0 引言

新余新钢气体有限责任公司（以下简称新钢气体）2套25000m³/h空分设备配套的空气压缩机由德国Atlas Copco公司制造，电机采用ABB公司的AMC 800M4 LBSM型异步电机，功率为12 500kW，额定电流/电压为804A/10kV±7%.

大型电动机在起动过程中将消耗大量的无功功率，从而引起电网电压的波动，因此，不能直接起动.在市场上针对大功率电机的起动装置主要有降压、降补、变频三大类软起动方式^[1].2套25000m³/h空分空压机在投产时采用的是热变电阻器(型号:HTR3-15000/10)降压起动（液阻柜），运行至2018年已有10年，由于110 kV主变改为三圈变后，线路阻抗发生了一些变化，目前存在起动困难的问题，每次起动均要经历多次失败，而液阻柜多次起动失败后，电解液温度升高，在50 ℃时起动甚至会出现拉弧放电现象，严重危害设备和人身安全.电解液热量难以散出，需要静置24 h以上才能从50 ℃下降到20 ℃，（如起动二次未成功，就必须更换电解液，时间最少需要6~8 h）延误空分开车影响生产，而连续多次起动也对电机损伤较大，特别是转子损害较大而且又不能检测到，有烧毁的风险^[2].进行改造势在必行.

1 改造方式横向对比

改造有两种思路：一是对原有热变电阻软起动进行改造，二是更换起动方式，增添新的设备.改造实施前对两种方式开展了详细的调研和分析.

从可行性上分析，若对原有起动方式进行改造，需要在电机端加补偿电容，抬高电机端电压.若更换起动方式，降补固态软起动装置适用于大中型高压鼠笼交流异步电动机或异步起动的高压同步电动机，作电机降压起动之用，是国内目前比较先进和成熟的技术，且日趋成为主流起动方式.两种改造均可行.

从适用性和操作方便性对比，热变电阻软起动方式调节电解液耗费时间长，受环境温度和水箱内温度变化影响大.对电网容量和电压变化反应敏感，起动时间长，起动失败的概率高，且由于电解液温度一旦升高就很难降低的原因不能连续起动.而降补固态软起动方式调节范围广，适用性强，控制手段多，起动成功率极高，显然更具优势.

从投入上对比，由于降补固态软起动可以实现“一拖二”，即一套软起动装置带动两台空压机起动，而对原有热变电阻起动改造所采取的电机端加补偿电容的方式必须“一对一”.经过核算，补偿电容需花费约160万元，降补固态软起动改造需花费约190万元.虽然对原有起动方式改造比更换起动方式要节约30万左右，但考虑到降补固态软起动的诸多优点，故决定更换起动方式，改用降补固态软起动.

2 降补固态软起动简介

TCS系列降补固态软起动装置，将电动机及无功发生器并联回路经降压器接入电网，由无功发生器提供电动机起动过程中所需要的部分无功功率.通过降低机端电压的方式进一步减小电流.此时降压器的输出电流为电机电流ID与无功发生器电流IC之差，输入电流为输出电流的k倍（k为降压器变比，k＜1）.

即：I₁=k（I_D-I_C）.

当起动合闸后，电机端电压逐渐升高，起动转矩逐步增加.电机达到额定转速后，运行柜合闸，同时降压装置连接柜及起动柜分闸，切除降补固态软起动器，起动完毕.起动流程如图 1所示^[3].

3 控制改造

由于原先采用的是热变电阻起动，现改为降补固态软起动，又要采用“一拖二”起动两台空压机，并实现互相切换，互不影响.需配置空压机起动柜两台、降压器一台、降压控制柜一台、无功控制柜一台、无功发生器一台、出线柜（连接柜）两台、电流互感器柜两台.按图 2所示进行一次接线.其中厂家原设计仅一台出线柜，但气体公司考虑到安全性和可靠性，要求配置两台出线柜.由于软起动出线柜互相独立，一台电机起动后，起动柜和软起动出线柜均分闸，且无功控制柜具备电机起动转换功能，故两台电机起动互不影响，实现一套软起动装置分别带动两台电机起动. “一拖二”的配置能节省约190万的一次性投入和后续的维护费用，并且节约了占地面积.在原配电室规划时余留空位本就不多的情况下，采用“一拖二”配置恰到好处.

在改造的过程中有两种选择，一是停机后，将原来热变电阻起动电缆接线抽出，利用这部分电缆作软起动改造接线，二是全部采用新电缆，先进行软起动控制线路的连接，并预放好软起动出线柜到运行柜电缆，和二次接线电缆，待空分装置停机进行改造.据计算，第二种方式较第一种方式可节约10天左右时间，虽第一种可以节约电缆支出，但要考虑停机检修时间.新钢气体为新钢公司炼钢炼铁供气，需等待系统检修机会方能停机，通常新钢公司系统停机时间在10~14天左右，算上制氧机大加温开机到出氧需要30h左右的时间，采用第一种方法时间不够，故本次改造采用的是第二种预放电缆的方法，共用时两天完成改造.

4 调试过程

无功控制柜由液晶屏显示控制，主要用于参数设置，并可在实验和工作位置之间切换，另无功控制柜上也有试验、停止、工作转换开关.以下调试过程均视为调试1^#空压机，调试2^#时相类比即可

4.1 模拟实验

1）确认1^#空压机起动电源柜及运行柜断路器在试验位置；

2）短接1^#空压机起动电源柜及运行柜的工作位置接点；

3）无功控制柜液晶显示屏进入参数设置-工作/模拟选择模拟并确认；

4）确认显示屏无故障报警将电机起动选择转换开关（1^#电机/2^#电机/停止/远程），选择至1^#电机位置；

5）确认2^#出线柜断路器已摇至试验位置；

6）将1^#出线柜断路器摇至工作位置；

模拟起动成功，运行柜合闸，起动柜分闸.模拟了重瓦斯故障（按下瓦斯继电器）、仪控故障（油压振动等）、无功控制柜故障等试验，运行柜均正常分闸.

联动试车完毕，拆除1^#空压机起动电源柜及运行柜工作位置接点短

接线，无功控制柜液晶显示屏进入参数设置选择工作状态^[4].

4.2 使用轴流风扇检测接线回路接线

退出10kV电源，在高压母线上接入380V三相交流电源，将空压机电机首端主电缆脱开，接一台三相交流380V轴流风扇，在空压机运行柜母线上找另一开关柜，拖出小车（真空断路器），用一根三芯电缆将该开关柜铜排与在另一路低压母线上的照明配电柜相连，让母线接上380V三相交流电^[5].按正常开车方式进行操作起动.

1）将显示屏上报警复位，进入参数设置-工作/模拟选择工作并确认，将无功控制柜试验/停止/工作转换开关，选择工作位置.

2）将电机起动选择开关转至1^#电机位置.

3）检查无功控制柜相应警示灯显示正确.

4）检查降压控制柜转换开关（试验/停止/工作），选择工作位置，指示灯显示正确.

5）将1^#出线柜断路器摇至工作位置，转换开关选择工作位置.

6）检查2^#出线柜断路器已摇至试验位置.

7）将1^#空压机起动柜小车摇至工作位置.

8）将1^#空压机运行柜小车摇至工作位置

9）检查1^#空压机运行柜内合闸回路和跳闸回路的继电器是否得电吸合，同时吸合表示已满足起动条件.

设置完成后，起动空压机，现场轴流风扇转动，试验成功.如空气开关跳闸那就证明主回路有短路现象.由于这种改造方式接线电缆多，涉及92个端子，一旦接错产生短路可能会引起上级跳闸，影响其他设备运行，甚至导致大面积停电影响公司生产.这个通电试验就是为确保整个主回路不能出现短路，是检查接线的可靠性和安全性的重要手段，我公司采用的这种方法属自主创新，在行业中较为罕见，具有一定的新颖性.

4.3 正式试车

恢复正常接线，空压机运行柜母线合闸正常送电，按上述正常开车方式进行设置.

第一次试车，17.55 s后，空压机起动柜报过流故障分闸.

原因：保护器电流互感器变比设置错误，误将变比设置为1000:5，应为2000:5^[6].

第二次试车，15.67 s后，空压机起动柜报过流故障分闸，将限流保护从2.4 A改为3.75 A，即960 A到1 500 A.

第三次试车，21.36 s后，空压机起动柜分闸.原因：无功控制柜上，因试验起动时，将无功保护时间设为15 s，未改回55 s，无功运行最短时间也设置为10 s，未改回30 s.另外由于原来没有空压机起动柜，运行柜一合闸，就有电流信号传上DCS，而改造后运行柜合闸要等55 s，故将仪控程序检验电流时间也延长到55 s.否则检验到无电流或无运行反馈信号，DCS将发出运行柜分闸命令.

第四次试车，1 min后运行柜仍未合闸，起动柜分闸.

将无功保护时间设到65 s，无功运行最短时间设为45 s，无功切除电压从76 V降低到68 V，推迟切除.

降压器有三档，出线端有三组接口，为提高起动电压，减少起动时间，将降压器换档，调为最高一档^[7].

第五次试车，起动59 s失败，无功控制柜报过电流保护，将无功切除电压提到78 V，无功保护时间设为70 s，最短运行时间30 s.

第六次试车，58 s合闸，起动柜电流已经降到185 A，但运行柜仍未合闸.检查发现，因为降压器出线直接接到出线柜上，短接了降压控制器电流互感器, 而电流互感器上端不带电，故只显示母线电流，采集不到降压器电流，故降压控制器认为没有起动，运行柜不会合闸.重新进行接线，将降压器出线接到电流互感器上端.

第七次试车，仍失败.起动柜电流下降后，运行柜不合闸.怀疑是无功控制柜程序问题.待厂家调试人员用电脑重新上传控制程序.

第八次试车，成功，起动时间为53.5 s.起动最大电流为1 120 A，仅为额定电流804 A的1.4倍左右.起动压降约0.9 kV，仅为额定电压10.6 kV的8.5%左右.起动时间较改造前70 s左右大大缩短，对电网影响大大降低.

调试过程中由于经验的匮乏，在程序设置上绕了诸多弯路导致多次失败，但装置本身是可靠的，调试成功正式投入运行后，目前一年时间内两台空压机共起动5次，均一次成功，起动成功率高达100%，解决了原来起动困难的问题.

5 结论

采用降补固态软起动装置起动电机时，起动电流倍数低，起动压降低^[8]，对同一条线路上的设备基本没有干扰^[9].这样能完全满足用方对电机起动的要求.同时采用降补固态软起动装置实现电机起动时，不会产生高次谐波电流，不会产生操作过电压，没有切换冲击，也不会有异常振动与噪声，不会对系统造成安全隐患^[10].综上所述，采用固态降补装置对该电机进行软起动是一种比较合理的选择，目前该技术已经全面推广到新钢公司高炉风机19000kW电机的起动中.