大功率電動(dòng)機(jī)對(duì)短路電流的影響

朱永斌

(悉地國(guó)際設(shè)計(jì)顧問(wèn)(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(kāi)短路電流的電器應(yīng)滿(mǎn)足短路條件下的接通能力和分?jǐn)嗄芰Α保錀l文解釋?zhuān)焊鶕?jù)有關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，如現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《低壓開(kāi)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保皹O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保弧斑\(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(cè)》第四版(簡(jiǎn)稱(chēng)“配四”)第11 章“低壓配電線(xiàn)路保護(hù)和低壓電器選擇”中有類(lèi)似的要求:斷開(kāi)短路電流的低壓電器，應(yīng)滿(mǎn)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(lái)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(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，需要考慮電動(dòng)機(jī)反饋電流對(duì)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(dòng)機(jī)額定電流之和超過(guò)短路電流的1%時(shí)，應(yīng)計(jì)入電動(dòng)機(jī)反饋電流的影響。

為何要考慮電動(dòng)機(jī)反饋電流的影響呢? 原因在于，運(yùn)轉(zhuǎn)中的電動(dòng)機(jī)本身有反電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)外電路短路時(shí)，線(xiàn)路電壓降低，而電動(dòng)機(jī)因?yàn)閼T性，還在轉(zhuǎn)動(dòng)，反電動(dòng)勢(shì)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(dòng)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(tái)變壓器負(fù)荷進(jìn)行短路反饋電流影響的說(shuō)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(tái) 624kW/0.38kV， 5 臺(tái) 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(tái)制冷主機(jī)為例，其至變壓器出線(xiàn)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(xiàn)柜的距離為1m，低壓柜內(nèi)至制冷機(jī)的出線(xiàn)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(xiàn)為1 600A 密集母線(xiàn)。 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(xiàn)的短路容量無(wú)法獲知，假定其短路容量200MVA，其計(jì)算結(jié)果會(huì)存在一定的誤差，但經(jīng)過(guò)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(xiàn)路的阻抗。

計(jì)算過(guò)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(chēng)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(zhǎng)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(xiàn)處短路時(shí)，短路電流約40.31kA，此時(shí)母線(xiàn)上由于全是電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，其所帶電動(dòng)機(jī)額定電流大約是2 699A，即使是單臺(tái)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(duì)比，40.31×1 000×0.01＝403A＜1 099A。 故需要考慮電動(dòng)機(jī)的反饋電流對(duì)短路點(diǎn)的影響。

3 電動(dòng)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(cè)》(第四版)，電動(dòng)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(dòng)機(jī)反饋電流交流分量初始值(有效值)，kA；KstM為電動(dòng)機(jī)反饋電流倍數(shù)，可取其啟動(dòng)電流倍數(shù)；KstMi為第i 臺(tái)電動(dòng)機(jī)反饋電流倍數(shù)，可取其啟動(dòng)電流倍數(shù)；INM為電動(dòng)機(jī)額定電流；INMi為第i 臺(tái)電動(dòng)機(jī)額定電流；KpMi為第i 臺(tái)電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(lèi)型電動(dòng)機(jī)的修正系數(shù)，低壓異步電動(dòng)機(jī)取0.9；PM為電動(dòng)機(jī)額定功率；cosφ為電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)；η為電動(dòng)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(tái)電動(dòng)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(dòng)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(duì)比簡(jiǎn)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(duì)于沖擊電流Ip＝97.06＋37.13 ＝134.19kA，遠(yuǎn)大于沒(méi)有電動(dòng)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(duì)于2 000kVA 變壓器主斷路器及母排選擇考慮電動(dòng)機(jī)反饋電流影響與不考慮電動(dòng)機(jī)反饋電流影響，詳見(jiàn)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(xiàn)斷路器的運(yùn)行分?jǐn)嗄芰cu以及短路接通能力Icm對(duì)于斷路器以及母排來(lái)說(shuō)都有高一級(jí)的要求，在工程設(shè)計(jì)中引起重視。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(dòng)機(jī)負(fù)荷，且一般都設(shè)置專(zhuān)用變配電房，其出線(xiàn)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(duì)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鳎苊獍l(fā)生不必要的損失。