1、火電廠低壓大功率電動機電路設計有關問題Problems Concerning Circuit Design of Low VoltageLarge Power Motors for Thermal Power Plants姚 春 球周 琳【摘要】從火電廠輸煤皮帶電動機電路設計中實際存在的問題出發，對共用一臺自動空氣開關的雙路電動機的一次電路形式、電纜選擇、保護配置及保護靈敏度等問題，提出一種新的設計思路。【關鍵詞】電動機電路設計方案允許值1問題的提出在火電廠的輸煤系統中，功率為75200 kW的電動機，通常由380/220 V配電裝置母線經自動空氣開關、電力電纜及就地裝設的接觸器供電，電纜長度

2、一般為幾十米至幾百米。其中，部分電動機為單路；而相當部分電動機為雙路，即2臺電動機共用1臺自動空氣開關，并由就地動力箱中的2臺接觸器分別控制，要求2臺電動機同時啟動，同時跳閘。本文主要討論后者，因為其設計方案可以有多種。實際設計中遇到的主要問題是：(1)一次電路接線方面，兩電動機在動力箱處采用并接運行還是分列運行?(2)電纜截面應按什么原則選擇?電壓損失在什么情況下才能滿足要求?(3)對電流速斷和零序保護采用兩電動機合用一套還是分別配置?怎樣才能既保證保護靈敏度又節省投資?這些問題都是相互聯系的，而且設計原則在有關文獻上已很明確，但是，有關文獻都未給出解決問題的捷徑。由于廠用電動機電路末端短路

3、時，短路電流較小，三相短路電流一般也只有幾千安培，因而電流速斷保護靈敏度是上述問題中最為突出的問題。如果按照常規的設計程序進行設計，往往需要反復進行，不能迅速獲得最優方案。本文的設計思想在于：將一次電路方案，電動機容量和安裝距離，短路電流計算，電纜截面和型式選擇，繼電保護配置，保護整定及靈敏度校驗等問題綜合考慮，并體現在同一計算式中，從而能迅速地確定最優方案。2設計思想2.1電纜截面選擇火電廠中輸煤系統的最大負荷利用小時Tm一般在5 000 h以上，電動機電路的電纜長度在20 m以上，所以，電纜截面應按經濟電流密度選擇，并應滿足持續允許電流，短路熱穩定和允許電壓損失要求。2.1.1按經濟電流密

4、度初選電纜截面截面選擇公式為1Sj=Ig/j2Ped/j (mm2)(1)式中，Sj為電纜經濟截面積(mm2)；Ig為計算工作電流(A)；j為經濟電流密度(A/mm2)；Ped為電動機額定容量(kW)。在計算出Sj后，應選擇接近Sj的標準截面。一般在計及實際環境溫度和敷設條件后，按j選擇的電纜都能滿足持續允許電流要求，但未必能滿足其他要求，所以，有時需要按n倍Sj選擇截面(n1)。2.1.2按電壓損失校驗問題滿足允許電壓損失的截面判別式為令S=Sj=Ig/j，可得式中，L為電纜長度(m)；Ue為網絡額定電壓，這里Ue=380 V；U%為允許電壓損失百分數，一般低壓電動機取5，特別遠的電動機取1

5、0；為電纜芯線電阻率(.mm2/m)。這里，考慮最嚴重的情況，取電纜芯在額定負荷下最高允許溫度的電阻率。由式(3)可求得，當每臺電動機回路按n倍經濟截面選取電纜時，能滿足允許電壓損失要求的L值。2.1.3按短路情況校驗熱穩定問題校驗電纜熱穩定截面的公式為式中，S為電纜熱穩定要求的最小截面(mm2)；Qt為短路熱效應(kA2.s)；C為熱穩定系數，對低壓普通油浸紙絕緣鋁芯電纜取C=87。對于Qt，考慮最嚴重的情況，即首端電纜段短路，并取更大的短路電流值，即容量最大，短路電壓最低的廠用變壓器出口三相短路電流值進行估算。由于廠用變壓器低壓側短路電流可以認為不衰減，在中央配電裝置以下短路時可以不計及異

6、步電動機的反饋電流和短路電流的非周期分量。所以，用廠用變壓器出口三相短路電流周期分量I進行估算。容量為1 000 kVA，短路電壓為5.5%的廠用變壓器出口三相短路時，I=26.1 kA2，取短路熱效應計算時間t=0.2 s。則由式（1）可知，當j選取電纜截面時，對75200 kW電動機，其經濟截面為150400 mm2，即最小截面(150 mm2)也能滿足熱穩定要求。所以，余下的問題只是下述方案所討論的問題。2.2設計方案論證2.2.1保護整定及靈敏度(1)電流速斷保護動作電流整定：對2臺電動機合用一套保護IDZ=2KkIqd (A)(5)對2臺電動機分別裝一套保護IDZ=2KkIqd (A

7、)(6)式(5)、(6)中，IDZ為動作電流(A)；Kk為可靠系數，對DL-10型繼電器取1.41.6，本文取1.5；Iqd為電動機啟動電流(A)，對單鼠籠電動機一般為7倍額定電流，即Iqd=7Ied。靈敏度：KLm=I(2)/IDZ(7)式中，KLm為靈敏度系數，要求KLm2；I(2)為最小運行方式下電動機出口兩相短路電流周期分量(A)。(2)零序保護動作電流IDZ0應躲過啟動和自啟動時的不平衡電流，據運行經驗按10%20%電動機額定電流Ied整定，KLm按電動機出口單相接地短路電流I(1)校驗，要求KLm1.5。一般來說，零序保護KLm都能達到，所以本文不作為主要問題討論。2.2.2短路電

8、流計算短路電流根據有關文獻列出的原則、計算公式和參數進行計算，且僅計算電動機出口短路時由系統供給的短路電流(對保護起作用)。三相短路電流周期分量二相短路電流周期分量單相短路電流周期分量式(8)(10)中，R、X為自廠用變壓器高壓母線至短路點的每相總電阻和總電抗(m,)；Z1、Z0為零序網絡每相正序和零序總阻抗(m,)。設雙路電動機電路(從廠用變壓器高壓母線至電動機)中，電動機自動空氣開關至動力箱的電纜為待求(僅知長度L或經濟截面倍數n)，其它設備為已知。計算中用有名制，并將阻抗歸算至低壓側。設已由有關公式計算得已知設備的總電阻為R(m)，電抗為X(m)，并設待求電纜的電阻為R(m)，電抗為X(

9、m)，則有R=R+R X=X+X(11)2.2.3方案討論本節對上述電路提出幾種可能的設計方案。低壓(3×95)(3×185)各種絕緣的單根電纜，其單位長度的電阻與截面積的乘積基本上為一常數，設為Kr；單位長度的電抗亦基本上為一常數，設為Kx。(1)在總開關下裝設總速斷保護3(見圖1)由式(5)IDZ=2KkIqd=2×1.5×7Ied=21Ied(12)因要求KLm2，將式(9)、(12)代入式(7)，并考慮到式(11)，有即(R+R)2+(X+X)2-(105/21 Ied)20(13)a.方案1：動力箱內不設母排，2臺電動機分列運行(見圖1，接觸器

10、前不加虛線母排)。設每臺電動機電路的電纜選取n倍經濟截面、電纜長度為L，則R=KrL/nSj=KrjL/nIgKrjL/nIed (m )(14)X=KxL/n (m )(15)將式(13)展開，并將式(14)、(15)代入，整理得將式(16)兩邊乘n2，并整理得式中，對方案1：A=1、B=2、H=1。由于IgIed2Ped，所以式(16)、(17)也可以寫成用Ped表示的算式。解方程時均取正根。圖1設計方案1、2于是，在已知電動機容量(即已知Ied)、電纜截面(即n值)及有關參數情況下，由式(16)可求得滿足保護靈敏度的最大允許L值。由于上述推導中是用理論經濟截面Ied/j，如果實際選擇標準

11、截面時較理論值小，則式(16)及后面類似公式所計算得的L值偏大，應用時可適當縮小。在已知電動機容量，電纜長度及有關參數情況下，由式(17)可求得滿足保護靈敏度的最小允許n值，即求得電纜截面最小允許值。實選n值時應取n值的整數部分加1。b.方案2：動力箱內設母排，2臺電動機并列運行(見圖1，接觸器前加虛線母排)這種情況下，兩分支電纜在動力箱內并接在一起。R=KrjL/2nIed (m)(18)X=KxL/2n (m)(19)經推導，可得類似式(16)、(17)的計算式。對方案2：A=1/4、B=1、H=1。設式(16)、(17)對于方案1的正根分別為L1和n1，對于方案2的正根分別為L2和n2，

12、可證明L2=2L1(20)n2=n1/2(21)兩電動機電路共需經濟截面電纜數為2n2根，實取2n2的整數部分加1。事實上，只有當實際L超過L1時，式(21)才有意義，因為在L1范圍內時，兩方案均可按經濟截面選取電纜。(2)在兩分支電纜首端裝分速斷保護1、2(見圖2)圖2設計方案3、4由式(6)IDZ=KkIed=1.5×7×Ied=10.5 Ied(22)a.方案3：動力箱內不設母排，兩電動機分列運行(見圖2，接觸器前不加虛線母排)應有200×103/10.5 Ied2b.方案4：動力箱內設母排，兩電動機并列運行(見圖2，接觸器前加虛線母排)應有200×

13、;103/2×10.5 Ied2經類似推導可知R、X取式(18)、(19)，這時的式(16)、(17)與方案2完全相同，即其效果與方案2相同。設備上較方案2增加了一套保護的投資(主要是增加3只電流互感器和3只電流繼電器，包括零序保護)。由實例計算可得如下結論：在同樣條件下，方案1滿足保護靈敏度所允許的電纜長度L1最短，方案2(或4)的L2較長，方案3的L3最長。方案1適用于近距離的電動機，當實際的電動機L不超過L1時，應選擇方案1。當實際L超過L1時，方案2(或4)所需電纜截面只有方案1的1/2，所以方案2(或4)適用于較遠的電動機。當實際L超過L2時，方案3比方案1、2(或4)所需

14、電纜截面都小得多，距離越遠其優點越明顯，所以，方案3適用于距離較遠或特別遠的電動機。滿足保護靈敏度所允許的電纜長度及截面，均能滿足允許電壓損失要求。(3)對遠距離電動機電路的建議方案在總開關下裝總速斷保護3，在兩分支電纜首端裝分速斷保護1、2，在動力箱內設母排和分段接觸器C3(見圖3)。圖3對遠距離電動機電路的建議方案a.對控制、保護接線進行修改補充，使得在電動機啟動過程(通常為幾秒至十幾秒)的前半段時間里，C3處于斷開狀態，保護3在退出狀態，只有保護1、2投入；啟動將完成時，C3合上，同時保護3投入。b.保護1、2、3均按躲過一臺電動機啟動電流整定，即按式(6)計算。由于保護1、2的作用只是

15、防御啟動過程的前半階段時間的多相短路，而恰在這段時間發生短路的可能性極小，所以本方案適當降低其KLm，取KLm1.5(實際上有相當部分的保護取此值)；保護3的作用是防御啟動后半段時間及轉入正常運行后的多相短路，仍要求其KLm2。對保護1、2應有200/10.5Ied1.5由此推得類似式(16)、(17)的兩個算式R、X取式(14)、(15)，這時，A=1、B=2、H=7。設解方程分別得正根為L5、n5。對保護3應有200/10.5Ied2由此也推得類似式(16)、(17)的兩個算式R、X取式(18)、(19)，這時，A=1/4、B=1、H=4。設解方程分別得正根為L5、n5。如果取本方案并按經

16、濟截面選取電纜，則將本方案的A、B、H值代入式(16)，可解得L5和L5。一般有L5L5，即實際最大允許L值為L5，它大于前述各方案允許L值，且電壓損失在允許范圍。當L已知時，將本方案的A、B、H值代入式(17)，可解得n5和n5，一般有n5n5，實取n5，它小于方案3允許的n值，且電壓損失亦在允許范圍。可見取本方案比取方案3能顯著地節省電纜投資，扣除保護和動力箱增加的投資后仍很可觀。3結束語本文對火電廠輸煤系統雙路電動機電路設計方案進行了較為詳細討論，并得出滿足設計要求的綜合算式。用式(16)進行取經濟截面時最大允許L值計算，可為配電裝置和電動機安裝地點的確定提供參考依據。因為如果能使兩者距離在允許的L范圍內，則電動機電路的投資最省。對已知容量和安裝地點的電動機可用式(17)進行最小允許經濟截面倍數n的計算，決定方案的取舍。所導出公式適用于單鼠籠電動機(Iqd=7Ied)，當采用深槽或雙鼠籠電動機時，所有計算L式的末項及所有計算n式的首項將有變化(其Iqd約分別為5.5和4.5倍Ied)。顯然，采用后兩種電動機及短路阻抗百分數較低的