張 冰，劉飛燕，付春江

（青島市水利工程建設(shè)開發(fā)總公司，山東 青島 266000）

0 引言

位于山東省青島市境內(nèi)的產(chǎn)芝水庫-城陽-即墨調(diào)水工程華山加壓泵站日最大調(diào)水能力10萬m3，其安裝10 kV高壓電機5臺，總?cè)萘? 775 kW。采用傳動的直接啟動方式，當需要單臺或多臺水泵機組全負荷開機運行時，電動機的啟動電流為4～7倍額定電流[4]，對電網(wǎng)的沖擊大，需要相關(guān)配套電器的配電容量大；由于華山加壓泵站機組平均高程55 m，其管線上用戶（水廠）最高高程90 m，高差大，采用直接停車方式，水錘現(xiàn)象十分明顯。本文結(jié)合國產(chǎn)高壓固態(tài)軟啟動器在調(diào)水工程加壓水泵上的應(yīng)用，介紹GGQ1000/10型高壓固態(tài)軟啟動器的結(jié)構(gòu)組成、性能特點和注意事項。

1 加壓水泵應(yīng)用軟啟動器必要性分析

隨著晶閘管峰值電阻的增加和觸發(fā)技術(shù)的突破，晶閘管降壓軟啟動技術(shù)在啟動高壓電動機時提供了符合標準的保護作用，固態(tài)高壓電動機啟動器主要用于啟動和停止高壓交流電動機，以及相關(guān)控制與保護。當調(diào)水需求接近于單臺水泵的額定流量，在水泵加壓的啟動過程中，水泵電機的直接啟動會產(chǎn)生比較大的啟動電流，相當于高壓進線三相短路對供配電系統(tǒng)進行沖擊，會使失供電系統(tǒng)失去穩(wěn)定，進而影響供水穩(wěn)定。采用直接停車方式，水錘現(xiàn)象十分明顯，水錘瞬時產(chǎn)生的壓力可達管道正常壓力的幾十倍，壓力的大幅度變化動,可對調(diào)水管網(wǎng)產(chǎn)生強烈沖擊,輕則導(dǎo)致管道閥門接頭的變形，重則引起管道爆管破壞，造成設(shè)備損壞，增加維修和養(yǎng)護成本，軟啟器的使用可以有效避免上述問題，能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)水泵站的安全可靠運行，而且價格是高壓變頻器的一半，其應(yīng)用也有一定的經(jīng)濟性。

2 高壓固態(tài)軟啟動器原理及結(jié)構(gòu)性能特點分析

2.1 大功率晶閘管移相觸發(fā)原理

大功率晶閘管可稱為功率器件，可以在大電流、高電壓的條件下為負載提供大功率的輸出。一般來說，通過更改功能強大的晶閘管的移相觸發(fā)器的角度，可以更改晶閘管的輸出電壓，并且輸出電壓可以根據(jù)給定曲線增加。例如：欠壓、晶閘管組件損壞、啟動超時、三相電流不平衡等?？梢宰孕屑m正以保持設(shè)備正常工作，大功率晶閘管移相觸發(fā)，也稱為可控硅移相觸發(fā)，是指晶閘管整流回路中，調(diào)節(jié)其觸發(fā)脈沖，改變整流器輸出電壓的方法。當整流器輸出電壓改變時，原正弦波與觸發(fā)脈沖在示波器上是水平位移的，作為移相觸發(fā)原理的形成。當電機拖動水泵的負載不變，使可控硅的觸發(fā)脈沖移動改變電壓從而改變輸出電流[5]。

2.2 高壓軟啟動器升壓原理分析

光纖輸出信號使大功率晶閘管串并聯(lián)組件工作，當啟動器檢測到電流下降時，它迅速使晶閘管閥組件完全導(dǎo)通，并且并聯(lián)了晶閘管組件兩端的高壓AC真空開關(guān)，以繞開晶閘管組件的工作電流?？刂苹芈沸盘柾ㄟ^信號處理電路進入數(shù)字信號處理器和單片機控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)送的信號通過光纖傳輸系統(tǒng)發(fā)送到高壓數(shù)字觸發(fā)器，以啟動晶閘管單元，以便電動機可以執(zhí)行軟啟動和軟停止功能[2]。

2.3 軟動器的結(jié)構(gòu)組成的結(jié)構(gòu)組成

高壓固態(tài)軟啟動器由兩大回路組成，即高壓回路、測控回路。高壓回路為主要回路，由主回路和旁通回路真空接觸器、電壓和電流互感器、晶閘管觸發(fā)元件組成。其中晶閘管觸發(fā)元件的通斷是由多路光纖輸入控制，又通過另外一組多路光纖用于晶閘管組件工作狀態(tài)信號監(jiān)控反饋[1]。

圖1 高壓回路示意簡圖

2.4 高壓軟啟動器的性能特點分析

（1）使用晶閘管移相觸發(fā)器啟動模式可以有效地將電動機啟動電流控制在額定電流的4倍以下，從而減少對電源系統(tǒng)的影響；減少了配電系統(tǒng)容量投資規(guī)模。減少了水泵在啟動時的水流對葉輪的沖擊，延長了電機及水泵的壽命。

（2）運行工況不一樣，啟動負載有不同情況，通過任意修改啟動器調(diào)節(jié)并設(shè)定參數(shù)，使電動機運行在最佳啟動效果下。

（3）在晶閘管接收到停車信號后，電動機電壓線性下降，在預(yù)先設(shè)定的時間內(nèi)電動機電壓降到零，從而實現(xiàn)軟停車，當水泵處于相對低高程時，軟停車功能有效的減輕了水錘效應(yīng)的影響。

（4）保護功能完善可靠，能確保電動機及相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備的使用安全。主要具有電機繞組匝間線路發(fā)生短路，起過流速斷作用的保護；在預(yù)先設(shè)定的啟動時間內(nèi)，電機電流未達到額定電流時的啟動超時保護；大功率晶閘管短路或發(fā)生故障時，跳閘并報警的可控硅保護。在軟啟動或運行過程中，三相電流不平衡度如超過設(shè)定值時的跳閘保護[1]。

3 高壓固態(tài)軟啟動器應(yīng)用實例

為保證運行的安全可靠，本工程2臺10 kV高壓電動機采用“一拖一”的方式進行水泵控制。

（1）安裝調(diào)試注意事項。安裝前要斷開所有電源，確保安全距離，確保設(shè)備牢固連接到機柜的接地片上，為確?？煽康慕拥?，請用歐姆表檢查所有接地導(dǎo)體之間的電阻，使用380 V電源對整個裝置系統(tǒng)進行模擬試驗及電氣測試。若條件允許，可使用380 V小型電機進一步模擬試驗，使運行人員熟悉原理和啟動流程，避免人為的誤操作故障，確保安全可靠的操作。發(fā)動機應(yīng)在怠速條件下進行測試，并應(yīng)使用默認的啟動參數(shù)。成功進行測試后，請根據(jù)現(xiàn)場的工作條件調(diào)整參數(shù)。

（2）啟動控制方式的選擇。高壓軟啟動控制方式有：斜坡電壓、 恒流啟動、恒時間啟動。斜坡電壓：電機按照預(yù)先設(shè)定的初始電壓和軟起時間，初始電壓隨時間線性上升，直至達到全電壓后按照額定轉(zhuǎn)速運行，能有效保證電動機平穩(wěn)啟動。恒流啟動：按照預(yù)先設(shè)定的初始電壓啟動,然后控制電流快速達到設(shè)定的恒定值，控制軟啟動一直保持該恒定電流,直至電機達額定轉(zhuǎn)速。恒時間啟動：電機轉(zhuǎn)速從零達額定轉(zhuǎn)速，是嚴格按照預(yù)先給定的恒定時間。實際選用斜坡電壓啟動方式，能保證電動機平穩(wěn)啟動，電機在啟動的過程中按設(shè)定的初始電壓和軟起時間，啟動電壓隨時間線性上升，直至達到額定轉(zhuǎn)速而后全電壓運行。

圖2 斜坡電壓啟動方式

（3）參數(shù)設(shè)置介紹。啟動方式：采用遠程啟動，由PC通過上位機PLC，向面板發(fā)出控制啟動信號，面板將信號發(fā)給上級高壓開關(guān)，高壓開關(guān)閉合，軟起器開始啟動。初始電壓：將初始電壓設(shè)置為線路電壓的50%，以在啟動時為泵電動機提供足夠的轉(zhuǎn)矩，并保護電動機免受啟動轉(zhuǎn)矩的影響以及泵葉輪和其他機械零件的損壞。軟起時間：運用斜坡電壓啟動方式控制，為改變電壓斜坡的斜率，設(shè)置軟起時間為30 s。突跳時間：為斜坡電壓和恒流控制啟動方式之前的短暫過程[1]。通過輸入突跳啟動時間，軟啟動器會向電動機施加全電壓，從而為泵電動機提供足夠的扭矩以穩(wěn)定地啟動電動機。水泵電機啟動負載較輕，設(shè)置為0 s。

（4）運行效果分析。電動機額定電流為24 A，軟啟動時啟動電流約為76.8 A，約為額定電流的3.2倍，不會引起供電系統(tǒng)電壓的急劇下降；軟停車時間設(shè)置為15 s，能有效削弱水錘對止回閥門和水泵葉輪的沖擊，經(jīng)長時間使用，軟啟動器能保證供電系統(tǒng)穩(wěn)定和閥門水泵設(shè)備的正常運行。

4 高壓固態(tài)軟啟動器應(yīng)用時的注意事項

雖運用晶閘管移相觸發(fā)技術(shù)，能夠有效延長水泵機組使用壽命，減少運維費用。但是軟啟動器晶閘管移相觸發(fā)，電壓變化產(chǎn)生的諧波、旁路接通后相當于直接啟動的狀態(tài)，無功功率較大等對供電系統(tǒng)、信號傳輸、節(jié)能降耗產(chǎn)生一定的影響，筆者根據(jù)實際運行經(jīng)驗，用戶需在以下2個方面要引起高度重視。

（1）軟啟動器在升壓過程會產(chǎn)生諧波。根據(jù)晶閘管移相觸發(fā)原理，軟啟動器輸出的波形是正弦波的一部分[3]，從啟動升壓到旁路投運這個過程中會產(chǎn)生諧波，若實際應(yīng)用需要軟起時間較長（在0～100 s內(nèi)可調(diào)），就需要考慮加裝合適型號電抗器，作為采購時的配套件選用，能起到諧波抑制，有效濾除高、中、低頻諧波。若軟啟動器的電流諧波較大，會給供水運行帶來如下危害：諧波的高頻脈沖電壓，會引起鐵心發(fā)熱，可能破壞變壓器絕緣；影響各種電氣設(shè)備的正常工作，測量儀表和電能計量增大誤差，影響計量精度和控制性能，導(dǎo)致高壓進線及配線柜繼電保護裝置誤動作，造成供水系統(tǒng)大面積停電。

（2）軟啟動器有別于變頻器（功率因數(shù)約為1），進入旁路運行后，相當于電網(wǎng)直連，必然會產(chǎn)生大量無功功率，長期投運，需要考慮加裝補償裝置，如果電網(wǎng)無功功率較大，則會給供電系統(tǒng)帶來如下危害：導(dǎo)致運行電流增大和無功功率增加，進而使配套變壓器容量增加；使變壓器的電壓降增大，電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動,供電質(zhì)量下滑，嚴重影響電網(wǎng)的整體穩(wěn)定運行[4]。

（3）軟啟動器的絕緣等級的下降，大部分是由塵土堆積和停機后熱源的吸潮現(xiàn)象導(dǎo)致的，可導(dǎo)致控制回路漏電、設(shè)備誤動作、水泵電機失控；停機后熱源吸潮現(xiàn)象使裸露的金屬部件腐蝕，塵土堆積可導(dǎo)致散熱設(shè)備散熱不佳，大功率晶閘管溫升增大而被損壞；而在日常維護方面，定期進行軟啟動器柜體內(nèi)外部塵土清掃，定期采取除濕措施，比如發(fā)現(xiàn)吸潮、結(jié)露應(yīng)及時用紅外燈泡或者電熱吹風設(shè)備進行干燥處理[1]。

除了以上問題，用戶在投運前后，還需要進行諧波檢測，特別是三次諧波；運行過程中進行檢測高壓電機的溫度、噪聲，若產(chǎn)生問題，需及分析原因，找出對策，避免不必要的損失。

5 結(jié)語

高壓固態(tài)軟啟動器投運以來，運行可靠穩(wěn)定，有效減輕了啟動和停止時，管網(wǎng)水流沖擊所產(chǎn)生的水錘現(xiàn)象，節(jié)省了泵站水泵和管道閥門的維修費用。固態(tài)高壓電動機軟啟動器可與多種電動機配合使用，是一種易于使用的軟啟動器電動機控制設(shè)備，能夠在大型給排水工程中發(fā)揮重要作用。調(diào)水工程中，當電動機在直接啟動不能滿足管網(wǎng)系統(tǒng)要求時，首先考慮的是可控硅軟啟動器，隨著國產(chǎn)軟啟動器技術(shù)的突飛猛進，國產(chǎn)高壓軟啟動器性價比也大幅提高，國產(chǎn)軟啟動器在調(diào)水工程實際應(yīng)用中發(fā)揮更大作用。