大功率電動機(jī)對短路電流的影響

朱永斌

(悉地國際設(shè)計(jì)顧問(深圳)有限公司，深圳 518033)

0 引言

《低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.1.1 條的第6小條規(guī)定，“用于斷開短路電流的電器應(yīng)滿足短路條件下的接通能力和分?jǐn)嗄芰Α?，其條文解釋：根據(jù)有關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，如現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2 部分：斷路器》GB 14048.2—2008 規(guī)定低壓斷路器的“短路分?jǐn)?或接通)能力”分為“極限短路分?jǐn)嗄芰Α焙汀斑\(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰Α?，“極限短路分?jǐn)嗄芰Α钡亩x是：“按規(guī)定的實(shí)驗(yàn)程序所規(guī)定的條件，不要求斷路器連續(xù)承載起額定電流能力的分?jǐn)嗄芰Α?；“運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰Α钡亩x是：“按規(guī)定的實(shí)驗(yàn)程序所規(guī)定的條件，要求斷路器連續(xù)承載起額定電流能力的分?jǐn)嗄芰Α薄?/p>

同樣，在《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊》第四版(簡稱“配四”)第11 章“低壓配電線路保護(hù)和低壓電器選擇”中有類似的要求:斷開短路電流的低壓電器，應(yīng)滿足在短路條件下分?jǐn)嗄芰Φ囊蟆?/p>

工程設(shè)計(jì)中遇到的大部分情況，都是可以直接計(jì)算短路點(diǎn)的短路電流來進(jìn)行低壓斷路器分?jǐn)嗄芰Φ倪x擇，有一種特別的情況，就是大功率電動機(jī)運(yùn)行時(shí)，需要考慮電動機(jī)反饋電流對于短路點(diǎn)的短路電流的影響。 所以《低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.1.2 條規(guī)定，驗(yàn)算電器在短路條件下的接通能力和分?jǐn)嗄芰?yīng)采用接通或分?jǐn)鄷r(shí)安裝處預(yù)期短路電流，當(dāng)短路點(diǎn)附近所接電動機(jī)額定電流之和超過短路電流的1%時(shí)，應(yīng)計(jì)入電動機(jī)反饋電流的影響。

為何要考慮電動機(jī)反饋電流的影響呢? 原因在于，運(yùn)轉(zhuǎn)中的電動機(jī)本身有反電動勢，當(dāng)外電路短路時(shí)，線路電壓降低，而電動機(jī)因?yàn)閼T性，還在轉(zhuǎn)動，反電動勢作為電源，向短路點(diǎn)輸送電流。

在筆者從事的民用建筑項(xiàng)目中，出現(xiàn)最多的大功率電動機(jī)就是低壓的制冷機(jī)房的制冷主機(jī)以及水泵，下面筆者就從實(shí)際的工程案例中選擇其中的一臺變壓器負(fù)荷進(jìn)行短路反饋電流影響的說明。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目制冷主機(jī)房TM1 變壓器所帶負(fù)荷為雙工 況 主 機(jī) 2 臺 624kW/0.38kV， 5 臺 132kW/0.38kV 水泵(4 用1 備)，合計(jì)安裝負(fù)荷1 776kW，計(jì)算負(fù)荷約1 510kW，選擇變壓器為2 000kVA。制冷主機(jī)為星三角降壓運(yùn)行。 以其中一臺制冷主機(jī)為例，其至變壓器出線柜的供電距離為66m(由于制冷機(jī)房較大，變壓器房已相鄰制冷機(jī)房配置)，變壓器至低壓進(jìn)線柜的距離為1m，低壓柜內(nèi)至制冷機(jī)的出線回路的母排按5m 計(jì)，低壓母排規(guī)格為4×[2(TMY－125×10)]，至制冷機(jī)的母線為1 600A 密集母線。 圖1 所示為低壓網(wǎng)絡(luò)短路電流計(jì)算電路圖。

圖1 低壓網(wǎng)絡(luò)短路電流計(jì)算電路圖

2 短路點(diǎn)短路電流的計(jì)算

由于10kV 進(jìn)線的短路容量無法獲知，假定其短路容量200MVA，其計(jì)算結(jié)果會存在一定的誤差，但經(jīng)過變壓器后，變壓器下游的短路電流大小主要取決于變壓器的額定容量與短路阻抗以及所在短路點(diǎn)線路的阻抗。

計(jì)算過程遵循三相交流系統(tǒng)短路電流計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)GB/T－15544(等效于IEC－60909)，計(jì)算公式如式(1)所示:

式中，I″k為短路點(diǎn)三相短路電流初始值；Zk為三相短路阻抗，MΩ；Rk為三相短路電阻，MΩ；Xk為三相短路電抗，MΩ；c按照380V 系統(tǒng)取1.05。

2.1 饋電網(wǎng)絡(luò)的阻抗計(jì)算

饋電網(wǎng)絡(luò)的阻抗計(jì)算公式如式(2)～(4)所示:

式中，cq按照10kV 系統(tǒng)取1.1；Zqt、Rqt、Xqt分別為饋電網(wǎng)絡(luò)阻抗、電阻、電抗；Sq為饋電網(wǎng)絡(luò)短路容量。

2.2 變壓器阻抗計(jì)算

變壓器阻抗計(jì)算公式如式(5)～(8)所示:

式中，ZT1、RT1、XT1分別為變壓器阻抗、電阻、電抗；uk為變壓器阻抗百分比；Un為變壓器低壓側(cè)標(biāo)稱電壓；SrT為變壓器額定容量。

2.3 母排處短路電流計(jì)算

兩根母排并聯(lián)(長度5m)，則低壓柜母排阻抗RL1＝0.5×0.02×5 ＝0.05 MΩ，XL1＝0.5×0.15×5 ＝0.375 MΩ。

因此，根據(jù)上述阻抗計(jì)算結(jié)果，短路電流計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

低壓網(wǎng)絡(luò)短路電流計(jì)算結(jié)果 表1

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，在母線處短路時(shí)，短路電流約40.31kA，此時(shí)母線上由于全是電動機(jī)負(fù)荷，其所帶電動機(jī)額定電流大約是2 699A，即使是單臺制冷機(jī)負(fù)荷，其額定電流也已達(dá)到1 099A，與短路電流的1%進(jìn)行對比，40.31×1 000×0.01＝403A＜1 099A。 故需要考慮電動機(jī)的反饋電流對短路點(diǎn)的影響。

3 電動機(jī)反饋電流的計(jì)算

根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊》(第四版)，電動機(jī)反饋沖擊電流的計(jì)算公式如式(9)～(13)所示:

式中，I″M為電動機(jī)反饋電流交流分量初始值(有效值)，kA；KstM為電動機(jī)反饋電流倍數(shù)，可取其啟動電流倍數(shù)；KstMi為第i 臺電動機(jī)反饋電流倍數(shù)，可取其啟動電流倍數(shù)；INM為電動機(jī)額定電流；INMi為第i 臺電動機(jī)額定電流；KpMi為第i 臺電動機(jī)反饋電流峰值系數(shù)；Ips為由系統(tǒng)送到短路點(diǎn)的短路電流峰值；IpM為由短路點(diǎn)附近的電動機(jī)反饋的短路峰值電流；Kps為由系統(tǒng)饋送的短路電流峰值系數(shù)；KpM為由異步電動機(jī)饋送的短路電流峰值系數(shù)，一般可取1.4～1.7；K 為不同類型電動機(jī)的修正系數(shù)，低壓異步電動機(jī)取0.9；PM為電動機(jī)額定功率；cosφ為電動機(jī)功率因數(shù)；η為電動機(jī)效率。

根據(jù)前述變壓器所帶負(fù)荷條件代入本項(xiàng)目實(shí)際數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，如表2 所示。

多臺電動機(jī)短路反饋電流計(jì)算結(jié)果 表2

根據(jù)表2 計(jì)算結(jié)果，電動機(jī)反饋電流達(dá)到19.45kA，沖擊電流峰值達(dá)到37.13kA，根據(jù)公式I″k1＝I″＋I(xiàn)″M＝19.45＋40.31 ＝59.76kA，對比簡單估算的變壓器出口處短路電流約I″＝2 000×1.52/0.06 ＝50.6kA，超出約20%的比例。 同樣，對于沖擊電流Ip＝97.06＋37.13 ＝134.19kA，遠(yuǎn)大于沒有電動機(jī)負(fù)荷時(shí)的峰值電流，超出約近40%。 根據(jù)上述計(jì)算結(jié)論，對于2 000kVA 變壓器主斷路器及母排選擇考慮電動機(jī)反饋電流影響與不考慮電動機(jī)反饋電流影響，詳見表3。

2 000kVA 變壓器主斷路器及母排選擇 表3

根據(jù)表3，制冷機(jī)房變壓器主進(jìn)斷路器及出線斷路器的運(yùn)行分?jǐn)嗄芰cu以及短路接通能力Icm對于斷路器以及母排來說都有高一級的要求，在工程設(shè)計(jì)中引起重視。

4 結(jié)束語

根據(jù)上述分析，由于制冷機(jī)房容量大，負(fù)荷集中且都是大功率電動機(jī)負(fù)荷，且一般都設(shè)置專用變配電房，其出線回路的首端和末端短路電流都比較大，特別是制冷主機(jī)回路，對短路點(diǎn)的反饋電流是需要在工程設(shè)計(jì)中進(jìn)行考慮，以便選擇合適的斷路器運(yùn)行分?jǐn)嗄芰σ约澳概诺姆逯的褪茈娏?，避免發(fā)生不必要的損失。