一、水阻柜原理

水阻起動(dòng)柜是近年來(lái)運(yùn)用比較廣泛的電機(jī)起動(dòng)設(shè)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(jī)定子回路（鼠籠型電機(jī)）或轉(zhuǎn)子回路（繞線式電機(jī)）中串入液態(tài)電阻，電機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中液態(tài)電阻阻值在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)無(wú)級(jí)減小，直至阻值接近為零，將液阻自動(dòng)切除，電機(jī)投入正常運(yùn)行，每小時(shí)多可以啟動(dòng)2-3次。

二、運(yùn)動(dòng)過(guò)程

水阻柜運(yùn)行過(guò)程：高壓開(kāi)關(guān)柜合閘的同時(shí)，水阻柜接收到高壓開(kāi)關(guān)柜的合閘信號(hào)，水阻柜動(dòng)極板自上而下開(kāi)始運(yùn)行，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)動(dòng)極板運(yùn)動(dòng)過(guò)程中電阻值逐漸下降，當(dāng)電阻接近于零時(shí)，通過(guò)一個(gè)限位開(kāi)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(jī)啟動(dòng)完成，經(jīng)過(guò)延時(shí)幾秒后，動(dòng)極板自動(dòng)復(fù)位至原始狀態(tài)，等待一下次啟動(dòng)。如水阻柜在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)起動(dòng)沒(méi)有完成就會(huì)發(fā)出一個(gè)故障報(bào)警信號(hào)，自動(dòng)切斷開(kāi)關(guān)柜，確保電機(jī)不開(kāi)路。

三、水阻柜缺點(diǎn)

水阻的效率低，只能做軟啟動(dòng)。如果作為調(diào)速，必須將水阻柜箱體（液體電阻部分）長(zhǎng)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(zhǎng)期帶電，發(fā)熱嚴(yán)重，要有外圍散熱設(shè)備才能維持運(yùn)行。所以相對(duì)人力維護(hù)成本也會(huì)增加。

四、水阻柜的改造方式

在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際改造中：雖然水阻柜存在以上缺點(diǎn)，但是客戶在水阻柜改造變頻時(shí)還是會(huì)保留工頻水阻啟動(dòng)的模式。

（一）一般水阻柜有兩種改造方式，按照電機(jī)的不同，分為兩種水阻串接方式

1、轉(zhuǎn)子串水阻

即電機(jī)屬于繞線式電機(jī)，即轉(zhuǎn)子回路未短接。此時(shí)通過(guò)改變起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)子回路的電阻值來(lái)逐步實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。

2、定子串水阻

即電機(jī)屬于鼠籠型電機(jī)，即轉(zhuǎn)子回路在電機(jī)內(nèi)部已短接。此時(shí)通過(guò)改變起動(dòng)過(guò)程中定子回路的電阻值來(lái)逐步實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。

（二）按照實(shí)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(dòng)過(guò)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(dòng)加劇，使電阻值逐步減小，逐步改變機(jī)端電壓，使之達(dá)到軟起動(dòng)的目的。

2、柜內(nèi)增加極板升降電機(jī)

通過(guò)柜內(nèi)增加極板升降電機(jī)，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(jī)端電壓，使之達(dá)到軟起動(dòng)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(jī)）。

若通過(guò)極板升降電機(jī)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(guò)極板升降的方式，方便控制啟動(dòng)過(guò)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(dòng)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(kāi)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(jī)械保持式，電保持不需另增加分閘操作，掉電即分閘，而機(jī)械保持式需要分閘操作。

2、水阻柜主體

主要包括3個(gè)獨(dú)立的水箱，每個(gè)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(jìn)出一次線。（針對(duì)鼠籠式電機(jī)講的：定子串水阻）

主要根據(jù)電機(jī)大小，計(jì)算需要的散熱液體體積，則柜體體積有大有小。例如電機(jī)在10MW，則水阻柜主體可能達(dá)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(kāi)）、一套極板、極板升降電機(jī)和相應(yīng)的軸承，及短接接觸器（短接的接觸器也應(yīng)客戶需要）、PLC等。

六、運(yùn)行方式（現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作的依據(jù)數(shù)據(jù)和實(shí)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(gè)極板都浸泡在水中，水中加入了根據(jù)計(jì)算的電解粉。起動(dòng)時(shí)，通電后，則水阻內(nèi)，溫度逐漸升高，電解液分子活動(dòng)加劇，極板之間的電阻值逐步減小，電機(jī)端的電壓逐步由低到高，根據(jù)調(diào)整的時(shí)間，起動(dòng)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(jī)），起動(dòng)完成，水阻被甩開(kāi)。此種原理的水阻，電機(jī)進(jìn)行連續(xù)重啟時(shí)，由于每次重啟時(shí)，由于水溫不一致，因此其啟動(dòng)特性會(huì)有差異。在啟動(dòng)時(shí)間間隔較長(zhǎng)的情況下，其啟動(dòng)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(dòng)作信號(hào)取自高壓開(kāi)關(guān)QF0的常開(kāi)點(diǎn)）。

（二）極板升降改變阻值（重點(diǎn)介紹）

1、運(yùn)動(dòng)過(guò)程

待廠家調(diào)試完后，每個(gè)極板都浸泡在水中，水中加入了根據(jù)計(jì)算的電解粉。起動(dòng)前，上極板在上面，起動(dòng)時(shí)，上極板在升降電機(jī)的帶動(dòng)下，逐步下移，（有的設(shè)置是下移幾秒，停幾秒，繼續(xù)下移，重復(fù)）則兩極板之間的距離減小，相應(yīng)的兩極板之間的電阻值減小，則電機(jī)端的電壓逐步由低到高，當(dāng)上極板移動(dòng)到下限位時(shí)，短接真空接觸器。與此同時(shí)，上極板開(kāi)始往上回升，升到上限位時(shí)，起動(dòng)完成。此種方式的水阻，電機(jī)連續(xù)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)特性差別不會(huì)很大，但是伺服電機(jī)等部件造成水阻柜的維護(hù)工作增加。（適用于鼠籠式及繞線式電機(jī)）。

2、現(xiàn)場(chǎng)參照的實(shí)際數(shù)據(jù)及控制邏輯

（1）一般水阻啟動(dòng)時(shí)，起動(dòng)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(jí)變壓器的容量要求；

（2）根據(jù)電機(jī)大小，起動(dòng)時(shí)間一般設(shè)置為20~40秒，時(shí)間一般都可調(diào)，一般超過(guò)40秒，則開(kāi)關(guān)柜會(huì)有反時(shí)限保護(hù)；

（3）“水阻起動(dòng)信號(hào)”。現(xiàn)在一般的水阻柜，都是采用PLC控制，其中，水阻柜起動(dòng)信號(hào)，取的是對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)起動(dòng)柜的“斷路器合閘狀態(tài)”，也就是說(shuō)，當(dāng)客戶的開(kāi)關(guān)柜的斷路器合閘以后， 水阻柜的PLC接收到信號(hào)后，就開(kāi)始起動(dòng)，如極板開(kāi)始下移；

（4）當(dāng)開(kāi)關(guān)柜的斷路器分閘以后，水阻柜的PLC接收到信號(hào)后，就將短接接觸器分?jǐn)啵?/p>

（5）即：水阻柜接觸器動(dòng)作的條件是高壓斷路器QF0合閘（取自QF0常開(kāi)點(diǎn)）。

3、水阻柜改造變頻器后現(xiàn)場(chǎng)需要做的改動(dòng)

(1)轉(zhuǎn)子串水阻（對(duì)應(yīng)繞線式電機(jī)，手動(dòng)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(duì)“短接接觸器常閉點(diǎn)”，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(wú)法起動(dòng)。要注意的是接入“急停”回路時(shí)，要繞過(guò)“遠(yuǎn)程/就地”轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。  即等繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子短接后，作為鼠籠式電機(jī)起動(dòng)；

③水阻柜啟動(dòng)條件串入工頻狀態(tài)。

④現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(chǎng)電機(jī)參數(shù)如下表所示：

現(xiàn)場(chǎng)要求水阻柜改造變頻，且工頻運(yùn)行模式下保留水阻柜的軟起功能，電機(jī)為三相異步繞線式電動(dòng)機(jī)，水阻柜類(lèi)型有柜內(nèi)增加極板升降電機(jī)（即極板升降改變阻值）。變頻器為一托一手動(dòng)旁路柜，變頻器旁路柜一次接線和標(biāo)配接線方式一樣的，如圖1所示，從客戶母線過(guò)來(lái)的10KV線是不經(jīng)過(guò)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(shí)，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(dāng)于短接轉(zhuǎn)子，使繞線式電機(jī)變?yōu)槭蠡\式電機(jī)供變頻器使用。工頻模式下，為電機(jī)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(dāng)于短接轉(zhuǎn)子，使繞線式電機(jī)變?yōu)槭蠡\式電機(jī)供工頻使用。

采用工頻模式運(yùn)行時(shí)，首先合閘QS3，DCS遠(yuǎn)程合閘QF斷路器，水阻柜接收到QF合閘信號(hào)及工頻狀態(tài)后，水阻柜運(yùn)行，此時(shí)水阻柜極板自上而下運(yùn)行，通過(guò)水阻柜實(shí)現(xiàn)軟起，當(dāng)極板運(yùn)行至底部的時(shí)候，有個(gè)限位開(kāi)關(guān)，通過(guò)連鎖，給水阻柜接觸器KM一個(gè)信號(hào)，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(jī)啟動(dòng)完成，經(jīng)過(guò)延時(shí)幾秒后，動(dòng)極板自動(dòng)復(fù)位至原始狀態(tài)，等待一下次啟動(dòng)。

采用變頻模式運(yùn)行時(shí)，首先QS1、QS2隔離開(kāi)關(guān)合閘，DCS啟動(dòng)QF合閘，高壓電進(jìn)入變頻器,（水阻柜啟動(dòng)信號(hào)串入工頻狀態(tài)，此時(shí)啟動(dòng)不了，），同時(shí)KM水阻柜接觸器接收到QF合閘信號(hào)后，KM直接短接，繞線式變?yōu)槭蠡\式電機(jī)，變頻器接收到KM短接信號(hào)后，通過(guò)DSC遠(yuǎn)程啟動(dòng)/停止/調(diào)節(jié)變頻輸出。

另外，我也見(jiàn)過(guò)另類(lèi)的轉(zhuǎn)子串水阻變頻改造，用戶直接將電機(jī)的轉(zhuǎn)子連接處打開(kāi)，將轉(zhuǎn)子上直接短接上銅排，則成為了鼠籠式電機(jī)。此時(shí)，已完全甩開(kāi)了水阻。但萬(wàn)一變頻器發(fā)生故障，變頻轉(zhuǎn)為工頻時(shí)，則需要將轉(zhuǎn)子上的銅排拆下（不拆下實(shí)現(xiàn)不了軟起，相當(dāng)于鼠籠式電機(jī)直接工頻啟動(dòng)，導(dǎo)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(rèn)為自己的轉(zhuǎn)子經(jīng)常會(huì)發(fā)生放炮現(xiàn)象，所以短接后比較合適。

(2)定子串水阻（對(duì)應(yīng)鼠籠式電機(jī)，手動(dòng)旁路）

這種改造相對(duì)復(fù)雜，需要確定的內(nèi)容主要如下：

①短接斷路器。短接接觸器少是一個(gè)，有時(shí)也有兩個(gè)，也可能是三個(gè)，如其中要詢問(wèn)清楚各接觸器的合、分閘順序，這個(gè)在自動(dòng)旁路柜中一定要弄清楚，因?yàn)樵谧詣?dòng)變/工頻轉(zhuǎn)換過(guò)程中，可能會(huì)造成嚴(yán)重后果。要詢問(wèn)清楚各接觸器的自鎖方式，是電保持，還是機(jī)械式保持。如是電保持，合分閘共用一個(gè)信號(hào)即可，如是機(jī)械式保持，則合、分閘要分開(kāi)設(shè)計(jì)。

②水阻柜啟動(dòng)信號(hào)。變頻改造前，水阻柜起動(dòng)信號(hào)接收的是“斷路器常開(kāi)點(diǎn)信號(hào)”（為母線高壓開(kāi)關(guān)柜QF0的常開(kāi)信號(hào)，即當(dāng)QF0合閘后，常開(kāi)變成常閉，水阻柜啟動(dòng)，工頻實(shí)現(xiàn)軟起），若變頻改造后，則一般需要在此起動(dòng)水阻柜啟動(dòng)信號(hào)的回路里增加變頻器“工頻狀態(tài)”信號(hào)。即工頻時(shí)，水阻仍正常起動(dòng)，若變頻時(shí)，則水阻柜不動(dòng)作。

③水阻柜短接信號(hào)。變頻改造前，水阻柜短接信號(hào)接收的是“極板下限位行程開(kāi)關(guān)信號(hào)”。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(hào)。控制方式根據(jù)客戶要求及系統(tǒng)安全性確定。

④現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(chǎng)電機(jī)參數(shù)如下表所示：

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(guò)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(gè)接觸器KM，接觸器為機(jī)械保持式，系統(tǒng)的二次原理更改有以下幾部分。

優(yōu)秀部分是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(lái)控制實(shí)現(xiàn)軟起。

在變頻模式下，當(dāng)高壓?jiǎn)?dòng)柜斷路器QF合閘時(shí)，KM就會(huì)合閘；當(dāng)高壓啟動(dòng)柜斷路器QF分閘時(shí)，KM就會(huì)分閘。

第二部分是水阻柜起動(dòng)信號(hào)。增加變頻器“工頻信號(hào)”串入起動(dòng)回路。

第三部分是開(kāi)關(guān)柜允許合閘信號(hào)。將變頻器“高壓合閘允許K6”串入高壓開(kāi)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(hào)。

采用工頻模式運(yùn)行時(shí)，首先QS43/QS44隔離開(kāi)關(guān)合閘，DCS啟動(dòng)QF合閘，水阻柜接收到QF合閘信號(hào)及工頻狀態(tài)信號(hào)后，水阻柜運(yùn)行，此時(shí)水阻柜極板自上而下運(yùn)行，通過(guò)水阻柜實(shí)現(xiàn)軟起，當(dāng)極板運(yùn)行至底部的時(shí)候，有個(gè)限位開(kāi)關(guān)，通過(guò)連鎖，給水阻柜接觸器KM一個(gè)信號(hào)，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(jī)啟動(dòng)完成，經(jīng)過(guò)延時(shí)幾秒后，動(dòng)極板自動(dòng)復(fù)位至原始狀態(tài)，等待一下次啟動(dòng)。

采用變頻模式運(yùn)行時(shí)，首先QS41/QS42隔離開(kāi)關(guān)合閘，DCS啟動(dòng)QF合閘，（水阻柜啟動(dòng)信號(hào)串入工頻狀態(tài)，此時(shí)啟動(dòng)不了，也無(wú)高壓輸入QS43斷開(kāi)的），高壓電進(jìn)入變頻器，通過(guò)DSC遠(yuǎn)程啟動(dòng)/停止/調(diào)節(jié)變頻輸出。

目前，對(duì)于繞線式電機(jī)，水阻柜主體柜和水阻柜旁路柜是分開(kāi)獨(dú)立的，且高壓不經(jīng)過(guò)水阻柜，也就是說(shuō)只有控制電纜進(jìn)入水阻柜，從水阻柜出線控制電纜到電機(jī)轉(zhuǎn)子上。對(duì)于鼠籠式電機(jī)，水阻柜主體柜和旁路柜是集成的，有高壓電纜通過(guò)水阻柜再連接到電機(jī)定子上。