发电机的待并网电压（核岛380V感应电动机启动电流与电源保护匹配关系的研究）

2017第六届新能源发电系统技术创新大会

中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请关注微信号“电气技术”。

中广核工程有限公司、上海发电设备成套设计研究院的研究人员俞纪维、吴智刚、沈志华，在2017年第3期《电气技术》杂志上撰文指出，核电厂核岛380V感应电动机采用全压直接起动方式，启动电流大，易影响对电机启动性能做出正确评价，甚至引发上游电源保护误动开关跳闸。

本文对三种启动电流测试方法进行了比较，并分析其结果差异及标准要求。同时，本文也比较了两种主要电源保护配置方案，研究探讨适合于核岛380V感应电动机启动的保护措施。

核电厂核岛厂房内连续运行的380V全封闭鼠笼式异步电动机（又称“鼠笼式感应电动机”）及其保护电源配置，具有以下几个主要特征：

1）核岛380V感应电动机采用全压直接起动方式，启动电流较大，容易导致电机启动失败。

2）核岛380V感应电动机及其所对应上游电源低压配电盘，属于核级设备，相应设备如需换型或进行较大改动，需经一系列鉴定分析和/或鉴定一致性评价，变动难度较大，实施困难、周期长、费用高、影响大。

因此，正确对待核岛380V感应电动机直接启动电流偏大问题，研究探讨启动电流与其上游电源保护的匹配关系，则显得尤为重要。

本文结合案例，阐述电机启动电流偏大问题，介绍三种启动电流测试方法，比较不同测量方法结果差异和标准要求，同时对两种主要电源保护配置方案进行比较，研究探讨适合于核岛380V感应电动机启动的保护措施。

1启动电流偏大

1.1启动电流偏大案例

核电厂核岛380V感应电动机数量众多，出现电机启动电流偏大，甚至引发上游电源保护误动开关跳闸的情况不在少数。

如某核电厂有4台核电机组，其4号机组有一台已投入运行的核岛380V感应电动机，型号为HY180M-2，额定功率Pn为22kW，额定电流In为41.7 A，采用全压直接起动方式启动。

在该电机的某次启动过程中，出现上游电源断路器跳闸，现场采用DL850型录波仪器录取到启动电流波形，最大启动电流值达到639A，检查电机绝缘、直阻无异常。为验证电机是否异常，现场将电机与泵的靠背轮解开后，录取了5次电机空载启动电流波形，相关测量数据及计算结果如表1所示，其中第四次启动时断路器跳闸。

根据该电机的《设备运行维护手册》（EOMM）要求，最大起动电流倍数为7.5 20%（9倍），电机实际启动电流已超过该电机EOMM的要求值。

表1 电机空载启动电流测量

1.2跳闸原因分析

该电机上游电源配置NSX100F型塑壳断路器作为主开关，采用MA50型瞬时脱扣器，保护定值设为700A。因脱扣器瞬时保护脱扣电流设定值精度为±20%，对应700A定值，脱扣器动作范围为560~840A；其后对该MA50脱扣器进行了脱扣校验，700A设定值下的三相脱扣器动作值分别为：A相700A、B相570A、C相600A。

从校验结果看，该脱扣器动作在正常区间，脱扣器功能正常，639 A的电机启动瞬态电流导致了脱扣器动作开关跳闸。

1.3电机启动性能评价

该电机被现场拆换下后，进行了返厂检测，测得100%Un下的堵转电流为274.78A，计算堵转电流倍数为6.59倍，满足其技术标准要求（起动电流倍数7.5 20%）；而现场调试期间用MST-3电机启动特性测试分析仪测得该电机空载启动电流为319.48A，对应起动电流倍数为7.66倍，考虑到现场电压（通常为400V左右）较电机厂内测试电压380V要高，调试期间测得的启动电流也因此较电机厂内所测堵转电流要大，但二者所测结果都可判定电机启动性能是正常的。

事实上，不同测量仪器测量结果不尽相同，下文展开进一步分析、讨论。

2启动电流分析

2.1启动电流概念比较

很长一段时间，人们对启动电流的认识存在一些概念上的理解偏差，即通常认为电动机启动电流（又称起动电流）为电动机最大稳态启动电流有效值（不包括暂态过程非周期分量），其有别于GB/T2900.25中“起动（过程）电流”的定义，国标中“起动（过程）电流”指的是“在额定电压和额定频率下，转速由零到负载转速的起动期间电动机从供电线路输入的稳态方均根电流。”

因此，真正的启动电流是个过程的稳态方均根值，不是最大（启动电流）值，也不是初始（启动电流）值。

堵转电流是“电动机在额定频率、额定电压和转子在所有转角位置堵住时从供电线路输入的最大稳态均方根电流。”通常情况下，电机堵转电流在数值上可视为起动（过程）电流的最大值。

除此之外，我们还需关注初始起动电流这个概念。初始起动电流在国标中没有规定，但核电厂380V感应电动机的技术规格书中对其有明确定义，指“额定电压、额定频率下电动机处于最不利位置（静止）时，电动机起动时暂态电流的最大有效值。”

仔细比较上述概念定义可知，初始起动电流与起动（过程）电流、堵转电流不同。初始起动电流是表征电机启动的一种瞬态电流值，数值上比较接近于合闸峰值电流（有效值）。

下面介绍和比较一下有关核岛380V感应电动机启动电流的三种常用测试方法。

2.2测量方法比较

核电厂380V感应电动机，根据设备所处阶段不同，有三种较为常用的启动电流测试方法：

1）在电机出厂前，电机厂通过堵转试验测定堵转电流（先测定100V下的堵转电流，再通过描点法计算出额定电压380V下的堵转电流），并将其视作为启动（过程）电流的最大值。

2）在工程调试阶段，现场使用MST-3电机启动特性测试分析仪，该仪器录取的是电机三相电流与电压信号的瞬时波形数据，并计算出电机启动时的电流和电压的有效值随时间变化曲线，再通过装置内部计算程序对数据进行处理，使用切线法计算出初始启动电流，如下图1所示。

图1 MST-3录波图形

MST-3测量仪器采用斜线法计算初始起动电流，通常情况下，所测结果与起动（过程）电流的最大值比较接近，可以近似等同；然对小容量电机，会出现较大偏差或失真，这是因为，小容量电机启动完成时间迅速，曲线斜率高，所计算出的初始起动电流会较实际值偏大。

3）在生产运行期间，现场使用DL850示波记录仪，录取三相电流瞬时电流波形（如下图2所示），通过数据分析找出启动电流瞬时值的峰值，再计算其有效值，即采用最大值法确定电机启动电流。

图2 DL850录波图形

由于电机启动合闸常出现较大尖峰电流（即合闸峰值电流），也即发生较大零点偏移，将此最大电流视为启动电流，误差较大，显然不太合适。

通过上述三种测试方法比较可以看出，方法一测得堵转电流（等同于最大启动电流），方法二测得初始起动电流（数值上介乎堵转电流与合闸峰值电流之间），方法三测得合闸峰值电流（通常较堵转电流大，约为1.8倍堵转电流，甚至达2倍以上），三者不可等同。

2.3标准要求分析

不同测量方法比照标准不同，通常考核评价电机启动性能的重要参数之一是起动电流倍数（即起动电流标幺值）或堵转电流倍数（即额定电压下的堵转电流与额定电流之比）。

1）起动电流标幺值

核电厂对核岛380V感应电动机有起动电流倍数（起动电流标幺值）要求，如上文所例举的核电厂有4台核电机组，其1、2号机组的《核岛380V感应式电动机技术规格书》规定了起动电流标幺值：额定功率≤30kW的电动机为8.5倍，额定功率>30kW的电动机为7.5倍（通常默认允许容差为20%）；3、4号机组《核岛380V感应式电动机技术规格书》对启动电流的要求为：额定电压、额定频率下，电动机的起动电流标幺值小于等于7.5倍（已考虑容差），起动电流的绝对值不允许超过1775A。

1、2号机与3、4号机对设备要求不一，难以将其（技术规格书）要求用于考核电机性能，因此，评价电机启动性能，多以堵转电流倍数要求为准。

2）堵转电流倍数

堵转电流倍数比照JB/T7565.1-2011表18、表19要求。

3电源保护配置

3.1保护配置方案对比

前文已述，电机启动瞬态电流偏大，超出脱扣器保护定值，导致了开关跳闸。对比该核电厂1号机组的相同电机回路（同型号规格电机，并带相同负荷），其上游电源保护配置不同，1号机组电机回路采用熔断器保护方式，主开关为OESA63DM3BMNS型熔断器开关，熔芯为NH00-63A,aM，电机启动运行正常，未发生跳闸。

3.2方案差异分析

1）采用断路器保护的电机回路，由于MA脱扣器的短路保护瞬时动作，其动作误差范围±20%（事实上大部分脱扣器动作在负公差范围），导致电机启动瞬间暂态冲击电流易超过脱扣器保护定值下限而动作跳闸。

2）采用熔断器保护的电机回路，由于熔芯熔断有一定时间，通常为几秒（可查IEC60269-1对应熔芯的时间-电流曲线），而核岛380V感应电机全压启动完成时间通常不到1s，因此较易躲过电机启动电流。

3.3解决思路

核电厂核岛380V感应电动机起动电流大导致开关跳闸的情况不算少见，考虑核电应用的特殊性，本文提供如下解决思路供参考：

1）首先确定电机启动电流是否超标，启动性能是否满足相应标准技术要求。

2）如电机是正常的，只是合闸峰值电流偏大，则优先选择调整定值；但从根本解决上，可考虑采取限制合闸峰值电流（尖峰电流）的措施。

3）调整保护定值有前提，即保护元件的可调范围允许，保护定值须经严格校核，须满足保护的灵敏性要求（如DL/T5153-2002要求低压厂用电动机的相间短路保护和单相接地短路保护灵敏系数不小于1.5），否则应另加零序保护。

本文所举实际案例即出现了定值调整偏大以致不满足保护灵敏性要求的情况（如本案例中，为满足电机可正常启动，将MA50脱扣器替换为MA100脱扣器，定值由700A调整为800A，但却达不到单相短路计算电流1030A的1.5倍灵敏系数要求），从而需要对电源设备做较大改动。

4）涉及保护配置回路较大修改，需满足鉴定一致性要求，这就决定了相应修改不可能轻易实现。

4结论

通过以上分析，可得出以下结论：

1）对于电动机启动，应以堵转电流（倍数）作为评价电机启动性能的重要考量；初始起动电流、合闸峰值电流对电机性能评价可供参考，如用户与电机厂商另有约定，也可明确后遵照执行。

2）电源保护配置应注重初始起动电流、合闸峰值电流（尖峰电流）的影响，正常启动电流应与电源保护配置匹配；选择瞬时脱扣的速断保护作为电机短路保护的，既要考虑躲避初始起动电流、合闸峰值电流，还应考虑满足保护灵敏度要求。

3）核级设备修改须满足鉴定一致性要求。

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