、阳离子存在，也有多个阴、阳离子与水分子等吸附在一起形成离子团。离子团的存在是影响电解液导电的一个重要因素，它使很多单体离子失去独立的载流作用。
离子团的存在受温度的影响，当温度逐步升高时，离子团破裂，释放出单体自由离子和小离子团，液体导电能力增强，电阻率逐步降低，呈现明显的负温度特性。当温度达到一定值时，离子团完全变成自由离子，电解质完全电离，此时液体电阻率降到最低。在一定温度范围内，电解质的溶液的这一变化是可逆的，即当温度逐步降低，自由离子逐步相互吸附成团，则液体电阻率逐步升高。
这种电解液体有以下明显的特点，可以利用：
1、导电体为液体材料，可以流动，可以自循环，可以根据需要制成各种导电结构形状，可大可小；
2、水溶液比热率大，因而可以根据需要制成各种大容量电阻器；
3、具有明显的负温度电阻特性；
4、物理－化学性质稳定，重复性强，耐久性好，性能稳定；
5、成本低廉，不消耗贵重金属；
6、属绿色环保产品，无三废排放。
因为有上述显著特点，使得电解液体有广泛的应用，我公司开发的用于高压大型电动机降压起动的高压热变电阻器就是其重要应用之一。
三、高压热变电阻软起动装置
高压起动热变电阻器是我公司利用上述理论解决大型高压电动机的软起动问题而开发的新产品－高压大容量热变电阻器。它由液箱、热敏电解液、电极及导流机构组成。
将该电阻器串入电动机的三相定子回路中，实现电动机降压起动。当电动机起动时，电机的定子电流流过热变电阻器从而使电阻体发热，温度逐步升高，电阻逐步降低，在电机起动电流基本恒定的情况下，电动机端电压逐步升高，从而使电机起动转矩逐步增大，实现电动机的平滑起动。
热变电阻的温度变化特性，附加导流机构对电阻变化曲线的修正，使得电阻的变化过程与电动机起动过程的等效端电阻变化过程相互补充，使电机在起动过程中，回路总阻抗接近不变，从而使得电机的起动过程电流小且恒定，COSф高且恒定。
热变电阻的导流机构的另一个作用就是当电机起动完毕，该机构快速将高温导电液体导出，使有效电阻区域内的液体温度快速降到常温，以迎接下次起动，以保证连续起动时的性能重复性。
采用高压热变电阻器降压起动的电动机有以下显著的起动特性：
1、恒电流软起动特性。
在电机起动过程中，电流基本保持不变，数值在2.5Ie以下，且有显著的软起动特性；
2、起动过程中系统功率因数高且接近恒定。
一般采用热变电阻降压起动的电动机系统功率因数都在0.8以上，且整个起动过程接近于恒定不变的；
3、母线压降低。
由于上述1、2特性，使电机起动对电力系统的影响降到最低，母线压降在5%左右；
4、起动平稳无冲击。
电机的起动转矩由小到大逐步增高，因而使机械设备起动平稳，无冲击、无啸叫声，且机械能平稳越过谐振转速，使设备免受伤害。
四、应用介绍
在石油、石化工业领域，有大量的注水泵、空压机、风机、挤压机等机械设备使用，这些设备大多采用大型高压异步电动机或同步电动机驱动，就目前市场调查情况来看，绝大多数高压电机采用直接起动方式，电机起动对电网冲击很大，对机械系统寿命影响也非常严重；极少数特大型电动机采用高压变频软起动，投资非常大。
高压热变电阻器作为大型电动机降压软起动装置已在国内十多家石油石化企业得到试用或应用，并取得了理想的应用成果，如兰州石化总公司，新疆独山子石化公司，陕西榆林炼油厂，新疆塔中油田，湖北省宜化化工股份公司，九江石化等等，以下就具体实用案例给予分析。
案例一
新疆独山子石化公司乙烯丁的3200kW挤压机，该设备起动受负载停机状态影响，阻力矩分散性较大，转动惯量少。电机堵转电流较大，起动时对电网的冲击较严重，因此不能直接起动。
该电机原始数据为：功率3200KW，电压6000V，额定电流为360A，堵转电流为6倍额定电流。考虑到该设备起动阻力矩的分散性，设计采用高压热变电阻降压软起动时，设计起动电流值为4.5倍。现场安装调试时，根据实际情况作了适当调整，电阻初值调整为1.8Ω，起动电流为1407A。约为3.9倍额定电流，起动时6KV母线电压由6150V降到5884V，母线压降约合5%，起动时间为4S，热变电阻器起动温升为2℃/次。起动效果满足设计要求，很好地解决了电机起动对电网冲击问题。图一为电机起动电流曲线和母线电压曲线。
因为该挤压机为新设备，过去没有应用经验，所以在设计和调试时留有相当大的保守裕量，实际运行一段时间后，根据情况可作适当调整，起动电流预计可调整到3倍左右，这样对电网的影响就更小了，也能更好地保护机械设备免受起动冲击，延长使用寿命。
案例二
陕西榆林炼油厂，有三台3800KW的高压电机，分别拖动两台风机和一台压缩机，电机参数为10000V，3800KW，额定电流为263A。原设计为直接起动，经计算分析，认为直接起动进对电网冲出严重，可能会对在用电设备造成影响。后改设计为高压热变电阻降压起动方式，两台风机共用一台高压热变电阻器，空压机单独用一台高压热变电阻器，10月20日三台电机安装完毕并进行调试和起动。风机的起动电流为682A，是额定电流的2.6倍，起动时间为30S；压缩机起动电流为720A，合2.73倍额定电流，起动时间30S。在整个起动过程中，电流保持恒定，起动完毕时，电流降到额定电流的30%左右，这时切除热变电阻器，没有任何冲击。现场10KV母线电压在起动时的压降在5%以内，性能和技术指标达到设计要求。
五、社会效益
高压热变电阻器的研制成功，尤其是超大容量产品的成功研制和产业化的实施，为我国大型电动机的起动提供了一种既经济又可靠的起动方式选择方案。
(一)、节约一次性投资和维护费用
1、高压热变电阻器本身造价低廉，控制系统简单，总体直接投资在高压大型电机的各种起动方案中是最经济的一种方式，尤其比起进口的变频起动器来说更显价格优势，只是同性能进口设备的1/10~1/8。
2、采用高压热变电阻器起动方式，可以大大降低电机起动时电力系统的要求，从而可以节约大量的一次性电力增容方面的固定投资。
3、节约长期技术性投资
a、该方案理论成熟，结构简单，性能稳定、运行可靠、基本免维护。
b、一般技术工人经过简单培训之后就可以满足使用和维护的需要。
（二）、节能
1、如前所述，采用该起动方案，大大降低电机起动对电力系统的要求，从而可保护电力变压器选用运行始终在经济运行区，从而降低电力变压器运行损耗，节约运行费用。
2、由于传统的电机起动方案存在许多技术问题，比如在起动时，易烧电机、易造成电网压降大，影响邻里运行，或都谐波严重等等，从而使电机起动成为一个难于克服的难题，因而很多企业在停机检修期间，宁愿让电机空转，浪费大量电能，也不愿面对电机起动难题。
采用热变电阻降压起动方案，使电机起动变成一件非常普通的事，电机可随时起随时停，从而可以从技术保障方面节约大量电能。
如果年使用电机容量100万KW以上，平均节电率为3%，则年节电量为2.2亿KWh，效益非常乐观。
五、与变频软起动的比较
高压变频软起动方案，代表着大型电动机软起动技术的发展方向。近年来取得了很大成就，相对热变电阻降压起动方案而言，具有明显的技术先进性，这一点不可置疑。但从实用性经济角度来说，高压变频软起动方案属于一种过于奢侈的技术方案，由于它所面对的用户一般具备以上特点：
1、不频繁起动，一般每年起动1~2次；
2、对可靠性要求很高，关键时必须一次成功（比如高炉风机）；
3、万一发生故障，解决问题的技术难度越小越好，时间越短越好。
面对上述要求，高压变频并不具备充分的竞争强势，首选，为解决一年一次二次起动而花费数百万元，其经济性易遭到质疑；况且使用维护费用也很高。其次，高压变频软起动技术含量高，技术难度自然就很大，相对而言，其驾驭性也就较差，包括使用维护及故障处理等对技术人员的技术素质要求高，用户一般不具备驾驭能力。第三，事故处理周期较长。
高压热变电阻降压起动与变频软起动性能对比：
序号 性能指标 高压热变电阻软起动装置 变频软起动器
1 起动电流 2.5~3 Ie ≤Ie
2 起动时系统功率因数COSф≈0.8 0.9
3 母线压降 <7%
4 起动时间 <35S 60~120S
5 控制方式 自然起动 开环/闭环自动控制
6 谐波 不产生任何高次谐波 有高次谐波产生
7 应用领域 轻载及轻重载
8 海拔高度 ≤1000m ≤1000m
9 环境温度 0~40℃ 0~40℃
10 允许连续起动 3次或累计不超过120s 可连续
11 单位投资 50~70元/kW 500元/kW
12 使用维护 简单可靠免维护 维护工作量大
六、高压热变电阻技术现状及发展展望
高压热变电阻器用于电机起动，始于1997年7月；
1999年成功地在2000KW电机上使用成功；
2000年成功开发出用于4500KW电机起动的产品；
2001年成功开发出用于5600KW电机起动的产品；
2002年用于13500KW电机起动的高压热变电阻器在山西海鑫钢铁公司5号高炉一次性试车成功。这一成功为高压热变电阻器向超大容量方向发展垫定了基础，提供了理论和实践依据，适用于20000KW、30000KW甚至更大电机起动的热变电阻器的产生和应用指日可待。
科学的过程就是不断征服难题，勇攀高峰的过程，希望广大国人多给予支持，媒体多给予关注，各级政府多给予重视，使该技术进一步产业化、造福国人，为民族工业的发展作出贡献！
参考文献：
1、《HTR31-15000/10高压热变电阻器检测报告》
---天津发配电及电控设备检测所国家电控配电设备质量监督检验中心 2002年5月23日
2、《新疆独山子石化总公司乙烯厂3200KW挤压机安装设计报告》
---襄樊大力公司技术服务科 李俊
新疆独山子石化乙烯厂 王秦川 谢新
3、《陕西榆林炼油厂3800KW风机、压缩机起动调试报告》
--- 襄樊大力工业控制有限责任公司技术服务科 尉志新
陕西省榆林炼油厂 杨志刚 杨又平
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