自耦變壓器和電容組合啟動方式探討

摘要：目前，大型高壓電機的應用非常廣泛，但由于電網容量的限制，大型電機無法直接啟動。自耦變壓器和電容器是最經典、最常用的啟動方式，但因電網和投資的限制，應利用自耦變壓器與電容器組合的啟動方式，有效拓寬自耦變壓器啟動裝置的應用范圍。文章通過工程實例來說明自耦變壓器和電容組合啟動方式的實際應用效果及前景。

關鍵詞：大型高壓電機；軟啟動裝置；自耦變壓器；電容器；無功功率 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM411 文章編號：1009-2374（2015）27-0080-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.27.042

自耦變壓器由于具有最簡單、最可靠、最經濟的特性，成為大型高壓電機啟動方式的首選。但是在實際應用中經常會遇到較苛刻的電網條件，使得單一的自耦變壓器降壓啟動遇到困難。在這種情況下以往只能選擇變頻軟啟動裝置解決，而變頻器軟啟動裝置結構復雜、維護困難、造價很高，且對于不調速電機變頻器的作用并不能充分發揮，浪費嚴重。電機異步啟動過程中需要從電網獲取大量的無功，如果啟動時能額外提供給電機無功功率，使其減少從電網上吸收無功功率，從而減小對電網的影響，滿足啟動要求。而電容器的特性就是為電網提供無功功率，只要將電機、自耦變壓器與電容器組合匹配，就能較好地實現苛刻電網條件下的電機啟動。

1 自耦變壓器降壓啟動方式

自耦變壓器一直以來是最廣泛的大型高壓電機啟動裝置之一。啟動時，首先自耦變星點斷路器3QF合閘，使自耦變接線完整。然后電機運行柜斷路器1QF合閘，電機得電啟動。當電機電流下降到一定值時，開始投全壓，同時旁路自耦變壓器步驟。首先3QF斷路器分閘，自耦變壓器星點打開，隨即2QF斷路器合閘，啟動完成。在投全壓前，自耦變壓器星點必須先打開，此時自耦變壓器有一部分繞組以電抗器形勢串入電機啟動回路，到2QF斷路器合閘，自耦變被旁路這段短短時間內，該部分繞組將承受很大的電流及電動力，是自耦變設計時必須重點考慮的問題。

2 自耦變壓器加電容器啟動方式

自耦變壓器加電容器的啟動方式有兩種接線方式：電容器加在母線側，即補償電容器直接加在母線上，在自耦變壓器一次側，電機回路為傳統的自耦變壓器啟動接線方式；電容器加在電機側，即電容器與電機并聯，加在自耦變壓器的二次側。兩種方式各有優劣。

2.1 電容加在母線側

電容加在母線側的接線方式如圖1所示：電容器與電機啟動回路分開，當啟動時，4QF斷路器首先合閘，將電容器投入，然后再按照常規啟動自耦變壓器啟動方式投切開關啟動電機。電容器可在啟動過程中初步切除（當有多組電容器并聯時），也可在啟動完成后切除。

該接線方式的優點：電容器與電機回路獨立，直接掛在母線下，在特殊情況下可作為系統無功補償裝置使用，用于提升系統的功率因數；旁路柜電纜接線少，便于接線施工。

該接線方式的缺點：由于啟動大型電機前一般在有條件的情況下會上調母線電壓，而該接線方式下電容器會先投入電網運行，將會進一步提高電網電壓，有時甚至會超過110%額定電壓，給系統造成一定危害；由于電容器先投后切容易發生過電壓，使得對電容器本身的要求會更高。

2.2 電容加在電機側

電容加在電機側的接線方式如圖2所示：電容器與電機并聯接在自耦變壓器的副邊，啟動前先合4QF斷路器，將電容與電機并聯，而不需要先投入電網。啟動時其余斷路器動作順序與常規自耦變壓器啟動方式一致。在啟動過程中可根據電機電流或母線電壓情況逐步切除電容器。在啟動過程中電容與電機可視為一個系統，電機啟動所需的一部分無功直接從電容吸收，不需要經過母線及自耦變壓器，等效于電機的啟動容量減小。

該接線方式的優點：電容不需要提前投入電網，因此啟動前不會產生補償電容將母線電壓抬高的情況；電容、電機并聯同時投入，等效電機啟動容量減小，減小對自耦變壓器及電網沖擊；由于不會產生額外高電壓，電容器不會發生過壓，對電容器要求相對較低。

該接線方式的缺點：旁路柜除自耦變壓器抽頭、電機外，還需要連接電容器，使得電纜室電纜較多，對安裝會超成一定影響。

除同步機外，大型異步電機的功率因數普遍較高，且實際應用中啟動時需補償的電容量遠大于系統無功補償所需的電容量，因此電容器掛電機側的接線方式更適合大型高壓電機的啟動。

3 應用實例

張家港永鋼集團配套6萬空分（下稱項目A）與張家港沙鋼集團配套6萬空分（下稱項目B）空壓機均使用同一型號ABB公司28000kW同步電機作為主要驅動力，且兩個項目均使用63000kVA供電。項目A電機采用自耦變壓器降壓啟動，項目B電機采用自耦變壓器加電容器

啟動。

項目A使用110/10.5-63000kVA主變帶動28000kW電機，10kV側短路容量為390MVA。一次回路如圖3所示。根據基本公式，及變壓器阻抗折算公式，計算系統各部分等效阻抗，從而可以計算出電機啟動時的電網壓降。按母線電壓10kV，自耦變壓器80%中間抽頭計算，母線電壓將降至約8.4kV為84%額定電壓，壓降16%；啟動前上調母線電壓至10.75kV，啟動瞬間母線電壓降至8.57kV，為額定電壓85.7%，母線側電流3832A，其壓降達到了20.3%。

項目B分別使用兩臺35/10.5-63000kVA主變各帶動一臺28000kW電機，35kV側最大短路電流為27.5kA。經計算10kV母線短路容量與項目A相近，采用自耦變壓器80%抽頭計算，啟動壓降也與項目A相近。結合項目電機啟動數據，用自耦變壓器啟動對電網沖擊過大。

為減小沖擊，并降低投資成本，在比較變頻軟啟動、晶閘管軟啟動等后，項目B決定采用自耦變壓器加電容啟動方式，分組補償電容15MVAR。兩臺28MW電機采用自耦變壓器加電容器一拖二啟動方式，一次回路如圖4所示：

啟動前母線電壓上調至10.5kV，80%自耦變壓器抽頭。啟動瞬間母線電壓降至9.1kV到91%額定電壓，壓降13.3%。啟動沖擊明顯減小，啟動性能改善明顯。

4 結語

在電網條件較苛刻的應用環境中，在電網側增加補償電容器的可以有效地改善了自耦變壓器的啟動特性，同時也大大減小對電網的沖擊，并且具有簡單、可靠、免維護等優點。自耦變壓器配上相應的補償電容器，能較好地啟動大型電機，可有效地取代部分變頻器軟啟動，大大降低投資成本，并減少設備維護量，有著巨大的推廣應用價值。

參考文獻

[1] 《鋼鐵企業電力設計手冊》編委會.鋼鐵企業電力設計手冊[M].北京：冶金工業出版社，2008.

作者簡介：孫彬（1978-），男，浙江杭州人，浙江外企德科人力資源服務有限公司工程師，研究方向：空分裝置的配電設計和現場調試。

（責任編輯：黃銀芳）