简介： 本文在讨论了开关变压器式高压电动机软起动装置的技术原理及其特点的基础上，针对目前市场应用较多的变频软启动技术进行了客观的比较和论证。
本文在讨论了开关变压器式高压电动机软起动装置的技术原理及其特点的基础上，针对目前市场应用较多的变频软启动技术进行了客观的比较和论证。根据抽水蓄能发电电动机容量更大，启动频次更多的工作特点提出了电力电子器件并用以及开关变压器模块并用的技术方案，成功地解决了功率放大的问题。
抽水蓄能电站既能调峰、又能填谷，在系统中科学的调度好抽水蓄能机组的运行方式，可以实现系统内大火电机组的高效运行，以达到降低燃料消耗、减少排放的目的。由于抽水蓄能机组调峰填谷的工作特点，频繁启动是其主要特征之一，良好的启动方式和启动装置的优越性能是保证抽水蓄能机组良性运行的关键因素之一。抽水蓄能机组的起动实质上就是大型同步电动机的起动。
过去一般有三种方式：①间接方式：即用起动电机起动；②低周同步起动：即用单独的发电机组供电起动；③异步起动：即电抗器降压异步起动和自耦变压器分压异步起动。
目前我国的抽水蓄能电站大多采用国外的成套设备，软起动设备基本上是采用进口变频设备，从理论上讲，变频同步起动具有很多的优越性。但是当前的变频制造技术尚不是很完善，损耗比较大、可靠性还较低、谐波大、起动时间长、电源切换时有电流冲击、冷却系统复杂等等，可以这样说，在当前变频同步起动还存在许多无法克服的缺点。针对这些问题，我们开展了“开关变压器模块”用于抽水蓄能电站发电电动机组软起动的应用研究。
开关变压器模块应用于高压电机软起动
开关变压器模块用于高压电机的软起动的设备我们称之为开关变压器式高压电机软起动装置。目前已有200多台套用于钢铁、石化等行业，实践证明该装置性能先进、可靠性高、谐波小、价格低，完全可以替代进口变频设备应用于抽水蓄能电站的软起动。
开关变压器式高压电机软起动装置可以说是对可控硅串联式软起动装置的改进，它将变压器的开路特性、短路特性与可控硅（或其它电力电子器件）的导通与关断特性相结合。即用变压器的初级绕组来替代可控硅串而与电机串联，把可控硅放在变压器次级，通过控制可控硅的开断与导通来实现变压器的开路与短路运行，在变压器原端的输出特性完全与相控调压相同，且由于其执行器件是变压器，故可靠性高是不容置疑的。
主电路如图1所示：K1为运行柜，它与电动机D构成正常工作时的运行系统；K2为起动柜，它与开关变压器TK构成起动回路。当电动机起动时，合上K2，给可控硅SCR加上触发信号即可实现相控调压软起动；起动结束后，合上K1、断开K2，电动机即转入运行状态。
图1 主电路图
起动回路的控制系统框图如图2所示。
图2 控制系统框图
软起动不同时段的电流由程序给定，主电路中的电流由采样单元采集，PLC比较电流反馈值和给定值，根据差值调节触发单元的输入电压，改变SCR的导通角，从而使主电路中的电流与给定值相等。
修改程序中起动各时段电流的大小和保持时间，即可得到各种不同的起动电流曲线。由控制系统框图可见，如果从虚线处隔开，右侧为功率主回路，左侧为控制环节。当电动机功率不同时，只要更改TK、CT及SCR即可，其控制环节不用改变。
其特点主要如下：①无级调压、可输出任意波形；②高次谐波少，母线电压总谐波畸变率在国标以内；③空载起动时，起动电流小于1.5Ie；④利用特殊的可控硅并用技术，可以起动任意容量的电动机；⑤因可控硅短时过流能力很高，其并用技术的风险性大大低于串联技术，故该装置可靠性很高；⑥原理简明，一般技术工人都能掌握，模块式结构，检修方便。
开关变压器模块软起动与变频起动的比较
抽水蓄能电站的发电电动机在作为抽水电动应用时，其起动方法是一个值得探讨的问题，过去使用的方法有同轴小电机起动、异步起动和同步起动，当前很多都采用变频起动。从理论上讲，变频起动的优越性很多，但是当前变频器制造技术尚不是很完善，尚有一些不足之处：如高次谐波问题、并网时的电流冲击问题、可靠性问题、维护修理问题等等。随着工业的发展，大电机的应用越来越多，新的起动方法也不断出现，其中开关变压器式高压电机软起动装置异军突起，特别适合于超大型电动机的软起动。
下面就二者在抽水蓄能电站电动发电机的起动上作一比较：
（1）谐波问题 据有关文章介绍，结合我国蓄能电站的具体情况，变频装置在连接点处产生的总谐波畸变率大约在6%-19%，这远远高于国家标准的4%要求，有些电站就这么用了，似乎也没有什么问题。其实这是个危险的隐患，比如对绝缘的伤害，它有个累积的过程，并非一下子就能表现出来的，设备寿命的缩短是必然的。
开关变压器式软起动装置在连接点处的总谐波畸变率在国标范围内，对其它设备的伤害很小。
（2）向电网切换时的电流冲击问题 当采用变频起动时，由于变频装置一般不允许与电网并联，故要先断开变频电源再把电机接入电网，这时在电机定子绕组中会产生大电流冲击，由于抽水电动机工作一天要起动多次，故对电机绕组绝缘的伤害及端部变形都会产生积累效应，长此以往，定会降低电机的使用寿命。人们在对待自同期并列时的大电流冲击相当慎重，一般情况下不用自同期并列，只在事故状况下才不得不用自同期并列。
开关变压器式软起动装置可以在电机接入电网后断开，完全没有大电流冲击，这对延长电动发电机的使用寿命是非常有利的。
（3）可靠性问题 变频装置中的开关器件，当前尚未实现软开关技术，开关损耗还比较大，因此自身损耗大、寿命短。高压变频装置中开关器件数量很多，出现故障的可能性很大，据我们有限的了解，近几年国内用于起动的变频装置就多次出现问题。抽水蓄能电站的发电电动机更大，变频装置的容量也更大，出现故障的可能性也要大得多。
开关变压器式软起动装置完全避开了开关器件运行中的风险性，可靠性非常高。
（4）起动时间问题抽水蓄能电站的重要作用是调峰填谷，调频调压。为了提高电网的供电质量，要求机组的起动时间越短越好。但是当前的大容量变频器制造技术尚存在一定困难，故只有靠增加起动时间来减少变频器的容量，对于300MW机组，进口变频设备一般要求起动时间延长到5分钟左右。
开关变压器式软起动装置可在1分钟甚至更短的时间内完成电机的起动，这对保持电网的稳定、提高供电质量无疑是非常有利的。
（5）冷却系统的复杂性问题高压变频装置均采用水冷方式，水质要求高、管路质量要求高，给维护带来很大的麻烦。
开关变压器式软起动装置采用风扇通风冷却，简单方便。
（6）关于起动成功率据有关资料统计，由于变频器原因而造成起动失败的次数大约占每年起动次数的1%左右。
开关变压器式软起动装置使用近十年来，从未发生过因它致使起动失败的情况。
（7）占地面积问题软起动装置位于地下机房，每单位面积的开挖费用是相当可观的，减小装置的占地面积对降低电站投资有着重要的作用。
据了解，某电站的300MW机组变频软起装置占地约400M2。如果用开关变压器式软起动装置，则装置本身占地只80M2，加上附属面积有200 M2足够了。
（8）冗余设计开关变压器式软起动装置采用模块化冗余设计，进一步提高可靠性。大型机组（12MW以上）的开关变压器式软起动装置均采用模块化设计，每个模块12MW，结构紧凑、方便维修、更换。另外，模块数量上采用冗余设计，即使各别模块发生故障也不影响机组的起动。
（9）维护修理问题大型变频装置国内目前尚不能制造，完全依赖进口，技术复杂、资料不全给维护修理造成了非常大的困难，一旦出现故障只有请外国专家前来修理，费用高、时间长、后续的维修费用是相当高的。
开关变压器式软起动装置中的电力电子元件为可控硅，这种器件在我国的应用已有几十年的历史，维修技术简单得多，一般技术工人都能掌握。由于在设计时即考虑到可靠性问题，维护工作量非常小。
（10）一机二用大家都知道，自同期并列在许多方面优于准同期并列，但是由于自同期并列时有大电流冲击而限制了它的应用，使自同期并列只用于电网事故情况下的备用机组起动并网（准同期并列对此无能为力）。开关变压器式软起动装置还可用于自同期并列时限制大电流冲击，作到一机二用，充分发挥设备的使用率。
开关变压器技术可以用来限制并网时的大电流冲击，使自同期并列的优点更加突出。这样，使自同期并列可以扩大应用范围，在正常情况下也可以用自同期并列。完全避免了非同期并列的危险情况。另外使大型水轮发电机也可以在电网事故情况下起动并网，这无疑对电网的安全稳定运行具有非常重要的意义。
抽水蓄能电站软起动的设计方案
开关变压器模块在应用于高压电机软起动方面的优异性能已经得到了广泛的认同，由于它面世时间较短，目前已经做到20MW，对于抽水蓄能机组的大容量电机，只要采用可控硅并用与模块并用相配合的设计方案,实现几万千瓦甚至几十万千瓦高压电机软起动是完全有把握的。
图3 多副绕组开关变压器模块
（1）可控硅并用技术方案
如果要控制的设备容量很大而使得可控硅额定电流受限时，专门发明了“多副绕组开关变压器模块（已申报专利）” 来解决这个问题。多副绕组开关变压器的技术实质是采用了可控硅并用技术（如图3所示），这里的开关变压器次级绕组采用多股并绕（匝数一致、参数一致），可控硅分别连接、同步触发，开关变压器次级电流被多副绕组分流，以保证每只可控硅中流过的电流不大于其额定电流。
这里的可控硅并用与常规的可控硅并联有本质的区别，常规的并联技术是指被并联器件首与首相接且尾与尾相接后再接到电路中，而我们提出的并用器件（SCR）是分别接在各自的绕组中,与可控硅并联有本质的区别。
（2）开关变压器模块并用技术方案
如果要控制的设备容量再大而使得开关变压器（体积、重量所限）额定电流受限时，专门发明了“多副绕组开关变压器模块并用技术（也已申报专利）”来解决这个问题（见图4）。
开关变压器并用完全不同于教科书上所说的电力变压器并联运行。电力变压器并联运行是指几台变压器不仅初级接在相同相位的电源上，而且次级并联向负荷供电。如果变压器的特性参数不一致，则会产生环流，损耗加大甚至损坏变压器。
图4 开关变压器并用等效图
开关变压器并用只是把初级并联起来，次级仍然各自独立，它就好象许多电力变压器都接在同一电网上一样，完全没有环流之说。
开关变压器并用可以等效为图4右侧的晶闸管并联电路。其中x1是开关变压器TK1的漏抗；x2是开关变压器TK2的漏抗。由于变压器的漏抗远大于晶闸管的内阻，故均流效果相当好，两组晶闸管不必配对选择，两路电流完全一致。
晶闸管直接并联时，如果开通时间有微小差异，当首先有一只晶闸管开通时，晶闸管端电压立即下降为晶闸管的管压降（仅2伏左右）。此时，未开通的晶闸管虽然有触发电压，但由于端电压太小很容易不开通，造成先开通的晶闸管过流。
开关变压器并用时，如果有一台开关变压器先开通，则在其初级绕组两端仍至少有5%的短路压降。对于10kV的情况至少有500V的电压（变压器次级电压100V左右），这对于其它支路的开通是完全有保障的。
结束语
在冶金、石化企业高压电动机软起动市场已经证明，开关变压器式软起动装置作为调压软起动设备具有独到的优势。该技术控制功率的提升原理简洁，实用易行，完全可以应用于抽水蓄能机组的起动。此外，该技术在水轮发电机自同期并网方面的技术优势，完全可以设计制造出软起动与自同期并网功能并举的专用设备，为我国抽水蓄能电站建设提供性能优越的大型装备。
申明：本文章内容来自( 电气技术)，作者(潘政刚、潘家忠)。著作权归原作者所有，如涉及作品侵权问题，请与我们联系，我们将及时处理！- 标签
- 供电配电
