淺談超高效電動機在地鐵的應(yīng)用及其對MCC 的影響

郭文博

（中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司電化電信院電力所，天津 300308）

電動機在家用電器、商業(yè)、建筑和工業(yè)的各個領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，用于拖動泵、風(fēng)機、壓縮機等設(shè)備，其用電量大約占全國總用電量的60%左右，大約占工業(yè)用電量的75%。目前，地鐵車站中使用了大量三相交流異步電動機，主要用于風(fēng)機、水泵等。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，地鐵配電系統(tǒng)的總負(fù)荷中，其中動力負(fù)荷大約占60%；其中電動機負(fù)荷約占“動力負(fù)荷”的85%以上。GB18613-2020《電動機能效限定值及能效等級》標(biāo)準(zhǔn)已于2021年6月1日正式實施，它是一項強制性標(biāo)準(zhǔn)(GB)。超高效IE3 作為三級能效,成為我國最低的三相異步電動機能效等級。

1 地鐵供配電系統(tǒng)簡介

根據(jù)負(fù)載的不同，地鐵供配電系統(tǒng)可分為2 部分：以降壓變電所為主構(gòu)成的配電系統(tǒng)和由牽引變電所為主構(gòu)成的牽引供電系統(tǒng)，見圖1。降壓變電所的兩路進(jìn)線通常從主變電所、相鄰的變電所或電源開閉所35kV 側(cè)的不同母線引入，接至降壓變電所35kV 側(cè)的兩段母線，一般設(shè)計成單母線分段形式。地鐵的用電負(fù)載一般可分為兩大類：車站、區(qū)間、車輛段、控制中心等所需的動力照明用電，以及機車運行所需的牽引電力。地鐵的動力、照明負(fù)荷按其重要性，分為一、二級及三級負(fù)荷。降壓變電所設(shè)2 臺35(10)/0.4kV 配電變壓器，低壓母線為單母線分段運行方式，見圖1。

圖1 地鐵典型主接線圖

2 超高效IE3 電動機設(shè)計的變化

異步鼠籠電動機的結(jié)構(gòu)見圖2(a)。

圖2 電動機結(jié)構(gòu)及相關(guān)特性

電動機除了將電能轉(zhuǎn)換為機械能，同時，本身也損耗一部分能量。交流電動機的損耗一般包括固定損耗、可變損耗、雜散損耗三部分?？勺儞p耗是隨著負(fù)荷的變化而變化，由定子電阻損耗（銅損）、轉(zhuǎn)子電阻損耗組成；固定損耗和負(fù)荷無關(guān)，由鐵芯損耗和機械損耗組成。鐵損由渦流損耗和磁滯損耗構(gòu)成，和電壓的平方成正比，磁滯損耗與頻率成反比；其他雜散損耗由軸承的摩擦損耗和風(fēng)扇、轉(zhuǎn)子等引起的風(fēng)阻損耗組成。IE3 電動機通過對轉(zhuǎn)子、定子、鐵芯、風(fēng)扇等的優(yōu)化設(shè)計來提高效率。

3 超高效電動機IE3 電氣特性的變化

在啟動過程中，電動機的電流是隨著轉(zhuǎn)速變化的。接通后的過程與短路類似，首先出現(xiàn)一個沖擊電流（在啟動后10 ～15ms），峰值發(fā)生在第一半波，在第二、三周波內(nèi)急劇衰減。在隨后的絕大部分啟動時間內(nèi)（在峰值與0.5 ～10s，這取決于電動機的功率和轉(zhuǎn)動慣量），電流相對穩(wěn)定，但隨著轉(zhuǎn)速的升高而略有下降。在接近額定轉(zhuǎn)速時，電流迅速下降；啟動結(jié)束時（0.5 ～10s之后），降至電動機額定電流或更低。詳見圖2(b)（In為電動機額定電流；Id為起動電流，為有效值）。接通電流的峰值是周期分量和非周期分量組成的全電流的最大值，接通瞬間的相位和起動回路電阻與電抗的比值對峰值會產(chǎn)生影響。GB/T 21210-2016 注4 中提到：電動機接通電流時會有一個0.5 周的不對稱瞬時峰值電流，為穩(wěn)態(tài)值的1.8 ～2.8 倍。此電流的峰值和衰變時間與電動機的設(shè)計及合閘相角呈函數(shù)關(guān)系。這說明當(dāng)已知某電動機的起動電流參數(shù)時，可估算其接通電流峰值為1.8 ～2.8 倍起動電流，如果換算成接通電流有效值則約為1.3 ～2 倍起動電流。超高效IE3 電動機與高效IE2 電動機相比，繞組電阻更小，起動電流及其峰值會更大，由于效率提升，電流有所下降，詳見圖2(d)。從0.75 ～100kW，同容量的電動機IE3 電動機比IE2 電動機的起動電流倍數(shù)可最多增加20%左右。由此可見，隨著IE3 電動機的特性的改變，見圖2(e)，將要求開關(guān)設(shè)備具有較高的接通能力和分?jǐn)嗄芰?，起動電流的峰值電流將成為重要的選型變量。

電動機直接起動主回路最基本配置是斷路器+接觸器+熱繼電器的組合。當(dāng)電動機處發(fā)生短路時，斷路器執(zhí)行短路保護(hù)；接觸器執(zhí)行合分操作；當(dāng)電動機發(fā)生過載時，由熱繼電器執(zhí)行過載保護(hù)。組合的脫扣特性見圖2(c)。電動機保護(hù)用的斷路器，在電動機啟動過程中，一方面，瞬時保護(hù)的整定值要躲過電動機起動瞬間出現(xiàn)在第一個半波的接通電流峰值，整定值不能設(shè)定太低，不能誤動作；另一方面，瞬時保護(hù)整定值要滿足短路保護(hù)靈敏度的要求，整定值不能設(shè)定太高，如果短路故障發(fā)生時，斷路器應(yīng)及時動作，因此斷路器的瞬時保護(hù)特性應(yīng)與電動機的工作特性相匹配。

地鐵中動力負(fù)載的使用類別主要為AC-3，AC-3 使用類別意味著接觸器在控制電動機起停時，接通的是電動機啟動電流，分?jǐn)嗟氖瞧漕~定電流，接觸器選擇時，其接通電流應(yīng)大于電動機的起動電流，其額定電流應(yīng)大于或等于電動機的額定電流，所以接觸器的參數(shù)需要與電動機的工作特性相匹配。

根據(jù)GB/T14048.4-2020，表1 使用類別，AC-3 接通和分?jǐn)嗄芰?Ie（GB14048.4-2020 表7），適用于符合GB/T21210-2016 的N 型和H 型異步電動機，適用于IE2 電動機，但不適用于IE3 電動機。

使用類別AC-3e 的接通和分?jǐn)嗄芰?.5Ie（GB14048.4-2020 表7），適用于更高起動電流的電動機；適用于符合GB/T21210-2016 的NE 型和HE 型異步電動機，適用于IE3 電動機。

鑒于IE3 電動機和IE2 電動機相較，起動電流增加，起動電流峰值也增加，根據(jù)GB ∕T 28575-2020，以37kW電動機為例，起動電流倍數(shù)可達(dá)8.5 倍，電動機保護(hù)斷路器的選型及設(shè)定將會受到影響，否則會引起斷路器誤跳閘，見圖2(f)。

4 電動機主回路元器件的選擇分析

電動機保護(hù)斷路器一般有兩類：第一類，具有過載保護(hù)和短路保護(hù)功能，脫扣器類型包括熱磁式和電子式。第二類，只有短路保護(hù)功能，脫扣器類型為磁脫扣或電子式，因為只含短路保護(hù)功能，需與熱繼電器配合使用，提供電動機過載保護(hù)。低壓配電系統(tǒng)如圖1 所示，配電變壓器為35/0.4kV，1250kVA，阻抗電壓為6%，以環(huán)控電控室負(fù)載排煙風(fēng)機為例，采用直接起動方案，電動機功率Pe為37kW，效率η 為95%，功率因數(shù)cos? 為0.85。降壓變電所到環(huán)控電控室電纜為3×240+1×120mm2，長度為180m。電動機直接起動，距離環(huán)控電控室40m。通過E-TAP 軟件建模進(jìn)行計算，預(yù)期最大短路電流用于斷路器的選型，最小短路電流用于校驗斷路器保護(hù)的靈敏度，詳見圖3。

圖3 最大及最小短路電流計算

電動機的額定電流Ie=Pe//U/cos?/η ≈66A，用于選擇斷路器的額定電流，且應(yīng)大于此值，選定的電動機保護(hù)斷路器的設(shè)定值應(yīng)通過電動機啟動電流峰值的校驗；也用于熱繼電器選型，過載保護(hù)整定電流(Ir=(1.05 ～1.1)Ie)。參照GB ∕T28575-2020，YE3 系列電動機2 極37kW 電動機的起動電流倍數(shù)為8.5，因此，起動電流為(有效值)Ist=8.5Ie=561A。斷路器短路保護(hù)的整定值Iset=(2 ～2.5)Ist，取2.2 倍，Iset=1234A，滿足此要求的斷路器的設(shè)定值應(yīng)高于此值，對于磁脫扣斷路器，一般需要考慮-20%的誤差，對于帶電子脫扣器的斷路器一般考慮-15%的誤差。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著新的電動機能效標(biāo)準(zhǔn)的實施，IE3電動機取代IE2 電動機，電動機的啟動特性變化，影響了電動機保護(hù)斷路器選型，影響了地鐵內(nèi)動力設(shè)備的電氣設(shè)計，需要通盤考慮，避免影響動力設(shè)備的供電的可靠性，影響地鐵的正常運營。