电动机起动对其配电断路器短路整定影响探讨

刘月英， 李良胜

(深圳市市政设计研究院有限公司，深圳518029)

0 引言

市政建筑工程电动机配电主回路元件一般由断路器、接触器和热继电器三部分组成。 此时断路器主要起短路保护作用，其短延时和瞬时过电流脱扣器整定，主要取决于电动机起动过程中产生的冲击电流。 而冲击电流又受电动机起动方式、起动电流和电动机种类等多种因素约束，因此在工程设计中，断路器短路整定是一个较为复杂的技术问题。本文特就笼型电动机起动方式对其配电断路器短路整定影响展开探讨。

1 电动机起动电流

电动机起动电流Ist大小，与电动机起动方式、种类、容量、极数等因素密切相关，一般是其额定电流的若干倍，二者存在如下关系式:

式中，Ist为起动电流(稳态周期分量有效值)，A；K为起动电流倍数，取值可参见表1；In为电动机额定电流，A。

直接起动时，起动电流倍数值一般为5 ～8，本文一律取7；开式Y-△起动时，电机定子绕组由△接法变为星形接法，每相绕组所受电压降低到运行电压的1/3，起动电流为直接起动时起动电流的1/3；自耦变压器起动方式是利用三相自耦变压器(50%、65%、80%等多种抽头比)降低电动机在起动过程中端电压，以减小电动机起动电流，其起动电流为直接起动时起动电流乘以自耦变压器抽头比的平方。

软起动是采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间晶闸管输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速；当晶闸管全导通时，电机达到额定转数、工作在额定电压，整个启动过程结束。 该起动方式在保持电动机机械特性方面，实现平滑启动，降低启动电流，一定程度上可以避免起动过流跳闸。 软起动时，起动电流一般可取电动机额定电流的2 ～5 倍(即此时K ＝2 ～5，本文均取2.5)。

常规的变频起动，是利用电力半导体器件通断作用，把电压、频率固定不变的交流电源变成电压、频率都可调的电源。 即主要采用交-直-交方式(即VVVF 变频或矢量控制变频)先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，再把直流电源转换成频率、电源均可控制的交流电源，以供给电动机。 变频起动时，起动电流一般可取为电动机额定电流的1～2 倍(即此时K＝1～2，本文均取1.5)。

2 电动机冲击电流

三相异步电动机正常运行时，转子切割定子绕组产生旋转磁场的磁力线，转子上就会产生一个感应电流和相应磁场；当转子转动时，定子绕组线圈就会切割该转子磁场磁力线，产生与定子电流方向相反的电流；正是该电流阻碍定子上通过的电流(即产生阻抗)。 所以电动机正常运行时，其电流一般并不大。 而当电动机起动时，转子还没有转动(或者转速还很低)，没有(或缓慢)切割磁力线，也就没有(或几乎没有)产生该阻抗，因此电流就会很大，其暂态过程近似于短路(参考文献[2] 第12.1.1.5 节，也有类似结论)。

电动机在起动过程中，回路电流并非恒定不变，而是随着电动机转速变化而变化。 其回路电流最大值亦即冲击电流，将发生在第一周波的前半波，并在第二、三周波内较快衰减，接着在随后较长一段时间内保持相对稳定(此时回路电流可称为起动电流Ist，即稳态周期分量)，直到电动机接近额定转速时再迅速下降，至起动结束时降至电动机额定电流。

参照参考文献[1]，电动机起动时冲击电流与其起动电流的关系式为:

图1 Kp 与比值 关系曲线图

根据以上推算，得出Ist≤Ip≤ 3 Ist。

3 断路器整定电流

3.1 整定公式

电动机起动过程中，断路器动作特性和电动机起动电流特性关系如图2 所示。 此时要求配电主回路中断路器不因电动机起动时冲击电流而导致脱扣。 即断路器短延时过电流脱扣器(若有)整定电流Iset2和瞬时过电流脱扣器整定电流Iset3，均要躲过电动机冲击电流Ip。

图2 断路器动作特性和电动机起动电流特性关系图

参照GB 50055-2011《通用用电设备配电设计规范》第2.3.5 条4 款，短延时过电流脱扣器整定电流Iset2宜躲过冲击电流，即Iset2＞Ip；考虑到断路器动作误差和电动机起动时电流误差等因素，本文提出如下通用公式:

式中，Ka为短延时过电流脱扣器整定可靠系数。 根据前述第2 节内容和GB 50055 第2.3.5 条，Ka应大于3；本文取为1.8。 需注意的是，参考文献[2]公式11.3—4 与GB 50055 第2.3.5 条规定存在一定差异，本文系按后者执行。

对于瞬时过电流脱扣器整定电流Iset3，根据参考文献[2]公式11.3—5，可有:Iset3＝1.2Ip；再结合GB 50055，本文提出如下通用公式:

式中，Kb为瞬时过电流脱扣器整定可靠系数。 若据GB 50055，取为2～2.5；若据参考文献[2]公式11.3～5，取为1.2×(2～2.5)；但本文取为2.2(该数值也借鉴了参考文献[2]第12.1.5.3 节结论)。

3.2 整定电流倍数速查表

因此，根据公式(3)(4)及有关约定，分别得到:

因此可得到电动机不同起动方式下K、Iset2和Iset3关系表，见表1。

电动机不同起动方式下K、Iset2和Iset3关系表 表1

3.3 工程案例

以Y180M-4-H 电动机配电为例，额定功率为18.5kW，额定电流为35.9A。 假设其直接起动时起动电流取为其额定电流7 倍，其自耦降压抽头比为0.65，其软起动和变频起动的起动电流倍数分别为2.5 和1.5，并且假设回路短路灵敏度已经满足规范要求，则根据表1 和前述内容，可得出不同起动方式下，18.5kW 电动机配电断路器短延时过电流脱扣器(若有)整定电流Iset2和瞬时过电流脱扣器整定电流Iset3整定值，如表2 所示(括号内数值已按凑10 取整)。

18.5kW 电动机配电断路器Iset2和Iset3整定值 表2

4 结束语

(1)电动机配电断路器短路脱扣器整定值与电动机起动时冲击电流密切相关，并应躲过后者。

(2)电动机起动时冲击电流与其起动电流和配电回路总电阻及总电抗成分比等因素相关。

(3)电动机起动电流与其额定电流之间存在倍数关系，且随起动方式不同而有所不同。

(4)实际工程中，进行合理抽象和适当简化后，可以得到电动机配电断路器短路脱扣器快捷整定方法。