火电厂低压大功率电动机电路设计有关问题分析

万白鸽

摘要：在火力发电厂中，75～200kW的低压电机因电网容量较大，多采用全电压直接启动。由于启动电流较大，对电机电路元件的选择、保护的配置有更高的要求。文章以火电厂输煤皮带电机电路的设计问题作标准，给出一种针对使用相同自动空气开关的双路电机的电缆选择、一次电路形式、保护灵敏度与保护配置等方面的设计理念。

关键词：火电厂；低压大功率电机；电路设计；输煤皮带电机；双路电机 文献标识码：A

中图分类号：TM32 文章编号：1009-2374（2016）29-0021-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.29.009

1 问题的提出

火电厂的输煤系统使用75～200kW的电机，供电装置380/220的母线包括了电力电缆、接触器、自动空气开关等，一般电缆短则几十米，长则几百米。使用了单路和双路两种电机，也就是一台自动空气开关为两台电动机服务，通過动力箱中的两台接触器进行控制，电动机的启动和跳闸必须是同步的。笔者探讨的是后者，有多个可行的设计方案。

设计过程中有这些问题：（1）对于一次电路接线，动力箱两个电机选择并接或者分列方式运行？（2）在选择电缆截面时，要遵循怎样的原则？如何让电压损失符合相关要求？（3）如何既节省了投资，保护的灵敏度又得到保证？电动机是用一套还是分别配置零序保护与电流速断？上述问题有广泛的关联性。

考虑到的短路电流并不大，只有几千安，因此相比其他的问题，电流速断保护灵敏度最为重要。对保护配置、灵敏度校验、保护整定、电动机容量与安装距离、电缆截面与型式选择、短路电流计算、一次电路方案进行综合考虑，这是本文的设计理念。在相同的计算式里找到理想的方案。

2 设计思想

2.1 电缆截面选择

通常情况下，火力发电厂输煤系统用电负荷一般在5000h左右，电机电缆长度超过20m，在确定电缆截面时要结合经济电流密度进行考虑，确保持续允许电流、短路热稳定以及允许电压损失要求全部得到保障。

2.1.1 按经济电流密度初选电缆截面。在确定截面时：

在计算出Sj后，接下来就要确定使用Sj差异比较小的标准截面。按照电缆的选择使电流要求得到满足，但别的要求得不到充分的保障，因此在某些情况下，要根据N次Sj选择部分截面（N≥1）。

2.1.2 电压损失校验。令S=Sj=Ig/j电压损失的截面判别式，可得：

此时，做最坏的打算，选择电缆芯在额定负荷下能够接受上限温度的电阻率。

可由式（2）得出，每台电机电缆的选取由电机的N倍经济截面来取，可以允许L值的电压损失要求得到满足。

2.1.3 短路热稳定校验。电缆热稳定截面的公式：

从式（1）得出：75～200kV电机经济截面为150～400mm2，最小截面（150mm2）同时能够确保热稳定要求得到满足，因此剩下的问题在以下方案中予以

解决。

2.2 设计方案论证

2.2.1 保护整定及灵敏度。

第一，电流速断保护。

电机配有一套保护：

式中：IDZ动作电流；Kk可靠系数，本文取1.5；Iqd电动机启动电流。

灵敏度：KLm=I″（2）/IDZ（5）式中，载荷大于等于2。

第二，零序保护动作电流idz0应避免启动和不平衡电流，KLm按电动机出口单相接地短路电流I″（1）校验，要求KLm≥1.5。一般情况下，零序保护KLm都能实现。

2.2.2 短路电流计算。由有关的文献所列原则、参数与计算公式作为依据，短路电流为电机出口短路时进行计算得出的短路电流。由有关公式计算已知设备的总电阻R、电抗X和设计的电缆电阻R“与电抗X”，则有：

低压（3×95）～（3×185）不同性能的单根电缆，单位长度电缆的电阻，和截面相乘是一个常数，用Kr代表；单位长度电缆的电抗也是常数，用Kx代表。将总速断保护3和总开关连在一起，根据式（4）得：

2.2.3 将KLm≥2，式（7）代入式（5），得：

方案1：电源箱没有总线，2个电机分别运行，选择各电机电路的电缆，选择N倍经济段，电缆长度为

L。则：

将式（8）展开，并将式（9）、式（10）代入两边乘n2，整理得：

式中，对方案1：A=1、B=2、H=1。因为IED=2ped，所以式（11）在电动机容量确定的情况下，电缆截面以及诸多参数，对保护灵敏度的最大允许L值可由式（11）满足。因为上述的推论是利用IED/J，如果实际选择小于理论值，则式（11）和后类似的公式计算得L值过大，可适当降低。

方案3：动力箱中不安装母排，两个电机采取分列方式运行。

方案4：在动力箱中安装母排，两个电机采取并列方式运行。

根据实例得出结论：在条件保持不变的情况下，方案1的特点是能够在灵敏度得到保护的前提下，使用电缆最短L1。方案3需要电缆L3最长，因此如果电动机距离很远的话，可以选择计划3。满足保护灵敏、电缆长度和截面，同时能够保障允许电压损失的要求。

2.3 长距离电机电路的建议方案

总开关下口有速断保护3，在电缆两端安装的速断保护，在动力箱设计母线和接触器C3调整控制、保护接线，电机进入工作状态的前十几秒，C3断开，保护3退出，投入保护1和2；电机即将启动时，C3闭合，保护3投入。对保护1、2、3进行整定时，以躲过一台电机Iq为依据，根据式（6）进行计算。因此计划只把KLm适当减低，KLm≥1.5，保护3的功能在于防御启动后阶段和工作状态下的多相短路，其KLm≥2。

从保护3的角度来看，也能推导出类似式（11）在这种情况下，若采用这一方案，在选择电缆时结合经济截面考虑的话，把这一方案中的A、B、H值代入式（11），可解得L′5和L″5。一般有L′5n″5，选择n′5，它比方案3能够接纳的n值更小，并且电压损失没有超过可接受范围。

通过上述分析，相比方案3，该方案在电缆方面所需的成本更低，尽管新增了保护和动力箱成本，但整体来看还是有一定的成本优势。

3 结语

本文研究了火电厂双电机驱动系统的煤粉处理系统的设计，满足了组合设计要求。L值是经济截面取得的最大值，其计算由式（11）进行，能够作为依据提供给电机确定安装地点的配电装置。其原因是使电机电路的投资最少，已知容量和安装位置的电机可以尽量减少经济横截面的计算，决定方案的选择。

只有Iqd=7Ied的单鼠笼电机对导出的公式适用，如果是双鼠笼电动机或深槽电动机，则所有计算L式的末项及所有计算n式的首项将有变化（其Iqd约分别为5.5和4.5倍Ied）。很明显，对厂用变压器而言，采用两种电机及短路阻抗百分数较低者，可以使允许的L值得到提升，并且允许的N值可以变小，能够减少投资，使设计的灵活性得到提高。

参考文献

[1] 水利电力部西北电力设计院.电力工程电气设计手册（电气一次部分）[M].北京：水利电力出版社，1989.

[2] 西北电力设计院，东北电力设计院.电力工程设计手册（第一册）[M].上海：人民出版社，1972.

[3] 西北电力设计院，东北电力设计院.电力工程设计手册（第二册）[M].上海：人民出版社，1973.

（责任编辑：黄银芳）