淺析大功率電動機起動與變壓器容量的匹配

摘要：針對蘇州某工廠的冷凍機設備起動過程中發生高壓柜跳閘事故及安徽滁州某家電園大型冷凍機起動和運行過程中出現變壓器過載事故，分析了這兩個事故，發生事故的根本原因在于大型電動機的起動功率和變壓器容量選擇不相匹配。提出合理選擇變壓器容量并與大功率電動機設備功率相匹配，提高電動機電壓供電等級，降低軟起動器的起動設定上限值等預防技術措施，避免此類事故再次發生。

關鍵詞：起動峰值電流;過流保護整定值;軟起動器;大功率電動機

中圖分類號：TU855

文獻標志碼：A文章編號：1674-8417（2024）06-0037-06

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.06.007

0引言

大型離心式冷凍機設備的電機功率與上一級供電變壓器的設計容量不匹配是容易出現的設計問題。本文列舉的兩個真實事故案例都發生在大型離心式冷凍機設備起動過程中，出現了上一級高壓斷路器過載保護動作或變壓器出現短時過載情況。本文通過事故情況描述和事故原因分析，發現大型離心式冷凍機功率與變壓器設計容量選擇不匹配的共同原因，調整冷凍機的軟起動器設定起動電流限值，與生產廠家確定變壓器的短時過載能力后，解決了大型冷凍機起動時與變壓器的容量不匹配的技術問題。為避免同類事故再次發生，給出了從設計源頭上選擇合理的變壓器容量、對離心式冷凍機電動機提高電壓供電等級、調整離心式冷凍機的軟起動器起動電流限值等措施，避免事故再次發生的參考意見。

1事故情況描述1.1事故一描述

蘇州某工廠離心式冷凍機在調試起動過程中，離心式冷凍機組設備額定功率達到356.8kW。Szh212-T3變壓器容量為1250kVA，T3變壓器下負荷有大型離心式冷凍機組設備和冷凍水泵組等設備。每次起動離心式冷凍機組過程中都發生上一級T3變的高壓柜綜保繼電器過流保護動作，T3變壓器斷電后離心式冷凍機無法完成正常的起動過程。2019年6月15日，Szh2122#冷凍機調試運行過程中，Szh212-T3變壓器高壓側線路出現對地擊穿短路，造成Szh204高壓AH12總進線跳電，Szh204、Szh211、Szh212所有變壓器均斷電，造成全廠生產中斷10min。全廠高壓配電系統圖如圖1所示。

本案例冷凍機為離心式冷水機組，離心式冷水機組的制冷量達到2100kW，額定工作電壓為380

V，額定工作電流達619A，起動電流達到3024A，

該離心式制冷機采用了固態軟起動器起動。

冷凍機銘牌參數如下：額定功率為356.8kW;額定電流為619A;堵轉電流為5040A;

最大起動電流為3024A;

起動時間為10s;電壓為380～400V。

離心式冷凍機組起動電流曲線如圖2所示。測試時機組A相輸入電壓384.68V，B相輸入電壓386.45V，C相輸入電壓388.29V，軟起設定值：LRA=5040A，電流限制在60%。實測機組起動電流，B相曲線起動電流峰值為2757A，持續時間為1.5s。

供電公司提供的T3變高壓柜保護定值：過流保護整定的二次側電流整定值為2.2A，時間為0.3s。離心式制冷機在每次起動過程中實際起動電流達到2757A，二次側電流2.757A。因此離心式制冷機在每次起動時，起動電流換算到二次側電流2.757A都會超過高壓柜的額定電流保護整定值2.2A，導致T3變高壓柜過流保護動作和斷電。

按照冷凍機廠家建議，讓冷凍機的起動電流躲過T3變高壓柜過流保護整定值，運行人員調大了T3變過電流保護定值到2.7A，延長過流保護動作的時間到0.5s。調整整定值后離心式冷凍機在第二次起動過程中，雖然沒有發生T3變高壓柜過流保護動作。但是在2019年6月15日，Szh2122#冷凍機調試起動過程中，Szh212-T3變壓器高壓側電纜終端出現對地擊穿短路，全廠出現了大面積停電事故。212-T3變高壓柜整定值如圖3所示。

1.2事故二描述

安徽滁州某家電園的3#變壓器運行中產生多次變壓器超過額定電流的過載情況，3#變壓器的額定容量為1600kVA，銘牌額定電流為2309A。

當生產線五步壓機設備電流迅速上升時，3#變壓器會產生明顯高于其他變壓器的蜂鳴聲。3#變壓器低壓側負荷設計除了4#母線下工藝生產部分有1394A計算電流以外，還有大功率的工藝螺桿機245kW和空調離心冷機531kW，空調離心機和工藝螺桿機滿載時電流會達到約1300A。從BA系統記錄數字來看，每次531kW的空調離心冷機起動時，冷機的起動電流偏大，導致變壓器過載超出額定電流2309A約10%的情況。在2021年9月份3#變壓器在PowerManager的記錄中，出現了15次超過3#變壓器允許工作負荷的情況。

2電動機起動方式介紹和事故原因分析2.1星三角起動

常規星三角起動方式適用于低壓螺桿、離心機組。星三角起動在星形方式下電動機的三相繞組接成星形，每個繞組承受的電壓為0.578Ue，經過延時后（根據電動機實際運行狀態調節，1～20s可調），星三角轉換裝置使電動機三相繞組接成三角形，起動電流和時間參考值：低壓離心機：Imax≤0.33LRA，t≤10s。星三角起動波形圖如圖4所示。

2.2固態軟起動

固態軟起動方式適用于低壓螺桿、離心式及高壓離心式機組。電動機軟起動器是運用串接于電源與被控電機之間的軟起動器，控制其內部晶閘管的導通角，使電機輸入電壓從零以預設函數關系逐漸上升，直至起動結束賦予電機全電壓。本案例采用了固態軟起動的起動方式，固態起動波形圖如圖5所示。

起動電流和時間參考值：低壓離心機：I_max≤0.5LRA，t≤10s。

2.3固態軟起動和星三角起動差異

為了降低起動電流，三相異步電機起動過程采用星形接線起動，起動完成后改為三角形運行，在星形起動和三角形切換時有沖擊并且起動電流不可調。

軟起動器是靠單片機控制晶閘管的導通角實現電壓從零平滑上升的，起動電流、電壓、時間在一定范圍可調，達到平滑起動減小沖擊的特

點。最關鍵區別是，星三角的起動有兩次電壓突升，而軟起動器波形平緩，沒有明顯的電流沖擊和轉矩沖擊。

2.4事故原因分析2.4.1事故一原因分析

事故一發生后，業主方組織了技術專家組，分析了事故一產生可能的3個原因。

（1）因外力故障或異常電壓超過電纜終端的允許范圍導致電氣擊穿事件。

（2）冷水機組起動電流產生峰值高次諧波，對供電設備包括高壓柜、變壓器、高壓電力電纜產生不利影響。

（3）不同級別的保護設定值不匹配。

針對大功率冷凍機在起動過程中頻繁發生高壓柜跳閘的事故，業主組織了由設計、冷凍機設備廠家和調試方等一同參加的事故分析會議。將事故的原因確定為，T3變高壓柜過流保護整定值從2.2A、0.3s調大到2.7A、0.5s。整定值調整后離心式冷凍機電機的起動電流可以躲過高壓柜的過流保護整定值，但是冷凍機在起動過程中產生的峰值電流也因為缺少高壓柜的過流保護從而對電網設備和電纜終端造成破壞性的沖擊。事故發生后，業主將高壓柜過流保護整定值保持回原先設定值2.2A和0.3s。

2.4.2事故二原因分析

3#變壓器容量為1600kVA。3#變壓器系統圖如圖6所示。由圖6可知，下游包含了如下設備。

（1）工藝部分（4#母線）：AP410-200kW，AP344-712kW，AP319-230A，AP315-345A，AP311-213A，7#Crane-30kW，8#Crane-30kW。

（2）Facility部分（電纜線）：工藝螺桿機245kW（一用一備），空調離心冷機531kW，污水站55kW，鍋爐房104kW（夏季停車），加壓泵房75kW，其他40kW。

3#變壓器低壓側負荷設計除了4#母線下工藝生產部分有1394A計算電流以外，加入了大功率的工藝螺桿機245kW（一用一備）和空調離

心冷機531kW，空調離心機和螺桿機滿載時電流達到約1300A。從BA系統記錄數字來看，每次531kW的空調離心冷機起動時，變壓器過載超出額定電流約10%的情況。在2021年9月份3#變壓器在PowerManager的記錄中，出現了15次超過3#變壓器允許工作負荷的情況。

3解決方案及措施3.1事故一的解決方案

設計院提出了將冷凍機軟起動器的起動電

流限制值從60%的LRA調低到40%的LRA。軟起動器的起動電流限值調整后冷凍機的起動電流的峰值會降低到2016A，可以避開T3主變高壓柜過流保護整定電流值2.2A（換算到低壓側的電流2200A）。在與冷凍機設備廠家技術再次確認，將軟起動器的限制電流調低到40%是否會影響冷凍機的起動，廠家的答復是通常將軟起動器出廠電流限值放在50%LRA以上，可以保證離心式冷凍機的壓縮機獲得足夠大的起動電流，且扭矩值可順利完成起動過程。通過現場測試來驗證起動限制電流調低到40%是否可以完成冷凍機起動。當軟起動器電流限值調低到40%后，冷凍機起動時間雖然延長一些，但是冷凍機順利地完成了整個起動過程，沒有再發生T3變高壓柜過流保護動作的事件。

3.2事故二的解決方案選擇

3#變壓器在安全可控的狀態下工作，提供了4個解決方案供用戶選擇。

解決方案一：將3#變壓器下的空調離心冷機電纜移至4#變壓器下的備用2500A斷路器下。

解決方案二：3#和4#變壓器（2×1600kVA）做并聯運行，共同承擔3#和4#變壓器下的負荷，2×1600kVA變壓器并聯運行后，目前負荷率高的3#變壓器可以降低負荷率，負荷率低的4#變壓器可以分擔一部分原3#變壓器的負荷。

解決方案三：按照原設計院的提議將3#變壓器（1600kVA變壓器）更換成2000kVA容量。

解決方案四：從3年的運行狀況看，3#變壓器過載頻率低，運行情況尚可，建議維持3#變壓器的工作現狀。

綜合比較4個方案，用戶選擇了方案四，維持3#變壓器的工作現狀，因為在與變壓器生產廠家確認后變壓器具備20%短時過載能力，可以允許出現短時過載的情況，這也是最經濟的方案。

3.3后續跟進措施

（1）現場觀察到3#變壓器的低壓側總表隨著五步壓機的運行節奏，低壓柜總表的諧波電流值出現較大的波動變化。建議測量諧波電壓和電流后，對此諧波產生原因進行分析，并且對應進行諧波治理。

（2）在PowerManager持續觀察3#變壓器的運行電流是否會出現超出3#變壓器額定電流。

（3）與冷凍機廠家技術確認是否可以調整離心式冷凍機軟起動器的設定值到40%的LRA，降低離心式冷凍機的起動電流。

（4）未來項目，對于大功率用電設備比如離心式冷機組的電氣參數等信息，須設計復核并且考慮與變壓器容量匹配。

（5）變壓器的招標文件內須由廠家提供變壓器過載性能曲線等關鍵數據。建議使用諸如西門子等國際一線品牌變壓器。

3.4以上兩個事故案例通用解決方案

通過以上兩個真實事故案例，總結防止此類事故再次發生的技術措施如下。

（1）在設計階段，考慮單臺變壓器的容量與大功率電機之間的匹配，一般電動機的起動電流是額定電流的4～7倍，變壓器應能承受這種沖擊電流影響。直接起動的電動機中最大的一臺容量，一般不超過變壓器容量的30%［1］。當變壓器容量無法滿足這個條件時，可以采用兩臺變壓器兩兩并聯的運行方式，提高負載側的供電容量。但是變壓器并聯運行后，低壓側的事故短路電流會提高，注意低壓柜的短路分斷能力也相應提高。

（2）對于低壓大功率電機的額定功率在320kW以上的設備，應優先選用10kV電壓等級的高壓電動機，可以避免低壓側大功率電機產生的較大起動電流對電網的起動沖擊影響［2］。

（3）低壓大功率電機的冷凍機設備在每次起動調試前，與冷凍機廠家核實后可以將軟起動器的起動電流限制在40%～50%LRA之間，以降低低壓大功率電機的起動電流。

（4）變壓器高壓柜過流保護整定值應當與大型電機設備的起動電流相互匹配，高壓柜的綜合保護繼電器的過流保護定值計算應躲過大型電機設備的起動峰值電流。

（5）合理采用電動機起動調速技術，宜采用電動機變頻調速方式以降低電動機的起動電流，且變頻調速裝置應有抑制高次諧波的措施。

4結語

本文通過兩個事故案例的事故原因分析，發現了事故發生的原因共性是大型離心式冷凍機電動機的功率與變壓器的容量選擇不匹配。根據不同的現場實際情況給出了適合現場的技術解決措施，建議從設計源頭上合理選擇變壓器容量并與大功率電動機設備功率相匹配;對于大功率電動機設備而言，可以提高電壓供電等級以降低起動電流;以及降低離心式冷凍機的軟起動器的起動設定值上限降低起動電流峰值等技術措施，避免此類事故再次發生。

［1］中國航空規劃設計研究總院有限公司.工業與民用供配電設計手冊［M］.第四版.北京：中國電力出版社，2016.

［2］鋼鐵企業電力設計手冊編委會.鋼鐵企業電力設計手冊［M］.北京：冶金工業出版社，1996.

收稿日期：20231127

DiscussionofHigh-PowerMotorCapacityMatchwithTransformer

GUODanchun

［Bosch（China）InvestmentCo.，Ltd.，Shanghai200335，China］

Abstract：Byanalyzingtwoaccidentsofhigh-voltageswitchgeartripoffinSuzhouplantandshort-termoverloadoftransformersinChuzhouplantduringthestartupofhigh-powermotorequipment，itisanalyzedthatthefundamentalreasonfortheaccidentisthemismatchbetweenthetransformercapacityandselectionoflargemotors.Providethepreventivetechnicalmeasures，reasonableselectionoftransformercapacityandmatchitwiththepowerofhigh-powermotorequipment，Raisethehighvoltagesupplylevelofthemotorandreducetheupperlimitvalueofthesoftstarterstartupsettingvaluetoavoidtheaccidentrecurred.

Keywords：motorstartingpeakcurrent;mettingvalueofovercurrentprotection;softstarter;high-powerelectricmotor