1 引言
最近十届全国人大常委会第二十三次会议上，全国人大常委会执法检查组关于检查节约能源法实施情况的报告中指出：我国能源利用效率只有33%，比国际先进水平低10个百分点左右，单位国内生产总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，降低单位国内生产总值的能源消耗是迫切需要解决的问题。我们认为在上项目时，要使供电设备的容量（企业电网容量）与用电设备容量相接近也是解决这个问题的一项重要措施。
目前企业中普遍存在供电设施的容量远远大于实际用电设备的容量，甚至在二倍以上的情况。其中一个主要原因是企业的主要用电负荷是电动机，为了满足电动机直接起动时不会引起超过标准规定的电网压降，往往考虑放大供电电网容量。而在美国等一些先进工业化国家正好相反，电动机大都采用软起动器，以降低起动电流，采用较小的供电电网，提高用电设备容量/供电设备容量的比例，从而节约总投资和节约运行电耗。
现以上海宜山路泵站采用2台800kW水泵为例说明采用美国BENSHAW公司高压固态软起动器的经济效果。
2 800kW水泵的起动电流
2.1 电动机的特性如下
电动机型号：YKK800-16；
额定功率：Prat=800kW；
额定电压：Urat=6kV；
额定电流：Irat=109A；
额定转速：Nrat=372r/min；
N*rat=0.992；
Srat=0.008；
额定转矩：Mrat=9550Prat/Nrat=20537.6Nm；
效率：η=0.945；
功率因数：Cosφ=0.74；
堵转电流：I*st=6.5；
堵转转矩：M*st=0.9；
颠覆转矩：Mm=2.5；
电机转动惯量(估计值):GD2=388kgm2；
机组转动惯量：GD2=517kgm2。
由此得出电机的转矩—速度、电流—速度曲线为图1所示：
图1 电机的转矩—速度、电流—速度曲线
2.2 在阀门关闭情况下水泵的转矩-速度曲线如表1和图2所示
表1 阀门关闭情况下水泵的转矩—速度曲线
图2 阀门关闭情况下水泵的转矩-速度曲线
2.3 电动机起动电流
当电动机以恒定电流260%额定电流起动，这时电动机的电流、转矩和速度的变化示于图3和图4中。
图3 电动机的转矩和速度的变化曲线
图4 电动机的电流和速度的变化曲线
由图3和图4可见该起动方法可以满足水泵起动要求，电机起动时间只有5.89s，等效堵转时间仅为0.94s，能够满足电机发热要求。
3 电动机起动时的电网压降
采用标么值计算电网压降，假设35kV母线的短路容量为∞。为了简化计算，在图5中给出了电动机的配电电源图（该泵站采用双回路35kV供电，这是其中一回路，800kW水泵分别接在二个回路中）。
图5 简化的电动机的配电电源图
下面用100MVA作为计算的基准容量Sj：
基准容量
,基准电压
,6kV电源的标准值阻抗为
式中
为变压器阻抗压降。
根据上述分析，如果用BENSHAW的固态软起动器，可以用260%额定电流起动该800kW电动机，其容量Sd=1132kVA,起动容量为：
Sdsj=2.6Sd/Sj=2.6×1132/100000=0.0294
设其平均功率因数cosθ=0.5,则
Sdsj=0.0294×0.5+j0.0294×0.866=0.01471+j0.0255
在起动800kW水泵前，已有Pa=1660kW的负载接在6kV电网母线上，设其功率因数
Cosφ=0.8（sinφ=0.6）;
已有负载的容量Saj=0.0166=0.0166cosφ+j0.0166 sinφ=0.0133+j0.0099
所以在起动800kW水泵电动机时的总用电容量
Sij=Saj+Sdsj=0.028+j0.0354=0.0451
它造成的电压降为： 
。符合标准规定。
如果要让该6kV系统直接起动800kW电机，起动电流为6.5倍额定电流，即
Sdsj=6.5×1132/100000=0.07358
电机直接起动时的功率因数cosφ=0.3，则
Sdsj=0.07358×0.3+j0.07358×0.954=0.02207+j0.0701
起动时的总功率为
Sij=Saj+Sdsj=0.0133+j0.0099+0.02207+j0.0701
=0.0354+j0.08=0.0875
起动时电网压降
Δ
=
=24.5%超出标准规定(压降不大于15%)
如果要使该800kW水泵直接起动时的电网压降不超过15%，则电网的标么值阻抗
要小于：
，
Sb=4375kVA
上式中对于容量更大的变压器
应为7.5%。
所以供电变压器容量要大于
=4375kVA，即要选用4500kVA变压器。比采用软起动器起动电机时的供电容量增加2000kVA。
4 扩大电网容量和采用固态软起动器二种方案的技术经济比较
4.1 投资比较
在本项目中,如果800kW水泵采用直接起动方法，需要的供电变压器为4500kVA。如采用固态软起动器的方案，则供电变压器容量只需要2500kVA，但需要增加1台美国Bwnshaw公司的MVRSM18型固态软起动器。二个方案的投资比较如下：
采用直接起动方案在采用环氧浇注干式变压器的情况下，4500kVA比2500kVA价格多出约29万元，另外按国家发改委规定，上海市电力公司对多回路供电按每kVA收取290元的高可靠性供电费，这样每回路4500kVA比2500kVA要多收：
(4500-2500)×290=58万元
而采用固态软起动器方案,则需增加一台MVRSM18-6KV软起动器,价值46万元。所以直接起动方案比采用固态软起动器方案,投资反而要增加29+58-46=41万元。
4.2 运行成本比较
二种方案的负载功率是一样的，但配电变压器的损耗则不一样。
2500kVA变压器的空载损耗约为3750W，而4500kVA变压器的空载损耗约为6430W，所以采用直接起动、大电网容量方案比采用固态软起动器方案每年要多耗电：
(6430-3750)×24×365/1000=23476.8kW·h
如以电费1元/kW·h计，则每年要多支付23476.8元。
另外供电局规定如果用电量达不到40％的最大定额，仍要按40%最大定额交电费，因此采用4500kVA容量更有可能会多交电费。
4.3 技术性能比较
虽然电网扩容，可以实现水泵直接起动，技术上很简单。实际上水泵直接起动，对水泵和管路的冲击比较大，而且在停车时会因为水锤而导致管路系统剧烈振动。而采用美国Benshaw公司的固态软起动器，因为有转矩控制，在停车时消除了水锤，管路系统的振动也消失了，从而减少了事故，提高了设备运行寿命。
5 与采用水电阻（液体变阻器）方案的比较
在一个桶里装满电解液，通常是碱金属盐溶液，插入二个电极，在电极间就形成电阻，其电阻值大小与电极间的距离成正比，调节电极间的距离就能调节这个电阻值的大小。将这样的可变电阻串入交流电动机定子或转子电路，就可以用来平滑地起动电机。
采用液体变阻器起动交流电动机是一种古老的方法。当然，随着技术的进步，电极的位置可以应用伺服控制系统，所以国内有制造厂提供这样的设备。这种设备有许多致命缺点：一是它如同一个电解槽，每起动电机一次，就要剧烈发热，液体电阻温度大大升高，其电阻值随温度上升而减少。所以如果用在需重复起停的场合，即使有足够的间歇时间，其每次起动电流也都不一样。
所以，液体变阻器是非常不稳定的一种电机起动设备，并且不宜用于需反复起停的场合。
（1）由于电解液受热会挥发，需要不断补充，并且电极会电解掉，需要定期更换。另外电解液挥发所带出的盐雾也会腐蚀周围的电气设备。因此非但它本身的寿命不长，而且也会影响其它电气设备的寿命。
（2）电解液是负温度特性，随着电解液温度的升高，电阻值降低，电流增加，在起动过程中，随着热量的积累，温度上升，电阻变化较大，这就使得它在二次起动之间必须充分冷却从而限制了它的起动频率（每小时起动次数）。
（3）其阻值是由伺服电机驱动电极的运动来调整的，因此响应比较慢。
（4）其体积非常庞大。
（5）需要经常维修。
固态电动机软起动器与液体变阻器的技术经济比较见表2，经过比较，决定采用美国BENSHAW公司生产的固态软起动器。
表2 固态电动机软起动器与液体变阻器的技术经济比较
6 结束语
综上所述，在设计供水系统时采用固态软起动器，不仅可以节约初始总投资额。而且可以降低运营成本，提高技术水平。是降低单位国内生产总值的能源消耗的有效措施。
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