一、水阻柜原理
水阻起動柜是近年來運用比較廣泛的電機起動設備。水阻，也就是液體電阻（在水中添加電解粉構(gòu)成水電阻），顧名思義就是在電機定子回路（鼠籠型電機）或轉(zhuǎn)子回路（繞線式電機）中串入液態(tài)電阻，電機在起動過程中液態(tài)電阻阻值在預定的時間內(nèi)自動無級減小，直至阻值接近為零，將液阻自動切除，電機投入正常運行，每小時最多可以啟動2-3次。
二、運動過程
水阻柜運行過程：高壓開關(guān)柜合閘的同時，水阻柜接收到高壓開關(guān)柜的合閘信號，水阻柜動極板自上而下開始運行，在設定的時間內(nèi)動極板運動過程中電阻值逐漸下降，當電阻接近于零時，通過一個限位開關(guān)，使水阻柜內(nèi)的真空接觸器吸合，將水電阻短接掉，電機啟動完成，經(jīng)過延時幾秒后，動極板自動復位至原始狀態(tài)，等待一下次啟動。如水阻柜在預定的時間內(nèi)起動沒有完成就會發(fā)出一個故障報警信號，自動切斷開關(guān)柜，確保電機不開路。
三、水阻柜缺點
水阻的效率低，只能做軟啟動。如果作為調(diào)速，必須將水阻柜箱體（液體電阻部分）長期帶電，一旦出現(xiàn)箱體漏液或者液體電阻減少或者干枯，必出現(xiàn)生產(chǎn)事故或者安全事故。并且由于箱體液體電阻長期帶電，發(fā)熱嚴重，要有外圍散熱設備才能維持運行。所以相對人力維護成本也會增加。
四、水阻柜的改造方式
在現(xiàn)場的實際改造中：雖然水阻柜存在以上缺點，但是客戶在水阻柜改造變頻時還是會保留工頻水阻啟動的模式。
（一）一般水阻柜有兩種改造方式，按照電機的不同，分為兩種水阻串接方式
1、轉(zhuǎn)子串水阻
即電機屬于繞線式電機，即轉(zhuǎn)子回路未短接。此時通過改變起動過程中轉(zhuǎn)子回路的電阻值來逐步實現(xiàn)軟起動。
2、定子串水阻
即電機屬于鼠籠型電機，即轉(zhuǎn)子回路在電機內(nèi)部已短接。此時通過改變起動過程中定子回路的電阻值來逐步實現(xiàn)軟啟動。
（二）按照實現(xiàn)方式的不同，分為兩種水阻
1、溫度改變阻值大小
即在啟動過程中，由于液體內(nèi)部的電解液隨著液體溫度的升高，電解液分子活動加劇，使電阻值逐步減小，逐步改變機端電壓，使之達到軟起動的目的。
2、柜內(nèi)增加極板升降電機
通過柜內(nèi)增加極板升降電機，勻速的改變輸入輸出極板之間的距離，改變電阻值的大小，逐步改變機端電壓，使之達到軟起動的目的。
注：其中若是溫度改變阻值大小，主要屬于定子串水阻系列（即鼠籠式電機）。
若通過極板升降電機改變阻值大小，則定子和轉(zhuǎn)子串水阻都可。目前常用的方式還是通過極板升降的方式，方便控制啟動過程。
五、水阻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
（一）若以溫度改變阻值
其柜內(nèi)部主要包括：
1、旁路柜
主要是起動完畢后，將水阻柜短接。
按一次原理的不同，和短接接觸器的數(shù)量，有的在短接后將水阻完全拖開的，有的在短接后，水阻仍然帶電。
根據(jù)客戶需要，選擇真空斷路器或者真空接觸器。真空斷路器需要分、合閘操作，而真空接觸器又分為電保持和機械保持式，電保持不需另增加分閘操作，掉電即分閘，而機械保持式需要分閘操作。
2、水阻柜主體
主要包括3個獨立的水箱，每個水箱底部有一固定的銅極板，水箱上部有一固定的銅極板，分別引出進出一次線。（針對鼠籠式電機講的：定子串水阻）
主要根據(jù)電機大小，計算需要的散熱液體體積，則柜體體積有大有小。例如電機在10MW，則水阻柜主體可能達到10m*2m*4m。
（二）極板升降改變阻值
其柜內(nèi)部主要包括：水箱（三相分開）、一套極板、極板升降電機和相應的軸承，及短接接觸器（短接的接觸器也應客戶需要）、PLC等。
六、運行方式（現(xiàn)場實際操作的依據(jù)數(shù)據(jù)和實現(xiàn)方法）
（一）溫度改變阻值
1、工頻模式下
待廠家調(diào)試完后，每個極板都浸泡在水中，水中加入了根據(jù)計算的電解粉。起動時，通電后，則水阻內(nèi)，溫度逐漸升高，電解液分子活動加劇，極板之間的電阻值逐步減小，電機端的電壓逐步由低到高，根據(jù)調(diào)整的時間，起動完畢后，短接真空接觸器（溫度改變阻值這種主要用于鼠籠式電機），起動完成，水阻被甩開。此種原理的水阻，電機進行連續(xù)重啟時，由于每次重啟時，由于水溫不一致，因此其啟動特性會有差異。在啟動時間間隔較長的情況下，其啟動特性基本可保持一致。
2、變頻模式下
上高壓后，直接短接接觸器（短接接觸器動作信號取自高壓開關(guān)QF0的常開點）。
（二）極板升降改變阻值（重點介紹）
1、運動過程
待廠家調(diào)試完后，每個極板都浸泡在水中，水中加入了根據(jù)計算的電解粉。起動前，上極板在最上面，起動時，上極板在升降電機的帶動下，逐步下移，（有的設置是下移幾秒，停幾秒，繼續(xù)下移，重復）則兩極板之間的距離減小，相應的兩極板之間的電阻值減小，則電機端的電壓逐步由低到高，當上極板移動到最下限位時，短接真空接觸器。與此同時，上極板開始往上回升，升到最上限位時，起動完成。此種方式的水阻，電機連續(xù)啟動時，啟動特性差別不會很大，但是伺服電機等部件造成水阻柜的維護工作增加。（適用于鼠籠式及繞線式電機）。
2、現(xiàn)場參照的實際數(shù)據(jù)及控制邏輯
（1）一般水阻啟動時，起動電流倍數(shù)在2~3.5倍之間，網(wǎng)側(cè)壓降都能滿足上一級變壓器的容量要求；
（2）根據(jù)電機大小，起動時間一般設置為20~40秒，時間一般都可調(diào)，一般超過40秒，則開關(guān)柜會有反時限保護；
（3）“水阻起動信號”�，F(xiàn)在一般的水阻柜，都是采用PLC控制，其中，水阻柜起動信號，取的是對應的開關(guān)起動柜的“斷路器合閘狀態(tài)”，也就是說，當客戶的開關(guān)柜的斷路器合閘以后， 水阻柜的PLC接收到信號后，就開始起動，如極板開始下移；
（4）當開關(guān)柜的斷路器分閘以后，水阻柜的PLC接收到信號后，就將短接接觸器分斷；
（5）即：水阻柜接觸器動作的條件是高壓斷路器QF0合閘（取自QF0常開點）。
3、水阻柜改造變頻器后現(xiàn)場需要做的改動
(1)轉(zhuǎn)子串水阻（對應繞線式電機，手動旁路）
①一次回路的改造，與普通的變頻改造一樣；
②二次回路的改造，需從水阻柜的短接接觸器引出一對“短接接觸器常閉點”，接入變頻器的“急停”回路，可理解為：若水阻柜的短接接觸器不短接，則變頻器無法起動。要注意的是接入“急停”回路時，要繞過“遠程/就地”轉(zhuǎn)換開關(guān)。 即等繞線式電機轉(zhuǎn)子短接后，作為鼠籠式電機起動；
③水阻柜啟動條件串入工頻狀態(tài)。
④現(xiàn)場應用案例介紹。安徽懷寧上峰水泥采用了“轉(zhuǎn)子串水阻”模式的變頻改造，現(xiàn)場電機參數(shù)如下表所示：
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電機型號 |
YPKK800-6 |
轉(zhuǎn)速 |
993R/MIN |
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功率 |
2800KW |
電機廠家 |
蘭州電機股份有限公司 |
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額定電壓 |
10KV |
水阻柜類型 |
極板升降改變阻值 |
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額定電流 |
191.4A |
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功率因數(shù) |
0.881 |
負載 |
B線窯尾高溫風機 |
現(xiàn)場要求水阻柜改造變頻，且工頻運行模式下保留水阻柜的軟起功能，電機為三相異步繞線式電動機，水阻柜類型有柜內(nèi)增加極板升降電機（即極板升降改變阻值）。變頻器為一托一手動旁路柜，變頻器旁路柜一次接線和標配接線方式一樣的，如圖1所示，從客戶母線過來的10KV線是不經(jīng)過水阻柜的（僅僅客戶的AC380V控制電到水阻柜）。
圖1 轉(zhuǎn)子串水阻一次接線圖原理圖
此時，變頻器模式下，水阻柜的旁路柜內(nèi)的短接接觸器在這里就相當于短接轉(zhuǎn)子，使繞線式電機變?yōu)槭蠡\式電機供變頻器使用。工頻模式下，為電機軟起，軟起成功后，水阻柜的旁路柜內(nèi)的短接斷路器在這里就相當于短接轉(zhuǎn)子，使繞線式電機變?yōu)槭蠡\式電機供工頻使用。
采用工頻模式運行時，首先合閘QS3，DCS遠程合閘QF斷路器，水阻柜接收到QF合閘信號及工頻狀態(tài)后，水阻柜運行，此時水阻柜極板自上而下運行，通過水阻柜實現(xiàn)軟起，當極板運行至底部的時候，有個限位開關(guān)，通過連鎖，給水阻柜接觸器KM一個信號，使水阻柜內(nèi)的真空接觸器KM吸合，將水電阻短接掉并保持，繞線式變成鼠籠式電機啟動完成，經(jīng)過延時幾秒后，動極板自動復位至原始狀態(tài)，等待一下次啟動。
采用變頻模式運行時，首先QS1、QS2隔離開關(guān)合閘，DCS啟動QF合閘，高壓電進入變頻器,（水阻柜啟動信號串入工頻狀態(tài)，此時啟動不了，），同時KM水阻柜接觸器接收到QF合閘信號后，KM直接短接，繞線式變?yōu)槭蠡\式電機，變頻器接收到KM短接信號后，通過DSC遠程啟動/停止/調(diào)節(jié)變頻輸出。
另外，我也見過另類的轉(zhuǎn)子串水阻變頻改造，用戶直接將電機的轉(zhuǎn)子連接處打開，將轉(zhuǎn)子上直接短接上銅排，則成為了鼠籠式電機。此時，已完全甩開了水阻。但萬一變頻器發(fā)生故障，變頻轉(zhuǎn)為工頻時，則需要將轉(zhuǎn)子上的銅排拆下（不拆下實現(xiàn)不了軟起，相當于鼠籠式電機直接工頻啟動，導致客戶的變壓器容量受不了），比較麻煩。但選擇權(quán)在于用戶，用戶認為自己的轉(zhuǎn)子經(jīng)常會發(fā)生放炮現(xiàn)象，所以短接后比較合適。
(2)定子串水阻（對應鼠籠式電機，手動旁路）
這種改造相對復雜，需要確定的內(nèi)容主要如下：
①短接斷路器。短接接觸器最少是一個，有時也有兩個，也可能是三個，如其中要詢問清楚各接觸器的合、分閘順序，這個在自動旁路柜中一定要弄清楚，因為在自動變/工頻轉(zhuǎn)換過程中，可能會造成嚴重后果。要詢問清楚各接觸器的自鎖方式，是電保持，還是機械式保持。如是電保持，合分閘共用一個信號即可，如是機械式保持，則合、分閘要分開設計。
②水阻柜啟動信號。變頻改造前，水阻柜起動信號接收的是“斷路器常開點信號”（為母線高壓開關(guān)柜QF0的常開信號，即當QF0合閘后，常開變成常閉，水阻柜啟動，工頻實現(xiàn)軟起），若變頻改造后，則一般需要在此起動水阻柜啟動信號的回路里增加變頻器“工頻狀態(tài)”信號。即工頻時，水阻仍正常起動，若變頻時，則水阻柜不動作。
③水阻柜短接信號。變頻改造前，水阻柜短接信號接收的是“極板下限位行程開關(guān)信號”。變頻改造后，則根據(jù)要求靈活改變，需在短接接觸器的合、分閘回路增加控分閘回路增加控制信號�？刂品绞礁鶕�(jù)客戶要求及系統(tǒng)安全性確定。
④現(xiàn)場應用案例介紹。棗莊泉頭水泥廠采用了“定子串水阻”模式的變頻改造，現(xiàn)場電機參數(shù)如下表所示：
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電機型號 |
YKKP630-6W |
轉(zhuǎn)速 |
995R/MIN |
|
功率 |
2800KW |
電機廠家 |
重慶賽力盟電機股份有限公司 |
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額定電壓 |
10KV |
水阻柜類型 |
極板升降改變阻值 |
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額定電流 |
186.6A |
負載 |
2#高溫風機 |
一次接線圖原理如圖2所示，水阻柜內(nèi)短接接觸器為KM，高壓經(jīng)過水阻柜。
圖2 定子串水阻一次接線圖原理圖
此系統(tǒng)為定子串水阻，水阻柜只有一個接觸器KM，接觸器為機械保持式，系統(tǒng)的二次原理更改有以下幾部分。
第一部分是PLC程序更改了邏輯，并引出線接到KM的分、合閘線圈。水阻柜接觸器KM控制方案如下：
在工頻模式下，KM仍由水阻柜本身的邏輯來控制實現(xiàn)軟起。
在變頻模式下，當高壓啟動柜斷路器QF合閘時，KM就會合閘；當高壓啟動柜斷路器QF分閘時，KM就會分閘。
第二部分是水阻柜起動信號。增加變頻器“工頻信號”串入起動回路。
第三部分是開關(guān)柜允許合閘信號。將變頻器“高壓合閘允許K6”串入高壓開關(guān)柜QF允許合閘回路，其中從控制器發(fā)出的“高壓合閘允許K6”串入了“變頻狀態(tài)”信號。
采用工頻模式運行時，首先QS43/QS44隔離開關(guān)合閘，DCS啟動QF合閘，水阻柜接收到QF合閘信號及工頻狀態(tài)信號后，水阻柜運行，此時水阻柜極板自上而下運行，通過水阻柜實現(xiàn)軟起，當極板運行至底部的時候，有個限位開關(guān)，通過連鎖，給水阻柜接觸器KM一個信號，使水阻柜內(nèi)的真空接觸器KM吸合，將水電阻短接掉并保持，電機啟動完成，經(jīng)過延時幾秒后，動極板自動復位至原始狀態(tài)，等待一下次啟動。
采用變頻模式運行時，首先QS41/QS42隔離開關(guān)合閘，DCS啟動QF合閘，（水阻柜啟動信號串入工頻狀態(tài)，此時啟動不了，也無高壓輸入QS43斷開的），高壓電進入變頻器，通過DSC遠程啟動/停止/調(diào)節(jié)變頻輸出。
目前，對于繞線式電機，水阻柜主體柜和水阻柜旁路柜是分開獨立的，且高壓不經(jīng)過水阻柜，也就是說只有控制電纜進入水阻柜，從水阻柜出線控制電纜到電機轉(zhuǎn)子上。對于鼠籠式電機，水阻柜主體柜和旁路柜是集成的，有高壓電纜通過水阻柜再連接到電機定子上。
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