1 引言
最近十屆全國人大常委會第二十三次會議上，全國人大常委會執法檢查組關于檢查節約能源法實施情況的報告中指出：我國能源利用效率只有33%，比國際先進水平低10個百分點左右，單位國內生產總值的能耗是世界平均水平的3.1倍。因此如何提高能源的利用率，降低單位國內生產總值的能源消耗是迫切需要解決的問題。我們認為在上項目時，要使供電設備的容量（企業電網容量）與用電設備容量相接近也是解決這個問題的一項重要措施。
目前企業中普遍存在供電設施的容量遠遠大于實際用電設備的容量，甚至在二倍以上的情況。其中一個主要原因是企業的主要用電負荷是電動機，為了滿足電動機直接起動時不會引起超過標準規定的電網壓降，往往考慮放大供電電網容量。而在美國等一些先進工業化國家正好相反，電動機大都采用軟起動器，以降低起動電流，采用較小的供電電網，提高用電設備容量/供電設備容量的比例，從而節約總投資和節約運行電耗。
現以上海宜山路泵站采用2臺800kw水泵為例說明采用美國benshaw公司高壓固態軟起動器的經濟效果。
2 800kw水泵的起動電流
2.1 電動機的特性如下
電動機型號：ykk800-16；
額定功率：prat=800kw；
額定電壓：urat=6kv；
額定電流：irat=109a；
額定轉速：nrat=372r/min；
n*rat=0.992；
srat=0.008；
額定轉矩：mrat=9550prat/nrat=20537.6nm；
效率：η=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):gd2=388kgm2；
機組轉動慣量：gd2=517kgm2。
由此得出電機的轉矩—速度、電流—速度曲線為圖1所示：
圖1 電機的轉矩—速度、電流—速度曲線
2.2 在閥門關閉情況下水泵的轉矩-速度曲線如表1和圖2所示
表1 閥門關閉情況下水泵的轉矩—速度曲線
圖2 閥門關閉情況下水泵的轉矩-速度曲線
2.3 電動機起動電流
當電動機以恒定電流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3和圖4中。
圖3 電動機的轉矩和速度的變化曲線
圖4 電動機的電流和速度的變化曲線
由圖3和圖4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5.89s，等效堵轉時間僅為0.94s，能夠滿足電機發熱要求。
3 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5中給出了電動機的配電電源圖（該泵站采用雙回路35kv供電，這是其中一回路，800kw水泵分別接在二個回路中）。
圖5 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，如果用benshaw的固態軟起動器，可以用260%額定電流起動該800kw電動機，其容量sd=1132kva,起動容量為：
sdsj=2.6sd/sj=2.6×1132/100000=0.0294
設其平均功率因數cosθ=0.5,則
sdsj=0.0294×0.5+j0.0294×0.866=0.01471+j0.0255
在起動800kw水泵前，已有pa=1660kw的負載接在6kv電網母線上，設其功率因數
cosφ=0.8（sinφ=0.6）;
已有負載的容量saj=0.0166=0.0166cosφ+j0.0166 sinφ=0.0133+j0.0099
所以在起動800kw水泵電動機時的總用電容量
sij=saj+sdsj=0.028+j0.0354=0.0451
它造成的電壓降為： 
。符合標準規定。
如果要讓該6kv系統直接起動800kw電機，起動電流為6.5倍額定電流，即
sdsj=6.5×1132/100000=0.07358
電機直接起動時的功率因數cosφ=0.3，則
sdsj=0.07358×0.3+j0.07358×0.954=0.02207+j0.0701
起動時的總功率為
sij=saj+sdsj=0.0133+j0.0099+0.02207+j0.0701
=0.0354+j0.08=0.0875
起動時電網壓降
δ
=
=24.5%超出標準規定(壓降不大于15%)
如果要使該800kw水泵直接起動時的電網壓降不超過15%，則電網的標么值阻抗
要小于：
，
sb=4375kva
上式中對于容量更大的變壓器
應為7.5%。
所以供電變壓器容量要大于
=4375kva，即要選用4500kva變壓器。比采用軟起動器起動電機時的供電容量增加2000kva。
4 擴大電網容量和采用固態軟起動器二種方案的技術經濟比較
4.1 投資比較
在本項目中,如果800kw水泵采用直接起動方法，需要的供電變壓器為4500kva。如采用固態軟起動器的方案，則供電變壓器容量只需要2500kva，但需要增加1臺美國bwnshaw公司的mvrsm18型固態軟起動器。二個方案的投資比較如下：
采用直接起動方案在采用環氧澆注干式變壓器的情況下，4500kva比2500kva價格多出約29萬元，另外按國家發改委規定，上海市電力公司對多回路供電按每kva收取290元的高可靠性供電費，這樣每回路4500kva比2500kva要多收：
(4500-2500)×290=58萬元
而采用固態軟起動器方案,則需增加一臺mvrsm18-6kv軟起動器,價值46萬元。所以直接起動方案比采用固態軟起動器方案,投資反而要增加29+58-46=41萬元。
4.2 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。
2500kva變壓器的空載損耗約為3750w，而4500kva變壓器的空載損耗約為6430w，所以采用直接起動、大電網容量方案比采用固態軟起動器方案每年要多耗電：
(6430-3750)×24×365/1000=23476.8kw·h
如以電費1元/kw·h計，則每年要多支付23476.8元。
另外供電局規定如果用電量達不到40％的最大定額，仍要按40%最大定額交電費，因此采用4500kva容量更有可能會多交電費。
4.3 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。
5 與采用水電阻（液體變阻器）方案的比較
在一個桶里裝滿電解液，通常是堿金屬鹽溶液，插入二個電極，在電極間就形成電阻，其電阻值大小與電極間的距離成正比，調節電極間的距離就能調節這個電阻值的大小。將這樣的可變電阻串入交流電動機定子或轉子電路，就可以用來平滑地起動電機。
采用液體變阻器起動交流電動機是一種古老的方法。當然，隨著技術的進步，電極的位置可以應用伺服控制系統，所以國內有制造廠提供這樣的設備。這種設備有許多致命缺點：一是它如同一個電解槽，每起動電機一次，就要劇烈發熱，液體電阻溫度大大升高，其電阻值隨溫度上升而減少。所以如果用在需重復起停的場合，即使有足夠的間歇時間，其每次起動電流也都不一樣。
所以，液體變阻器是非常不穩定的一種電機起動設備，并且不宜用于需反復起停的場合。
（1）由于電解液受熱會揮發，需要不斷補充，并且電極會電解掉，需要定期更換。另外電解液揮發所帶出的鹽霧也會腐蝕周圍的電氣設備。因此非但它本身的壽命不長，而且也會影響其它電氣設備的壽命。
（2）電解液是負溫度特性，隨著電解液溫度的升高，電阻值降低，電流增加，在起動過程中，隨著熱量的積累，溫度上升，電阻變化較大，這就使得它在二次起動之間必須充分冷卻從而限制了它的起動頻率（每小時起動次數）。
（3）其阻值是由伺服電機驅動電極的運動來調整的，因此響應比較慢。
（4）其體積非常龐大。
（5）需要經常維修。
固態電動機軟起動器與液體變阻器的技術經濟比較見表2，經過比較，決定采用美國benshaw公司生產的固態軟起動器。
表2 固態電動機軟起動器與液體變阻器的技術經濟比較
6 結束語
綜上所述，在設計供水系統時采用固態軟起動器，不僅可以節約初始總投資額。而且可以降低運營成本，提高技術水平。是降低單位國內生產總值的能源消耗的有效措施。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
