作 者 ：上海市政工程設(shè)計(jì)研究院 殷財(cái)龍 上海市南匯自來水公司 陳德放 謝天平 摘 要 ：本文就上海南匯自來水公司航頭水廠1250kVA變壓器供電系統(tǒng)中新增800kW水泵代替原有的220kW水泵，為解決電機(jī)起動(dòng)時(shí)電網(wǎng)壓降的問題，采用美國Benshaw（本秀）公司中壓固態(tài)軟起動(dòng)器進(jìn)行了詳盡的分析，并對該項(xiàng)目采用電網(wǎng)擴(kuò)容方式和采用固態(tài)軟起動(dòng)器二種方案進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。理論和實(shí)踐證明采用固態(tài)軟起動(dòng)器既節(jié)約了建設(shè)投資又節(jié)約了長期運(yùn)行成本。 英文摘 要 ：In renovation of Hangtou water supply factory of Shanghai Nanhui Water Supply Co., a pump of 800kW 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抯 soft starter can save the construction invest and save the operation cost of future.
關(guān)鍵詞： 固態(tài)軟起動(dòng)器 電機(jī)起動(dòng)器 1 引言 上海市南匯自來水公司航頭水廠由于地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，原有供水系統(tǒng)遠(yuǎn)不能滿足城市發(fā)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(tǒng)是由一臺1250kVA的電力變壓器供電，遠(yuǎn)不能承受800kW電機(jī)的直接起動(dòng)。是擴(kuò)大電網(wǎng)容量還是為電動(dòng)機(jī)裝備一臺固態(tài)軟起動(dòng)器？裝備固態(tài)軟起動(dòng)器是否能解決問題？為解決這些問題，我們進(jìn)行了詳細(xì)的分析，從而確定了采用美國BENSHAW公司MVRSM18-6KV固態(tài)軟起動(dòng)器的改造方案，一年多的運(yùn)行實(shí)踐證明該設(shè)備技術(shù)先進(jìn)，運(yùn)行可靠，我們的改造方案是成功的。 2 改造方案介紹 2.1 800kW水泵的起動(dòng)電流 （1）電動(dòng)機(jī)的特性如下: 電動(dòng)機(jī)型號:YKK 800-16; 額定功率:Prat=800kW; 額定電壓:Urat=6kV; 額定電流:Irat=109A; 額定轉(zhuǎn)速:Nrat=372r/min; Nrat＊=0.992; Srat=0.008; 額定轉(zhuǎn)矩:Mrat=9550Prat/Nrat=20537.6Nm; 效率:η＝0.945; 功率因數(shù):Cosφ=0.74; 堵轉(zhuǎn)電流:Ist＊=6.5; 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩:Mst＊=0.9; 顛覆轉(zhuǎn)矩:Mm=2.5; 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（估計(jì)值）:GD12=388kgm2; 機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:GD22=517kgm2。 由此得出電機(jī)的轉(zhuǎn)矩—速度、電流—速度曲線為圖1所示: [ALIGN=CENTER] 圖 1 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩—速度、電流—速度曲線[/ALIGN] （2）在閥門關(guān)閉情況下水泵的轉(zhuǎn)矩—速度曲線如附表和圖2所示; [ALIGN=CENTER]附表 在閥門關(guān)閉情況下水泵的轉(zhuǎn)矩—速度數(shù)據(jù) [/ALIGN] （3）電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流 當(dāng)電動(dòng)機(jī)以電流斜坡起動(dòng)時(shí):初始電流240％，最大電流280％，斜坡時(shí)間為10s起動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電流、轉(zhuǎn)矩和速度的變化示于圖3和圖4中。這個(gè)起動(dòng)程序可以起動(dòng)水泵，起動(dòng)時(shí)間為8.7s。在最初的2.8s內(nèi)，電機(jī)未能轉(zhuǎn)動(dòng)起來，一直到電流達(dá)到250%額定電流以后，電機(jī)才得以加速。所以需要調(diào)整電機(jī)起動(dòng)程序，使它以恒定電流260%額定電流起動(dòng)，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的電流、轉(zhuǎn)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(dòng)方法可以滿足水泵起動(dòng)要求，電機(jī)起動(dòng)時(shí)間只有5.89s，等效堵轉(zhuǎn)時(shí)間僅為0.94s，能夠滿足電機(jī)發(fā)熱要求。 [ALIGN=CENTER] 圖 3 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和速度的變化[/ALIGN] [ALIGN=CENTER] 圖 4 電動(dòng)機(jī)的電流和速度的變化[/ALIGN] [ALIGN=CENTER] 圖 5 以恒定 260% Irat 起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩和速度的變化[/ALIGN] [ALIGN=CENTER] 圖6 以恒定 260% Irat 起動(dòng)時(shí)電流和速度的變化[/ALIGN] 2.2 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的電網(wǎng)壓降 采用標(biāo)么值計(jì)算電網(wǎng)壓降，假設(shè)35kV母線的短路容量為∞。為了簡化計(jì)算，在圖7中給示了電動(dòng)機(jī)的配電電源圖。 [ALIGN=CENTER] 圖7 簡化的電動(dòng)機(jī)的配電電源圖[/ALIGN] 下面用100MVA作為計(jì)算的基準(zhǔn)容量Sj: 基準(zhǔn)容量Sj=100000kVA，基準(zhǔn)電壓Uj=6kV 6kV電源的標(biāo)準(zhǔn)值阻抗為: 式中:ΔUb1為變壓器阻抗壓降。 根據(jù)上述分析，如果用BENSHAW的固態(tài)軟起動(dòng)器，可以用260%額定電流起動(dòng)該800kW電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)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(guān)上調(diào)5％，則可以保證6kV母線電壓在85%以上。 如果直接起動(dòng)該電機(jī)，則起動(dòng)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(tǒng)在直接起動(dòng)800kW電機(jī)時(shí)，電網(wǎng)壓降也保持在17.6%的水平，則需要將電網(wǎng)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(wǎng)擴(kuò)容和采用固態(tài)軟起動(dòng)器二種方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較 3.1 投資比較 電網(wǎng)擴(kuò)容需要增加1臺3150kVA電力變壓器，3臺KYN型高壓開關(guān)柜，以及1臺800kW電機(jī)直接起動(dòng)高壓開關(guān)柜，包括土建改造施工在內(nèi)大約要超過100萬元人民幣，這當(dāng)中不包括供電局需要增設(shè)輸電回路的費(fèi)用。 如采用固態(tài)軟起動(dòng)器方案，需要增加1臺美國Benshaw公司的MVRSM18型固態(tài)軟起動(dòng)器和1臺給電機(jī)供電的斷路器柜，包括施工安裝在內(nèi)大約要增加52萬元人民幣，比電網(wǎng)擴(kuò)容方式節(jié)約投資48%。 3.2 運(yùn)行成本比較 二種方案的負(fù)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1950W，而3150kVA變壓器的空載損耗約為4500W，所以采用直接起動(dòng)、電網(wǎng)擴(kuò)容方案比保持原電網(wǎng)采用固態(tài)軟起動(dòng)器每年要多耗電: （4.5-1.95）×24×365＝22,338kW·h 如以每kW·h電費(fèi)1元計(jì),則每年要多支付22,338元。 此外，如果電網(wǎng)擴(kuò)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(fèi)用外，還要大大增加運(yùn)營成本。因?yàn)閲野l(fā)展和改革委員會(huì)頒發(fā)的發(fā)改價(jià)格（2003）2279號文《關(guān)于停止收取供（配）電工程貼費(fèi)有關(guān)問題的通知》中第三條規(guī)定:“為了節(jié)約電力建設(shè)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(tǒng)一出臺高可靠性電價(jià)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(dāng)收取高可靠性供電費(fèi)用”。各地都公布了有關(guān)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，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(fèi)開支1250×290＝551,000元，每年要增加6,612,000元開支。 3.3 技術(shù)性能比較 雖然電網(wǎng)擴(kuò)容，可以實(shí)現(xiàn)水泵直接起動(dòng)，技術(shù)上很簡單。實(shí)際上根據(jù)我們以往運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，原水泵直接起動(dòng)，對水泵和管路的沖擊比較大，而且在停車時(shí)會(huì)因?yàn)樗N而導(dǎo)致管路系統(tǒng)劇烈振動(dòng)。而采用美國Benshaw公司的固態(tài)軟起動(dòng)器，因?yàn)橛修D(zhuǎn)矩控制，在停車時(shí)消除了水錘，管路系統(tǒng)的振動(dòng)也消失了，從而減少了事故，提高了設(shè)備運(yùn)行壽命。 4 結(jié)束語 根據(jù)了解，在中國各企業(yè)普遍存在電網(wǎng)容量過大，電網(wǎng)負(fù)荷率不高的問題（通常為40%～60%），其中一個(gè)原因是對電動(dòng)機(jī)沒有采用先進(jìn)的軟起動(dòng)控制方式。 通過我們的實(shí)踐和理論分析，筆者認(rèn)為一個(gè)企業(yè)由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，需要擴(kuò)大規(guī)模增加用電設(shè)備時(shí)，不要輕易考慮擴(kuò)大電網(wǎng)容量，而應(yīng)當(dāng)首先考慮采用先進(jìn)的電機(jī)控制方法，例如水泵，采用帶轉(zhuǎn)矩控制的固態(tài)軟起動(dòng)器，不僅節(jié)約了總的投資，節(jié)約了運(yùn)行費(fèi)用，還提高了技術(shù)性能。