固態軟起動器在老水廠擴容改造中的應用
本文就上海南匯自來水公司航頭水廠1250KVA變壓器供電系統中新增800KW水泵代替原有的220KW水泵，為解決電機起動時電網壓降的問題，采用美國Benshaw（本秀）公司中壓固態軟起動器進行了詳盡的分析，并對該項目采用電網擴容方式和采用固態軟起動器二種方案進行了技術經濟比較。理論和實踐證明采用固態軟起動器既節約了建設投資又節約了長期運行成本。
In renovation of Hangtou water supply factory of Shanghai Nanhui Water Supply Co., a pump of 800 KW will be connected in power network of 1250KVA in stead of the old 220 KW pump. How to solve the problem that the power capacity is not enough, to increase the capacity or to use solid state soft starter? The paper analyze theoretical and illustrate that to use BENSHAW’s soft starter can save the construction invest and save the operation cost of future.
關鍵詞：固態軟起動器，電機起動器
Key words：Solid state soft starter, motor starter
上海市南匯自來水公司航頭水廠由于地區經濟的發展，原有供水系統遠不能滿足城市發展的需要，必須裝備一臺800KW的水泵，以替代原有的220KW水泵。但是該廠原來的供電系統是由一臺1250KVA的電力變壓器供電，遠不能承受800KW電機的直接起動。是擴大電網容量還是為電動機裝備一臺固態軟起動器？裝備固態軟起動器是否能解決問題？為解決這些問題，我們進行了詳細的分析，從而確定了采用美國BENSHAW公司MVRSM18-6KV固態軟起動器的改造方案，一年多的運行實踐證明該設備技術先進，運行可靠，我們的改造方案是成功的。
1．800KW水泵的起動電流
1.1 電動機的特性如下：
電動機型號：YKK 800-16
額定功率：Prat = 800 KW
額定電壓：Urat = 6KV
額定電流：Irat = 109A
額定轉速： Nrat = 372 r.p.m
N*rat = 0.992
Srat = 0.008
額定轉矩：Mrat =9550 =20537.6 Nm
效率： ＝ 0.945
功率因數：Cosφ= 0.74
堵轉電流：I*st = 6.5
堵轉轉矩：M*st = 0.9
顛覆轉矩：Mm = 2.5
電機轉動慣量(估計值)：GDm2 = 388 kgm2
機組轉動慣量：GD2 = 517 kgm2
由此得出電機的轉矩-速度、電流-速度曲線為圖1所示：
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1.2 在閥門關閉情況下水泵的轉矩-速度曲線如下表和圖2所示；
|
N* |
0 |
0.1 |
0.2 |
0.3 |
0.4 |
0.5 |
0.6 |
0.7 |
0.8 |
0.9 |
1.0 |
|
M*LO |
14 |
10 |
7 |
8 |
9 |
11 |
15 |
18 |
24 |
29 |
34 |
1.3 電動機起動電流
當電動機以電流斜坡：初始電流240％，最大電流280％，斜坡時間為10sec起動時，電動機的電流、轉矩和速度的變化示于圖3和圖4中。這個起動程序可以起動水泵，起動時間為8.7秒。在最初的2.8秒鐘內，電機未能轉動起來，一直到電流達到250%額定電流以后，電機才得以加速。所以需要調整電機起動程序，使它以恒定電流260%額定電流起動，這時電動機的電流、轉矩和速度的變化示于圖5和圖6中。
由圖5和圖6可見該起動方法可以滿足水泵起動要求，電機起動時間只有5.89秒，等效堵轉時間僅為0.94秒，能夠滿足電機發熱要求。
2．電動機起動時的電網壓降
采用標么值計算電網壓降，假設35KV母線的短路容量為∞。為了簡化計算，在圖7中給示了電動機的配電電源圖。
圖7. 簡化的電動機的配電電源圖
下面用100MVA 作為計算的基準容量Sj：
基準容量 , 基準電壓 ,
6KV電源的標準值阻抗為
,
式中 為變壓器阻抗壓降。
根據上述分析，如果我們用BENSHAW的固態軟起動器，可以用260%額定電流起動該800KW電動機，起動容量為：
Sdj = 2.6Sd / Sj = 2.6*1132/ 100000 =0.0294
它造成的電壓降為：
。
將供電變壓器的分接開關上調5％，則可以保證6KV 母線電壓在85%以上。
如果直接起動該電機，則起動容量為：
Sdj’ = 6.5Sd / Sj = 6.5*1132/ 100000 =0.0735
它造成的電壓降為：
。如果要讓6KV系統在直接起動800KW電機時，電網壓降也保持在17.6%的水平，則需要將電網容量增加2.5倍。即供電變壓器要從原來的1250KVA增加至3125KVA。
3．電網擴容和采用固態軟起動器二種方案的技術經濟比較
3.1 投資比較：
電網擴容需要增加1臺3150KVA電力變壓器，3臺KYN型高壓開關柜，以及1臺800KW電機直接起動高壓開關柜，包括土建改造施工在內大約要超過100萬元人民幣，這當中不包括供電局需要增設輸電回路的費用。
如采用固態軟起動器方案，需要增加1臺美國Benshaw公司的MVRSM18型固態軟起動器和1臺給電機供電的斷路器柜，包括施工安裝在內大約要增加52萬元人民幣，比電網擴容方式節約投資48%。
3.2 運行成本比較：
二種方案的負載功率是一樣的，但配電變壓器的損耗則不一樣。
1250KVA變壓器的空載損耗約為1950瓦，而3150KVA變壓器的空載損耗約為4500瓦，所以采用直接起動、電網擴容方案比保持原電網采用固態軟起動器每年要多耗電：
（4.5－1.95）×24×365＝22,338 KWh
如以每KWh電費1元計，則每年要多支付22,338元。
此外，如果電網擴容是采用新增一回路，保留原供電回路的方案，除了增加改造費用外，還要大大增加運營成本。因為國家發展和改革委員會頒發的發改價格（2003）2279號文《關于停止收取供（配）電工程貼費有關問題的通知》中第三條規定：“為了節約電力建設投入，合理配置電力資源，對申請新裝及增加用電容量的兩路及以上多回路供電（含備用電源、保安電源）用戶，在國家沒有統一出臺高可靠性電價政策前，除供電容量最大的供電回路外，對其余供電回路可適當收取高可靠性供電費用”。各地都公布了有關收費標準，上海對10KV等級供電回路，為每KVA收取290元。如果這樣每月將另增加電費開支1250×290＝551,000元，每年要增加6,612,000元開支。
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3.3 技術性能比較：
雖然電網擴容，可以實現水泵直接起動，技術上很簡單。實際上根據我們以往運行經驗，原水泵直接起動，對水泵和管路的沖擊比較大，而且在停車時會因為水錘而導致管路系統劇烈振動。而采用美國Benshaw公司的固態軟起動器，因為有轉矩控制，在停車時消除了水錘，管路系統的振動也消失了，從而減少了事故，提高了設備運行壽命。
4．結論
根據我們的了解，在中國各企業普遍存在電網容量過大，電網負荷率不高的問題（通常為40%～60%），其中一個原因是我們對電動機沒有采用先進的軟起動控制方式。
通過我們的實踐和理論分析，我們認為一個企業由于經濟的發展，需要擴大規模增加用電設備時，不要輕易考慮擴大電網容量，而應當首先考慮采用先進的電機控制方法，例如水泵，采用帶轉矩控制的固態軟起動器，不僅節約了總的投資，節約了運行費用，還提高了技術性能。
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