大功率电动机对短路电流的影响

朱永斌

(悉地国际设计顾问(深圳)有限公司，深圳 518033)

0 引言

《低压配电系统设计规范》第3.1.1 条的第6小条规定，“用于断开短路电流的电器应满足短路条件下的接通能力和分断能力”，其条文解释：根据有关产品标准，如现行国家标准《低压开关设备和控制设备 第2 部分：断路器》GB 14048.2—2008 规定低压断路器的“短路分断(或接通)能力”分为“极限短路分断能力”和“运行短路分断能力”，“极限短路分断能力”的定义是：“按规定的实验程序所规定的条件，不要求断路器连续承载起额定电流能力的分断能力”；“运行短路分断能力”的定义是：“按规定的实验程序所规定的条件，要求断路器连续承载起额定电流能力的分断能力”。

同样，在《工业与民用配电设计手册》第四版(简称“配四”)第11 章“低压配电线路保护和低压电器选择”中有类似的要求:断开短路电流的低压电器，应满足在短路条件下分断能力的要求。

工程设计中遇到的大部分情况，都是可以直接计算短路点的短路电流来进行低压断路器分断能力的选择，有一种特别的情况，就是大功率电动机运行时，需要考虑电动机反馈电流对于短路点的短路电流的影响。 所以《低压配电系统设计规范》第3.1.2 条规定，验算电器在短路条件下的接通能力和分断能力应采用接通或分断时安装处预期短路电流，当短路点附近所接电动机额定电流之和超过短路电流的1%时，应计入电动机反馈电流的影响。

为何要考虑电动机反馈电流的影响呢? 原因在于，运转中的电动机本身有反电动势，当外电路短路时，线路电压降低，而电动机因为惯性，还在转动，反电动势作为电源，向短路点输送电流。

在笔者从事的民用建筑项目中，出现最多的大功率电动机就是低压的制冷机房的制冷主机以及水泵，下面笔者就从实际的工程案例中选择其中的一台变压器负荷进行短路反馈电流影响的说明。

1 项目概况

本项目制冷主机房TM1 变压器所带负荷为双工 况 主 机 2 台 624kW/0.38kV， 5 台 132kW/0.38kV 水泵(4 用1 备)，合计安装负荷1 776kW，计算负荷约1 510kW，选择变压器为2 000kVA。制冷主机为星三角降压运行。 以其中一台制冷主机为例，其至变压器出线柜的供电距离为66m(由于制冷机房较大，变压器房已相邻制冷机房配置)，变压器至低压进线柜的距离为1m，低压柜内至制冷机的出线回路的母排按5m 计，低压母排规格为4×[2(TMY－125×10)]，至制冷机的母线为1 600A 密集母线。 图1 所示为低压网络短路电流计算电路图。

图1 低压网络短路电流计算电路图

2 短路点短路电流的计算

由于10kV 进线的短路容量无法获知，假定其短路容量200MVA，其计算结果会存在一定的误差，但经过变压器后，变压器下游的短路电流大小主要取决于变压器的额定容量与短路阻抗以及所在短路点线路的阻抗。

计算过程遵循三相交流系统短路电流计算标准GB/T－15544(等效于IEC－60909)，计算公式如式(1)所示:

式中，I″k为短路点三相短路电流初始值；Zk为三相短路阻抗，MΩ；Rk为三相短路电阻，MΩ；Xk为三相短路电抗，MΩ；c按照380V 系统取1.05。

2.1 馈电网络的阻抗计算

馈电网络的阻抗计算公式如式(2)～(4)所示:

式中，cq按照10kV 系统取1.1；Zqt、Rqt、Xqt分别为馈电网络阻抗、电阻、电抗；Sq为馈电网络短路容量。

2.2 变压器阻抗计算

变压器阻抗计算公式如式(5)～(8)所示:

式中，ZT1、RT1、XT1分别为变压器阻抗、电阻、电抗；uk为变压器阻抗百分比；Un为变压器低压侧标称电压；SrT为变压器额定容量。

2.3 母排处短路电流计算

两根母排并联(长度5m)，则低压柜母排阻抗RL1＝0.5×0.02×5 ＝0.05 MΩ，XL1＝0.5×0.15×5 ＝0.375 MΩ。

因此，根据上述阻抗计算结果，短路电流计算结果如表1 所示。

低压网络短路电流计算结果 表1

根据上述计算结果，在母线处短路时，短路电流约40.31kA，此时母线上由于全是电动机负荷，其所带电动机额定电流大约是2 699A，即使是单台制冷机负荷，其额定电流也已达到1 099A，与短路电流的1%进行对比，40.31×1 000×0.01＝403A＜1 099A。 故需要考虑电动机的反馈电流对短路点的影响。

3 电动机反馈电流的计算

根据《工业与民用配电设计手册》(第四版)，电动机反馈冲击电流的计算公式如式(9)～(13)所示:

式中，I″M为电动机反馈电流交流分量初始值(有效值)，kA；KstM为电动机反馈电流倍数，可取其启动电流倍数；KstMi为第i 台电动机反馈电流倍数，可取其启动电流倍数；INM为电动机额定电流；INMi为第i 台电动机额定电流；KpMi为第i 台电动机反馈电流峰值系数；Ips为由系统送到短路点的短路电流峰值；IpM为由短路点附近的电动机反馈的短路峰值电流；Kps为由系统馈送的短路电流峰值系数；KpM为由异步电动机馈送的短路电流峰值系数，一般可取1.4～1.7；K 为不同类型电动机的修正系数，低压异步电动机取0.9；PM为电动机额定功率；cosφ为电动机功率因数；η为电动机效率。

根据前述变压器所带负荷条件代入本项目实际数据数据，如表2 所示。

多台电动机短路反馈电流计算结果 表2

根据表2 计算结果，电动机反馈电流达到19.45kA，冲击电流峰值达到37.13kA，根据公式I″k1＝I″＋I″M＝19.45＋40.31 ＝59.76kA，对比简单估算的变压器出口处短路电流约I″＝2 000×1.52/0.06 ＝50.6kA，超出约20%的比例。 同样，对于冲击电流Ip＝97.06＋37.13 ＝134.19kA，远大于没有电动机负荷时的峰值电流，超出约近40%。 根据上述计算结论，对于2 000kVA 变压器主断路器及母排选择考虑电动机反馈电流影响与不考虑电动机反馈电流影响，详见表3。

2 000kVA 变压器主断路器及母排选择 表3

根据表3，制冷机房变压器主进断路器及出线断路器的运行分断能力Icu以及短路接通能力Icm对于断路器以及母排来说都有高一级的要求，在工程设计中引起重视。

4 结束语

根据上述分析，由于制冷机房容量大，负荷集中且都是大功率电动机负荷，且一般都设置专用变配电房，其出线回路的首端和末端短路电流都比较大，特别是制冷主机回路，对短路点的反馈电流是需要在工程设计中进行考虑，以便选择合适的断路器运行分断能力以及母排的峰值耐受电流，避免发生不必要的损失。