浅谈超高效电动机在地铁的应用及其对MCC 的影响

郭文博

（中国铁路设计集团有限公司电化电信院电力所，天津 300308）

电动机在家用电器、商业、建筑和工业的各个领域中的广泛应用，用于拖动泵、风机、压缩机等设备，其用电量大约占全国总用电量的60%左右，大约占工业用电量的75%。目前，地铁车站中使用了大量三相交流异步电动机，主要用于风机、水泵等。根据相关统计，地铁配电系统的总负荷中，其中动力负荷大约占60%；其中电动机负荷约占“动力负荷”的85%以上。GB18613-2020《电动机能效限定值及能效等级》标准已于2021年6月1日正式实施，它是一项强制性标准(GB)。超高效IE3 作为三级能效,成为我国最低的三相异步电动机能效等级。

1 地铁供配电系统简介

根据负载的不同，地铁供配电系统可分为2 部分：以降压变电所为主构成的配电系统和由牵引变电所为主构成的牵引供电系统，见图1。降压变电所的两路进线通常从主变电所、相邻的变电所或电源开闭所35kV 侧的不同母线引入，接至降压变电所35kV 侧的两段母线，一般设计成单母线分段形式。地铁的用电负载一般可分为两大类：车站、区间、车辆段、控制中心等所需的动力照明用电，以及机车运行所需的牵引电力。地铁的动力、照明负荷按其重要性，分为一、二级及三级负荷。降压变电所设2 台35(10)/0.4kV 配电变压器，低压母线为单母线分段运行方式，见图1。

图1 地铁典型主接线图

2 超高效IE3 电动机设计的变化

异步鼠笼电动机的结构见图2(a)。

图2 电动机结构及相关特性

电动机除了将电能转换为机械能，同时，本身也损耗一部分能量。交流电动机的损耗一般包括固定损耗、可变损耗、杂散损耗三部分。可变损耗是随着负荷的变化而变化，由定子电阻损耗（铜损）、转子电阻损耗组成；固定损耗和负荷无关，由铁芯损耗和机械损耗组成。铁损由涡流损耗和磁滞损耗构成，和电压的平方成正比，磁滞损耗与频率成反比；其他杂散损耗由轴承的摩擦损耗和风扇、转子等引起的风阻损耗组成。IE3 电动机通过对转子、定子、铁芯、风扇等的优化设计来提高效率。

3 超高效电动机IE3 电气特性的变化

在启动过程中，电动机的电流是随着转速变化的。接通后的过程与短路类似，首先出现一个冲击电流（在启动后10 ～15ms），峰值发生在第一半波，在第二、三周波内急剧衰减。在随后的绝大部分启动时间内（在峰值与0.5 ～10s，这取决于电动机的功率和转动惯量），电流相对稳定，但随着转速的升高而略有下降。在接近额定转速时，电流迅速下降；启动结束时（0.5 ～10s之后），降至电动机额定电流或更低。详见图2(b)（In为电动机额定电流；Id为起动电流，为有效值）。接通电流的峰值是周期分量和非周期分量组成的全电流的最大值，接通瞬间的相位和起动回路电阻与电抗的比值对峰值会产生影响。GB/T 21210-2016 注4 中提到：电动机接通电流时会有一个0.5 周的不对称瞬时峰值电流，为稳态值的1.8 ～2.8 倍。此电流的峰值和衰变时间与电动机的设计及合闸相角呈函数关系。这说明当已知某电动机的起动电流参数时，可估算其接通电流峰值为1.8 ～2.8 倍起动电流，如果换算成接通电流有效值则约为1.3 ～2 倍起动电流。超高效IE3 电动机与高效IE2 电动机相比，绕组电阻更小，起动电流及其峰值会更大，由于效率提升，电流有所下降，详见图2(d)。从0.75 ～100kW，同容量的电动机IE3 电动机比IE2 电动机的起动电流倍数可最多增加20%左右。由此可见，随着IE3 电动机的特性的改变，见图2(e)，将要求开关设备具有较高的接通能力和分断能力，起动电流的峰值电流将成为重要的选型变量。

电动机直接起动主回路最基本配置是断路器+接触器+热继电器的组合。当电动机处发生短路时，断路器执行短路保护；接触器执行合分操作；当电动机发生过载时，由热继电器执行过载保护。组合的脱扣特性见图2(c)。电动机保护用的断路器，在电动机启动过程中，一方面，瞬时保护的整定值要躲过电动机起动瞬间出现在第一个半波的接通电流峰值，整定值不能设定太低，不能误动作；另一方面，瞬时保护整定值要满足短路保护灵敏度的要求，整定值不能设定太高，如果短路故障发生时，断路器应及时动作，因此断路器的瞬时保护特性应与电动机的工作特性相匹配。

地铁中动力负载的使用类别主要为AC-3，AC-3 使用类别意味着接触器在控制电动机起停时，接通的是电动机启动电流，分断的是其额定电流，接触器选择时，其接通电流应大于电动机的起动电流，其额定电流应大于或等于电动机的额定电流，所以接触器的参数需要与电动机的工作特性相匹配。

根据GB/T14048.4-2020，表1 使用类别，AC-3 接通和分断能力为8Ie（GB14048.4-2020 表7），适用于符合GB/T21210-2016 的N 型和H 型异步电动机，适用于IE2 电动机，但不适用于IE3 电动机。

使用类别AC-3e 的接通和分断能力为8.5Ie（GB14048.4-2020 表7），适用于更高起动电流的电动机；适用于符合GB/T21210-2016 的NE 型和HE 型异步电动机，适用于IE3 电动机。

鉴于IE3 电动机和IE2 电动机相较，起动电流增加，起动电流峰值也增加，根据GB ∕T 28575-2020，以37kW电动机为例，起动电流倍数可达8.5 倍，电动机保护断路器的选型及设定将会受到影响，否则会引起断路器误跳闸，见图2(f)。

4 电动机主回路元器件的选择分析

电动机保护断路器一般有两类：第一类，具有过载保护和短路保护功能，脱扣器类型包括热磁式和电子式。第二类，只有短路保护功能，脱扣器类型为磁脱扣或电子式，因为只含短路保护功能，需与热继电器配合使用，提供电动机过载保护。低压配电系统如图1 所示，配电变压器为35/0.4kV，1250kVA，阻抗电压为6%，以环控电控室负载排烟风机为例，采用直接起动方案，电动机功率Pe为37kW，效率η 为95%，功率因数cosϕ 为0.85。降压变电所到环控电控室电缆为3×240+1×120mm2，长度为180m。电动机直接起动，距离环控电控室40m。通过E-TAP 软件建模进行计算，预期最大短路电流用于断路器的选型，最小短路电流用于校验断路器保护的灵敏度，详见图3。

图3 最大及最小短路电流计算

电动机的额定电流Ie=Pe//U/cosϕ/η ≈66A，用于选择断路器的额定电流，且应大于此值，选定的电动机保护断路器的设定值应通过电动机启动电流峰值的校验；也用于热继电器选型，过载保护整定电流(Ir=(1.05 ～1.1)Ie)。参照GB ∕T28575-2020，YE3 系列电动机2 极37kW 电动机的起动电流倍数为8.5，因此，起动电流为(有效值)Ist=8.5Ie=561A。断路器短路保护的整定值Iset=(2 ～2.5)Ist，取2.2 倍，Iset=1234A，满足此要求的断路器的设定值应高于此值，对于磁脱扣断路器，一般需要考虑-20%的误差，对于带电子脱扣器的断路器一般考虑-15%的误差。

5 结语

综上所述，随着新的电动机能效标准的实施，IE3电动机取代IE2 电动机，电动机的启动特性变化，影响了电动机保护断路器选型，影响了地铁内动力设备的电气设计，需要通盘考虑，避免影响动力设备的供电的可靠性，影响地铁的正常运营。