淺談超高效電動機在地鐵的應用及其對MCC 的影響

郭文博

（中國鐵路設計集團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、建筑和工業的各個領域中的廣泛應用，用于拖動泵、風機、壓縮機等設備，其用電量大約占全國總用電量的60%左右，大約占工業用電量的75%。目前，地鐵車站中使用了大量三相交流異步電動機，主要用于風機、水泵等。根據相關統計，地鐵配電系統的總負荷中，其中動力負荷大約占60%；其中電動機負荷約占“動力負荷”的85%以上。GB18613-2020《電動機能效限定值及能效等級》標準已于2021年6月1日正式實施，它是一項強制性標準(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 地鐵供配電系統簡介

根據負載的不同，地鐵供配電系統可分為2 部分：以降壓變電所為主構成的配電系統和由牽引變電所為主構成的牽引供電系統，見圖1。降壓變電所的兩路進線通常從主變電所、相鄰的變電所或電源開閉所35kV 側的不同母線引入，接至降壓變電所35kV 側的兩段母線，一般設計成單母線分段形式。地鐵的用電負載一般可分為兩大類：車站、區間、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、照明負荷按其重要性，分為一、二級及三級負荷。降壓變電所設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 電動機設計的變化

異步鼠籠電動機的結構見圖2(a)。

圖2 電動機結構及相關特性

電動機除了將電能轉換為機械能，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。可變損耗是隨著負荷的變化而變化，由定子電阻損耗（銅損）、轉子電阻損耗組成；固定損耗和負荷無關，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扇、轉子等引起的風阻損耗組成。IE3 電動機通過對轉子、定子、鐵芯、風扇等的優化設計來提高效率。

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速變化的。接通后的過程與短路類似，首先出現一個沖擊電流（在啟動后10 ～15ms），峰值發生在第一半波，在第二、三周波內急劇衰減。在隨后的絕大部分啟動時間內（在峰值與0.5 ～10s，這取決于電動機的功率和轉動慣量），電流相對穩定，但隨著轉速的升高而略有下降。在接近額定轉速時，電流迅速下降；啟動結束時（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，為穩態值的1.8 ～2.8 倍。此電流的峰值和衰變時間與電動機的設計及合閘相角呈函數關系。這說明當已知某電動機的起動電流參數時，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)，將要求開關設備具有較高的接通能力和分斷能力，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。當電動機處發生短路時，斷路器執行短路保護；接觸器執行合分操作；當電動機發生過載時，由熱繼電器執行過載保護。組合的脫扣特性見圖2(c)。電動機保護用的斷路器，在電動機啟動過程中，一方面，瞬時保護的整定值要躲過電動機起動瞬間出現在第一個半波的接通電流峰值，整定值不能設定太低，不能誤動作；另一方面，瞬時保護整定值要滿足短路保護靈敏度的要求，整定值不能設定太高，如果短路故障發生時，斷路器應及時動作，因此斷路器的瞬時保護特性應與電動機的工作特性相匹配。

地鐵中動力負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，分斷的是其額定電流，接觸器選擇時，其接通電流應大于電動機的起動電流，其額定電流應大于或等于電動機的額定電流，所以接觸器的參數需要與電動機的工作特性相匹配。

根據GB/T14048.4-2020，表1 使用類別，AC-3 接通和分斷能力為8Ie（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 的接通和分斷能力為8.5Ie（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GB ∕T 28575-2020，以37kW電動機為例，起動電流倍數可達8.5 倍，電動機保護斷路器的選型及設定將會受到影響，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

電動機保護斷路器一般有兩類：第一類，具有過載保護和短路保護功能，脫扣器類型包括熱磁式和電子式。第二類，只有短路保護功能，脫扣器類型為磁脫扣或電子式，因為只含短路保護功能，需與熱繼電器配合使用，提供電動機過載保護。低壓配電系統如圖1 所示，配電變壓器為35/0.4kV，1250kVA，阻抗電壓為6%，以環控電控室負載排煙風機為例，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cos? 為0.85。降壓變電所到環控電控室電纜為3×240+1×120mm2，長度為180m。電動機直接起動，距離環控電控室40m。通過E-TAP 軟件建模進行計算，預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，且應大于此值，選定的電動機保護斷路器的設定值應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為8.5，因此，起動電流為(有效值)Ist=8.5Ie=561A。斷路器短路保護的整定值Iset=(2 ～2.5)Ist，取2.2 倍，Iset=1234A，滿足此要求的斷路器的設定值應高于此值，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 結語

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