電動(dòng)機(jī)起動(dòng)對(duì)其配電斷路器短路整定影響探討

劉月英， 李良勝

(深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，深圳518029)

0 引言

市政建筑工程電動(dòng)機(jī)配電主回路元件一般由斷路器、接觸器和熱繼電器三部分組成。 此時(shí)斷路器主要起短路保護(hù)作用，其短延時(shí)和瞬時(shí)過電流脫扣器整定，主要取決于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中產(chǎn)生的沖擊電流。 而沖擊電流又受電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式、起動(dòng)電流和電動(dòng)機(jī)種類等多種因素約束，因此在工程設(shè)計(jì)中，斷路器短路整定是一個(gè)較為復(fù)雜的技術(shù)問題。本文特就籠型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式對(duì)其配電斷路器短路整定影響展開探討。

1 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流

電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流Ist大小，與電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式、種類、容量、極數(shù)等因素密切相關(guān)，一般是其額定電流的若干倍，二者存在如下關(guān)系式:

式中，Ist為起動(dòng)電流(穩(wěn)態(tài)周期分量有效值)，A；K為起動(dòng)電流倍數(shù)，取值可參見表1；In為電動(dòng)機(jī)額定電流，A。

直接起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流倍數(shù)值一般為5 ～8，本文一律取7；開式Y(jié)-△起動(dòng)時(shí)，電機(jī)定子繞組由△接法變?yōu)樾切谓臃ǎ肯嗬@組所受電壓降低到運(yùn)行電壓的1/3，起動(dòng)電流為直接起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流的1/3；自耦變壓器起動(dòng)方式是利用三相自耦變壓器(50%、65%、80%等多種抽頭比)降低電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中端電壓，以減小電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流，其起動(dòng)電流為直接起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流乘以自耦變壓器抽頭比的平方。

軟起動(dòng)是采用三相反并聯(lián)晶閘管作為調(diào)壓器，將其接入電源和電動(dòng)機(jī)定子之間晶閘管輸出電壓逐漸增加，電動(dòng)機(jī)逐漸加速；當(dāng)晶閘管全導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)數(shù)、工作在額定電壓，整個(gè)啟動(dòng)過程結(jié)束。 該起動(dòng)方式在保持電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性方面，實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)，降低啟動(dòng)電流，一定程度上可以避免起動(dòng)過流跳閘。 軟起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流一般可取電動(dòng)機(jī)額定電流的2 ～5 倍(即此時(shí)K ＝2 ～5，本文均取2.5)。

常規(guī)的變頻起動(dòng)，是利用電力半導(dǎo)體器件通斷作用，把電壓、頻率固定不變的交流電源變成電壓、頻率都可調(diào)的電源。 即主要采用交-直-交方式(即VVVF 變頻或矢量控制變頻)先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電源均可控制的交流電源，以供給電動(dòng)機(jī)。 變頻起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流一般可取為電動(dòng)機(jī)額定電流的1～2 倍(即此時(shí)K＝1～2，本文均取1.5)。

2 電動(dòng)機(jī)沖擊電流

三相異步電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子切割定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁力線，轉(zhuǎn)子上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流和相應(yīng)磁場(chǎng)；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子繞組線圈就會(huì)切割該轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)磁力線，產(chǎn)生與定子電流方向相反的電流；正是該電流阻礙定子上通過的電流(即產(chǎn)生阻抗)。 所以電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，其電流一般并不大。 而當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子還沒有轉(zhuǎn)動(dòng)(或者轉(zhuǎn)速還很低)，沒有(或緩慢)切割磁力線，也就沒有(或幾乎沒有)產(chǎn)生該阻抗，因此電流就會(huì)很大，其暫態(tài)過程近似于短路(參考文獻(xiàn)[2] 第12.1.1.5 節(jié)，也有類似結(jié)論)。

電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中，回路電流并非恒定不變，而是隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化而變化。 其回路電流最大值亦即沖擊電流，將發(fā)生在第一周波的前半波，并在第二、三周波內(nèi)較快衰減，接著在隨后較長一段時(shí)間內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定(此時(shí)回路電流可稱為起動(dòng)電流Ist，即穩(wěn)態(tài)周期分量)，直到電動(dòng)機(jī)接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)再迅速下降，至起動(dòng)結(jié)束時(shí)降至電動(dòng)機(jī)額定電流。

參照參考文獻(xiàn)[1]，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)沖擊電流與其起動(dòng)電流的關(guān)系式為:

圖1 Kp 與比值 關(guān)系曲線圖

根據(jù)以上推算，得出Ist≤Ip≤ 3 Ist。

3 斷路器整定電流

3.1 整定公式

電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中，斷路器動(dòng)作特性和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流特性關(guān)系如圖2 所示。 此時(shí)要求配電主回路中斷路器不因電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)沖擊電流而導(dǎo)致脫扣。 即斷路器短延時(shí)過電流脫扣器(若有)整定電流Iset2和瞬時(shí)過電流脫扣器整定電流Iset3，均要躲過電動(dòng)機(jī)沖擊電流Ip。

圖2 斷路器動(dòng)作特性和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流特性關(guān)系圖

參照GB 50055-2011《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第2.3.5 條4 款，短延時(shí)過電流脫扣器整定電流Iset2宜躲過沖擊電流，即Iset2＞Ip；考慮到斷路器動(dòng)作誤差和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)電流誤差等因素，本文提出如下通用公式:

式中，Ka為短延時(shí)過電流脫扣器整定可靠系數(shù)。 根據(jù)前述第2 節(jié)內(nèi)容和GB 50055 第2.3.5 條，Ka應(yīng)大于3；本文取為1.8。 需注意的是，參考文獻(xiàn)[2]公式11.3—4 與GB 50055 第2.3.5 條規(guī)定存在一定差異，本文系按后者執(zhí)行。

對(duì)于瞬時(shí)過電流脫扣器整定電流Iset3，根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]公式11.3—5，可有:Iset3＝1.2Ip；再結(jié)合GB 50055，本文提出如下通用公式:

式中，Kb為瞬時(shí)過電流脫扣器整定可靠系數(shù)。 若據(jù)GB 50055，取為2～2.5；若據(jù)參考文獻(xiàn)[2]公式11.3～5，取為1.2×(2～2.5)；但本文取為2.2(該數(shù)值也借鑒了參考文獻(xiàn)[2]第12.1.5.3 節(jié)結(jié)論)。

3.2 整定電流倍數(shù)速查表

因此，根據(jù)公式(3)(4)及有關(guān)約定，分別得到:

因此可得到電動(dòng)機(jī)不同起動(dòng)方式下K、Iset2和Iset3關(guān)系表，見表1。

電動(dòng)機(jī)不同起動(dòng)方式下K、Iset2和Iset3關(guān)系表 表1

3.3 工程案例

以Y180M-4-H 電動(dòng)機(jī)配電為例，額定功率為18.5kW，額定電流為35.9A。 假設(shè)其直接起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流取為其額定電流7 倍，其自耦降壓抽頭比為0.65，其軟起動(dòng)和變頻起動(dòng)的起動(dòng)電流倍數(shù)分別為2.5 和1.5，并且假設(shè)回路短路靈敏度已經(jīng)滿足規(guī)范要求，則根據(jù)表1 和前述內(nèi)容，可得出不同起動(dòng)方式下，18.5kW 電動(dòng)機(jī)配電斷路器短延時(shí)過電流脫扣器(若有)整定電流Iset2和瞬時(shí)過電流脫扣器整定電流Iset3整定值，如表2 所示(括號(hào)內(nèi)數(shù)值已按湊10 取整)。

18.5kW 電動(dòng)機(jī)配電斷路器Iset2和Iset3整定值 表2

4 結(jié)束語

(1)電動(dòng)機(jī)配電斷路器短路脫扣器整定值與電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)沖擊電流密切相關(guān)，并應(yīng)躲過后者。

(2)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)沖擊電流與其起動(dòng)電流和配電回路總電阻及總電抗成分比等因素相關(guān)。

(3)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流與其額定電流之間存在倍數(shù)關(guān)系，且隨起動(dòng)方式不同而有所不同。

(4)實(shí)際工程中，進(jìn)行合理抽象和適當(dāng)簡化后，可以得到電動(dòng)機(jī)配電斷路器短路脫扣器快捷整定方法。