大功率電動機對短路電流的影響

朱永斌

(悉地國際設計顧問(深圳)有限公司，深圳 518033)

0 引言

《低壓配電系統設計規范》第3.1.1 條的第6小條規定，“用于斷開短路電流的電器應滿足短路條件下的接通能力和分斷能力”，其條文解釋：根據有關產品標準，如現行國家標準《低壓開關設備和控制設備 第2 部分：斷路器》GB 14048.2—2008 規定低壓斷路器的“短路分斷(或接通)能力”分為“極限短路分斷能力”和“運行短路分斷能力”，“極限短路分斷能力”的定義是：“按規定的實驗程序所規定的條件，不要求斷路器連續承載起額定電流能力的分斷能力”；“運行短路分斷能力”的定義是：“按規定的實驗程序所規定的條件，要求斷路器連續承載起額定電流能力的分斷能力”。

同樣，在《工業與民用配電設計手冊》第四版(簡稱“配四”)第11 章“低壓配電線路保護和低壓電器選擇”中有類似的要求:斷開短路電流的低壓電器，應滿足在短路條件下分斷能力的要求。

工程設計中遇到的大部分情況，都是可以直接計算短路點的短路電流來進行低壓斷路器分斷能力的選擇，有一種特別的情況，就是大功率電動機運行時，需要考慮電動機反饋電流對于短路點的短路電流的影響。 所以《低壓配電系統設計規范》第3.1.2 條規定，驗算電器在短路條件下的接通能力和分斷能力應采用接通或分斷時安裝處預期短路電流，當短路點附近所接電動機額定電流之和超過短路電流的1%時，應計入電動機反饋電流的影響。

為何要考慮電動機反饋電流的影響呢? 原因在于，運轉中的電動機本身有反電動勢，當外電路短路時，線路電壓降低，而電動機因為慣性，還在轉動，反電動勢作為電源，向短路點輸送電流。

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

1 項目概況

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

圖1 低壓網絡短路電流計算電路圖

2 短路點短路電流的計算

由于10kV 進線的短路容量無法獲知，假定其短路容量200MVA，其計算結果會存在一定的誤差，但經過變壓器后，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線路的阻抗。

計算過程遵循三相交流系統短路電流計算標準GB/T－15544(等效于IEC－60909)，計算公式如式(1)所示:

式中，I″k為短路點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 系統取1.05。

2.1 饋電網絡的阻抗計算

饋電網絡的阻抗計算公式如式(2)～(4)所示:

式中，cq按照10kV 系統取1.1；Zqt、Rqt、Xqt分別為饋電網絡阻抗、電阻、電抗；Sq為饋電網絡短路容量。

2.2 變壓器阻抗計算

變壓器阻抗計算公式如式(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為變壓器低壓側標稱電壓；SrT為變壓器額定容量。

2.3 母排處短路電流計算

兩根母排并聯(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，根據上述阻抗計算結果，短路電流計算結果如表1 所示。

低壓網絡短路電流計算結果 表1

根據上述計算結果，在母線處短路時，短路電流約40.31kA，此時母線上由于全是電動機負荷，其所帶電動機額定電流大約是2 699A，即使是單臺制冷機負荷，其額定電流也已達到1 099A，與短路電流的1%進行對比，40.31×1 000×0.01＝403A＜1 099A。 故需要考慮電動機的反饋電流對短路點的影響。

3 電動機反饋電流的計算

根據《工業與民用配電設計手冊》(第四版)，電動機反饋沖擊電流的計算公式如式(9)～(13)所示:

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

根據前述變壓器所帶負荷條件代入本項目實際數據數據，如表2 所示。

多臺電動機短路反饋電流計算結果 表2

根據表2 計算結果，電動機反饋電流達到19.45kA，沖擊電流峰值達到37.13kA，根據公式I″k1＝I″＋I″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，遠大于沒有電動機負荷時的峰值電流，超出約近40%。 根據上述計算結論，對于2 000kVA 變壓器主斷路器及母排選擇考慮電動機反饋電流影響與不考慮電動機反饋電流影響，詳見表3。

2 000kVA 變壓器主斷路器及母排選擇 表3

根據表3，制冷機房變壓器主進斷路器及出線斷路器的運行分斷能力Icu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，在工程設計中引起重視。

4 結束語

根據上述分析，由于制冷機房容量大，負荷集中且都是大功率電動機負荷，且一般都設置專用變配電房，其出線回路的首端和末端短路電流都比較大，特別是制冷主機回路，對短路點的反饋電流是需要在工程設計中進行考慮，以便選擇合適的斷路器運行分斷能力以及母排的峰值耐受電流，避免發生不必要的損失。