大型高壓電動機熱變電阻軟起動裝置
【摘要】介紹了高壓熱變電阻軟起動裝置的工作原理、起動特性及應用。該產品主要用于大型電動機的降壓軟起動，與自耦變壓器相比，它具有起動電流小且恒定、母線壓降低、功率因數高等優點；與高壓變頻軟起動器相比，它具有性價比高、無高次諧波等優點。該產品已在13500kW高壓同步電動機的降壓軟起動上得到成功應用。
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關鍵詞：大型電動機 高壓熱變電阻器 軟起動
一、概述
隨著冶金、化工、石油、石化等產業規模和單機容量的不斷增加，大型高壓電動機的應用也越來越多，而電力系統容量并未同比增加，這樣大型高壓電動機的軟起動問題就作為一個重要的課題被提出，各種各樣的軟起動技術應時而生。高壓熱變電阻降壓軟起動技術是其中最重要的也最成功的技術之一，已逐步為市場所接受。本文著重介紹高壓熱變電阻技術及其在大型高壓電動機軟起動上的應用，并對該技術的技術現狀展望作了簡單介紹。
二、熱變電阻原理
說到熱變電阻器，人們很容易想到溫度敏感電阻等，其實，在我們目前所能掌握和使用的電阻材料中，不管是靠自由電子導電的金屬材料，靠游動離子（團）導電的氣體或液體材料，還是靠自由子或空穴作為載流子導電的半導體材料，它們的導電特性均受溫度變化的影響。金屬電阻材料的電阻特性一般呈正溫度系數特性變化，而半導體材料的電阻溫度特性是負溫度特性。今天所要談到的熱變電阻，它是一種液體材料，一種電解質的水溶液。
眾所周知，電解質溶入水后，發生電離，形成自由可游動的陰、陽離子，這些陰、陽離子在電場的作用下，作為載流子定向移動形成電流，在外加電場強度恒定的情況下，電流的強弱取決于載流子（陰、陽離子）的多少。所以，在電解液濃度一定的情況下，電阻的大小和電解度有關。
電解質在水中的電離是比較復雜的，離子存在的形式也多種多樣，有單個陰、陽離子存在，也有多個陰、陽離子與水分子等吸附在一起形成離子團。離子團的存在是影響電解液導電的一個重要因素，它使很多單體離子失去獨立的載流作用。
離子團的存在受溫度的影響，當溫度逐步升高時，離子團破裂，釋放出單體自由離子和小離子團，液體導電能力增強，電阻率逐步降低，呈現明顯的負溫度特性。當溫度達到一定值時，離子團完全變成自由離子，電解質完全電離，此時液體電阻率降到最低。在一定溫度范圍內，電解質的溶液的這一變化是可逆的，即當溫度逐步降低，自由離子逐步相互吸附成團，則液體電阻率逐步升高。
這種電解液體有以下明顯的特點，可以利用：
1、導電體為液體材料，可以流動，可以自循環，可以根據需要制成各種導電結構形狀，可大可小；
2、水溶液比熱率大，因而可以根據需要制成各種大容量電阻器；
3、具有明顯的負溫度電阻特性；
4、物理－化學性質穩定，重復性強，耐久性好，性能穩定；
5、成本低廉，不消耗貴重金屬；
6、屬綠色環保產品，無三廢排放。
因為有上述顯著特點，使得電解液體有廣泛的應用，我公司開發的用于高壓大型電動機降壓起動的高壓熱變電阻器就是其重要應用之一。
三、高壓熱變電阻軟起動裝置
高壓起動熱變電阻器是我公司利用上述理論解決大型高壓電動機的軟起動問題而開發的新產品－高壓大容量熱變電阻器。它由液箱、熱敏電解液、電極及導流機構組成。
將該電阻器串入電動機的三相定子回路中，實現電動機降壓起動。當電動機起動時，電機的定子電流流過熱變電阻器從而使電阻體發熱，溫度逐步升高，電阻逐步降低，在電機起動電流基本恒定的情況下，電動機端電壓逐步升高，從而使電機起動轉矩逐步增大，實現電動機的平滑起動。
熱變電阻的溫度變化特性，附加導流機構對電阻變化曲線的修正，使得電阻的變化過程與電動機起動過程的等效端電阻變化過程相互補充，使電機在起動過程中，回路總阻抗接近不變，從而使得電機的起動過程電流小且恒定，COSф高且恒定。
熱變電阻的導流機構的另一個作用就是當電機起動完畢，該機構快速將高溫導電液體導出，使有效電阻區域內的液體溫度快速降到常溫，以迎接下次起動，以保證連續起動時的性能重復性。
采用高壓熱變電阻器降壓起動的電動機有以下顯著的起動特性：
1、恒電流軟起動特性。
在電機起動過程中，電流基本保持不變，數值在2.5Ie以下，且有顯著的軟起動特性；
2、起動過程中系統功率因數高且接近恒定。
一般采用熱變電阻降壓起動的電動機系統功率因數都在0.8以上，且整個起動過程接近于恒定不變的；
3、母線壓降低。
由于上述1、2特性，使電機起動對電力系統的影響降到最低，母線壓降在5%左右；
4、起動平穩無沖擊。
電機的起動轉矩由小到大逐步增高，因而使機械設備起動平穩，無沖擊、無嘯叫聲，且機械能平穩越過諧振轉速，使設備免受傷害。
四、應用介紹
在石油、石化工業領域，有大量的注水泵、空壓機、風機、擠壓機等機械設備使用，這些設備大多采用大型高壓異步電動機或同步電動機驅動，就目前市場調查情況來看，絕大多數高壓電機采用直接起動方式，電機起動對電網沖擊很大，對機械系統壽命影響也非常嚴重；極少數特大型電動機采用高壓變頻軟起動，投資非常大。
高壓熱變電阻器作為大型電動機降壓軟起動裝置已在國內十多家石油石化企業得到試用或應用，并取得了理想的應用成果，如蘭州石化總公司，新疆獨山子石化公司，陜西榆林煉油廠，新疆塔中油田，湖北省宜化化工股份公司，九江石化等等，以下就具體實用案例給予分析。
案例一
新疆獨山子石化公司乙烯丁的3200kW擠壓機，該設備起動受負載停機狀態影響，阻力矩分散性較大，轉動慣量少。電機堵轉電流較大，起動時對電網的沖擊較嚴重，因此不能直接起動。
該電機原始數據為：功率3200KW，電壓6000V，額定電流為360A，堵轉電流為6倍額定電流�？紤]到該設備起動阻力矩的分散性，設計采用高壓熱變電阻降壓軟起動時，設計起動電流值為4.5倍�，F場安裝調試時，根據實際情況作了適當調整，電阻初值調整為1.8Ω，起動電流為1407A。約為3.9倍額定電流，起動時6KV母線電壓由6150V降到5884V，母線壓降約合5%，起動時間為4S，熱變電阻器起動溫升為2℃/次。起動效果滿足設計要求，很好地解決了電機起動對電網沖擊問題。圖一為電機起動電流曲線和母線電壓曲線。
因為該擠壓機為新設備，過去沒有應用經驗，所以在設計和調試時留有相當大的保守裕量，實際運行一段時間后，根據情況可作適當調整，起動電流預計可調整到3倍左右，這樣對電網的影響就更小了，也能更好地保護機械設備免受起動沖擊，延長使用壽命。
案例二
陜西榆林煉油廠，有三臺3800KW的高壓電機，分別拖動兩臺風機和一臺壓縮機，電機參數為10000V，3800KW，額定電流為263A。原設計為直接起動，經計算分析，認為直接起動進對電網沖出嚴重，可能會對在用電設備造成影響。后改設計為高壓熱變電阻降壓起動方式，兩臺風機共用一臺高壓熱變電阻器，空壓機單獨用一臺高壓熱變電阻器，10月20日三臺電機安裝完畢并進行調試和起動。風機的起動電流為682A，是額定電流的2.6倍，起動時間為30S；壓縮機起動電流為720A，合2.73倍額定電流，起動時間30S。在整個起動過程中，電流保持恒定，起動完畢時，電流降到額定電流的30%左右，這時切除熱變電阻器，沒有任何沖擊�，F場10KV母線電壓在起動時的壓降在5%以內，性能和技術指標達到設計要求。
五、社會效益
高壓熱變電阻器的研制成功，尤其是超大容量產品的成功研制和產業化的實施，為我國大型電動機的起動提供了一種既經濟又可靠的起動方式選擇方案。
(一)、節約一次性投資和維護費用
1、高壓熱變電阻器本身造價低廉，控制系統簡單，總體直接投資在高壓大型電機的各種起動方案中是最經濟的一種方式，尤其比起進口的變頻起動器來說更顯價格優勢，只是同性能進口設備的1/10~1/8。
2、采用高壓熱變電阻器起動方式，可以大大降低電機起動時電力系統的要求，從而可以節約大量的一次性電力增容方面的固定投資。
3、節約長期技術性投資
a、該方案理論成熟，結構簡單，性能穩定、運行可靠、基本免維護。
b、一般技術工人經過簡單培訓之后就可以滿足使用和維護的需要。
（二）、節能
1、如前所述，采用該起動方案，大大降低電機起動對電力系統的要求，從而可保護電力變壓器選用運行始終在經濟運行區，從而降低電力變壓器運行損耗，節約運行費用。
2、由于傳統的電機起動方案存在許多技術問題，比如在起動時，易燒電機、易造成電網壓降大，影響鄰里運行，或都諧波嚴重等等，從而使電機起動成為一個難于克服的難題，因而很多企業在停機檢修期間，寧愿讓電機空轉，浪費大量電能，也不愿面對電機起動難題。
采用熱變電阻降壓起動方案，使電機起動變成一件非常普通的事，電機可隨時起隨時停，從而可以從技術保障方面節約大量電能。
如果年使用電機容量100萬KW以上，平均節電率為3%，則年節電量為2.2億KWh，效益非常樂觀。
五、與變頻軟起動的比較
高壓變頻軟起動方案，代表著大型電動機軟起動技術的發展方向。近年來取得了很大成就，相對熱變電阻降壓起動方案而言，具有明顯的技術先進性，這一點不可置疑。但從實用性經濟角度來說，高壓變頻軟起動方案屬于一種過于奢侈的技術方案，由于它所面對的用戶一般具備以上特點：
1、不頻繁起動，一般每年起動1~2次；
2、對可靠性要求很高，關鍵時必須一次成功（比如高爐風機）；
3、萬一發生故障，解決問題的技術難度越小越好，時間越短越好。
面對上述要求，高壓變頻并不具備充分的競爭強勢，首選，為解決一年一次二次起動而花費數百萬元，其經濟性易遭到質疑；況且使用維護費用也很高。其次，高壓變頻軟起動技術含量高，技術難度自然就很大，相對而言，其駕馭性也就較差，包括使用維護及故障處理等對技術人員的技術素質要求高，用戶一般不具備駕馭能力。第三，事故處理周期較長。
高壓熱變電阻降壓起動與變頻軟起動性能對比：
序號 性能指標 高壓熱變電阻軟起動裝置 變頻軟起動器
1 起動電流 2.5~3 Ie ≤Ie
2 起動時系統功率因數COSф≈0.8 0.9
3 母線壓降 <7%
4 起動時間 <35S 60~120S
5 控制方式 自然起動 開環/閉環自動控制
6 諧波 不產生任何高次諧波 有高次諧波產生
7 應用領域 輕載及輕重載
8 海拔高度 ≤1000m ≤1000m
9 環境溫度 0~40℃ 0~40℃
10 允許連續起動 3次或累計不超過120s 可連續
11 單位投資 50~70元/kW 500元/kW
12 使用維護 簡單可靠免維護 維護工作量大
六、高壓熱變電阻技術現狀及發展展望
高壓熱變電阻器用于電機起動，始于1997年7月；
1999年成功地在2000KW電機上使用成功；
2000年成功開發出用于4500KW電機起動的產品；
2001年成功開發出用于5600KW電機起動的產品；
2002年用于13500KW電機起動的高壓熱變電阻器在山西海鑫鋼鐵公司5號高爐一次性試車成功。這一成功為高壓熱變電阻器向超大容量方向發展墊定了基礎，提供了理論和實踐依據，適用于20000KW、30000KW甚至更大電機起動的熱變電阻器的產生和應用指日可待。
科學的過程就是不斷征服難題，勇攀高峰的過程，希望廣大國人多給予支持，媒體多給予關注，各級政府多給予重視，使該技術進一步產業化、造福國人，為民族工業的發展作出貢獻！
參考文獻：
1、《HTR31-15000/10高壓熱變電阻器檢測報告》
---天津發配電及電控設備檢測所國家電控配電設備質量監督檢驗中心 2002年5月23日
2、《新疆獨山子石化總公司乙烯廠3200KW擠壓機安裝設計報告》
---襄樊大力公司技術服務科 李俊
新疆獨山子石化乙烯廠 王秦川 謝新
3、《陜西榆林煉油廠3800KW風機、壓縮機起動調試報告》
--- 襄樊大力工業控制有限責任公司技術服務科 尉志新
陜西省榆林煉油廠 楊志剛 楊又平
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