電動(dòng)消防泵星三角啟動(dòng)技術(shù)探討

摘要：近年來，多起重大火災(zāi)造成了嚴(yán)重的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失，其中很大部分原因是消防泵在火災(zāi)發(fā)生后無法正常運(yùn)行，對(duì)此，國家有關(guān)部門為提高消防泵的啟動(dòng)及運(yùn)行的可靠性出臺(tái)了新的規(guī)定及要求。

關(guān)鍵詞：消防泵;啟動(dòng);星三角;機(jī)械應(yīng)急啟泵

前 言

GB50974–2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》已于2014年10月1日正式實(shí)施，這本全新的規(guī)范在多個(gè)方面對(duì)提高消防泵的可靠性做了規(guī)定。其中有關(guān)消防泵的啟動(dòng)和運(yùn)行有以下2條：第11.0.14 條：“火災(zāi)時(shí)消防水泵應(yīng)工頻運(yùn)行，消防水泵應(yīng)工頻直接啟泵;當(dāng)功率較大時(shí)，宜采用星三角和自耦降壓變壓器啟動(dòng)，不宜采用有源器件啟動(dòng)?！贝藯l規(guī)定了消防水泵的運(yùn)行及啟動(dòng)方式，水泵應(yīng)工頻運(yùn)行，一般情況應(yīng)直接啟動(dòng)，功率較大時(shí)宜采用星三角或自耦降壓啟動(dòng)方式，這2種降壓啟動(dòng)方式可靠性相對(duì)較高。第11.0.12 條：“消防水泵控制柜應(yīng)設(shè)置機(jī)械應(yīng)急啟泵功能，并應(yīng)保證在控制柜內(nèi)的控制線路發(fā)生故障時(shí)由有管理權(quán)限的人員在緊急時(shí)啟動(dòng)消防水泵。機(jī)械應(yīng)急啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)確保消防水泵在報(bào)警5.0min內(nèi)正常工作?！贝藯l為強(qiáng)制性條文，規(guī)定了消防水泵控制柜應(yīng)設(shè)置機(jī)械應(yīng)急啟泵功能，其目的是在控制柜內(nèi)的控制線路發(fā)生故障時(shí)也能強(qiáng)制啟動(dòng)消防泵，保證火災(zāi)撲救的及時(shí)性。以上2條明確了消防水泵的啟動(dòng)及運(yùn)行方式，直接啟動(dòng)方式最簡單可靠，但是經(jīng)常會(huì)遇到電源容量不滿足消防泵直接啟動(dòng)的要求，因此會(huì)用到降壓啟動(dòng)，本文主要針對(duì)消防泵的星三角降壓啟動(dòng)方式做介紹，并對(duì)機(jī)械應(yīng)急啟泵的原理及相關(guān)問題闡述自己的看法。

1星三角啟動(dòng)原理及改進(jìn)措施

星三角啟動(dòng)是應(yīng)用很廣的一種降壓啟動(dòng)方式，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為全壓啟動(dòng)的1/3，因此適用于輕載啟動(dòng)的設(shè)備。其主要原理是變換電動(dòng)機(jī)定子側(cè)繞組的接線方式，啟動(dòng)時(shí)定子側(cè)繞組為星形接法，經(jīng)過一定延時(shí)后，定子側(cè)繞組變?yōu)槿切谓臃?，此后電?dòng)機(jī)正常運(yùn)行。一次接線圖如圖1所示，通過閉合接觸器KM1及KM3，使定子繞組成為星形接法，此時(shí)繞組電壓為相電壓～220V，電壓為全壓啟動(dòng)的1/，電流為全壓啟動(dòng)的1/3，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也為全壓啟動(dòng)的1/3。用于消防泵時(shí)，圖中熱繼電器僅做報(bào)警用，不切斷主回路電源。

星三角啟動(dòng)方式雖然簡單可靠，卻也有很大的弊端。筆者曾在一個(gè)工程中遇到過星三角啟動(dòng)引起跳閘的現(xiàn)象，并且再合閘啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)后出現(xiàn)了缺相的現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)完全無從下手。后來查閱了不少文獻(xiàn)資料，才明白了是星三角啟動(dòng)轉(zhuǎn)換過程中的二次沖擊電流的原因，導(dǎo)致接觸器熔焊及斷路器跳閘。星形向三角形轉(zhuǎn)換過程中電流會(huì)出現(xiàn)很高的躍升，遠(yuǎn)大于起始值，更有甚者，還要疊加一個(gè)暫態(tài)沖擊值，如右圖2所示。二次沖擊電流是由于星三角轉(zhuǎn)換過程中的電流中斷造成的，在接通三角形接觸器時(shí)，電機(jī)定子繞組已從電源脫開，但由于電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路是閉合的，故其轉(zhuǎn)子回路根據(jù)電磁感應(yīng)原理，存在著衰減交變電流.并由這個(gè)電流在電機(jī)的定子繞組上感應(yīng)出相應(yīng)的交變感生電勢(shì)，此電勢(shì)的幅值和相位與斷開電源幅值和相位相關(guān)聯(lián)，并且以一定周期衰減。當(dāng)三角接觸器合閘時(shí)，這個(gè)電勢(shì)與電源電壓正好疊加，極限狀態(tài)就是兩者相位差180度，由此產(chǎn)生1個(gè)是電機(jī)額定電流15～20倍的峰值沖擊電流，足以使斷路器保護(hù)跳閘，并造成接觸器觸頭熔焊。一般為避免接觸器熔焊及斷路器跳閘，會(huì)刻意選用額定電流更高的接觸器及采用瞬斷值更高的斷路器，此種做法不經(jīng)濟(jì)，也會(huì)造成短路保護(hù)整定困難。

為避免出線過高的轉(zhuǎn)換電流峰值，可采用不中斷轉(zhuǎn)換的星三角啟動(dòng)方式，主回路接線見圖3，此種接線方式也被稱為閉路星三角啟動(dòng)。在星形啟動(dòng)結(jié)束后，通過過渡電阻和過渡接觸器，維持電流不中斷，經(jīng)50ms后無間歇地轉(zhuǎn)換到三角形接線，此種方式可將二次沖擊電流最大值限制在2.5倍的電動(dòng)機(jī)額定電流以下，大幅度減小了二次沖擊電流。過渡電阻按電動(dòng)機(jī)額定電流的1.5倍設(shè)計(jì)，其阻值可按下式計(jì)算：，其中UrM為電動(dòng)機(jī)額定電壓，IrM為電動(dòng)機(jī)額定電流。

2機(jī)械應(yīng)急啟泵原理及相關(guān)問題

GB50974中未提及機(jī)械應(yīng)急啟泵的具體要求，僅在條文說明中強(qiáng)調(diào)：只要供電正常，無論控制線路如何都能強(qiáng)制啟動(dòng)。從目前能查到的資料及個(gè)人的理解來看，機(jī)械應(yīng)急啟泵裝置是一個(gè)可人工操作的機(jī)械開關(guān)，在泵正?？刂苹芈肥r(shí)可強(qiáng)制接通電動(dòng)機(jī)一次回路，此機(jī)械開關(guān)應(yīng)具備滅弧功能，并且動(dòng)作要盡可能的迅速。具備機(jī)械應(yīng)急啟泵功能的星三角降壓啟泵主電路如圖4所示，K1、K2為機(jī)械開關(guān)，具備聯(lián)鎖功能，可同時(shí)閉合，直接以三角形接法啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

有人提出機(jī)械應(yīng)急啟泵裝置的上口可接于斷路器的上口，主回路不做任何保護(hù)措施，這樣將避免斷路器的原因?qū)е码娫床煌?。筆者認(rèn)為這樣做不妥，GB50055-2011《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》中2.3.1：“交流電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)短路保護(hù)和接地故障保護(hù)。”此條為強(qiáng)制性條文，應(yīng)遵守，并且從后果上分析，如果線路短路了不及時(shí)跳閘保護(hù)，輕則燒毀電纜或設(shè)備，重則導(dǎo)致總電源故障，火災(zāi)無法及時(shí)撲救，后果是不可承受的。

機(jī)械應(yīng)急啟泵時(shí)跨過正常啟動(dòng)接觸器，直接接通電機(jī)一次供電回路，相當(dāng)于直接啟動(dòng)方式，因此，目前很多工程設(shè)計(jì)中按最大一臺(tái)消防水泵直接啟動(dòng)時(shí)母線電壓不應(yīng)低于80%這一要求來核算變壓器容量，結(jié)果導(dǎo)致配電變壓器容量為此需加大一到兩級(jí)，筆者認(rèn)為這種做法雖然可靠，卻造成變壓器負(fù)載率低，運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)，造成電源容量浪費(fèi)。不常用的電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)母線電壓不應(yīng)低于80%，不考慮對(duì)電壓敏感的負(fù)荷時(shí)，其主要原因是為保證電動(dòng)機(jī)主接觸器線圈的供電電壓不低于其釋放電壓（一般接觸器釋放電壓不高于額定電壓的70%），否則主接觸器無法吸合，啟動(dòng)會(huì)失敗。在機(jī)械應(yīng)急啟動(dòng)時(shí)，不存在以電壓為條件吸合的接觸器，也就不需要保證母線電壓不低于80%這一要求。消防時(shí)需要正常工作的場(chǎng)所通常會(huì)設(shè)置UPS、EPS等電源設(shè)備，在保證這些場(chǎng)所能夠正常運(yùn)行的情況下，并且已切除非消防負(fù)荷，筆者認(rèn)為機(jī)械應(yīng)急啟動(dòng)時(shí)可不考慮母線電壓降，只需核算電動(dòng)機(jī)端子電壓，只要保證電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于機(jī)械靜阻轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)就能夠啟動(dòng)運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)端子電壓相對(duì)值按下式計(jì)算：

為啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)端子電壓相對(duì)值;

為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩相對(duì)值，即啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值，直接啟動(dòng)一般取2;

為電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)械的靜阻轉(zhuǎn)矩相對(duì)值，水泵一般取0.3。

及值帶入式中可得，0.4062，即只要電動(dòng)機(jī)端子電壓相對(duì)值大于0.41，電機(jī)便可啟動(dòng)運(yùn)行，為增加可靠性，實(shí)際工程中消防泵電動(dòng)機(jī)端子電壓相對(duì)值可按不小于0.55進(jìn)行核算。

3結(jié)束語

消防泵是火災(zāi)時(shí)減少人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失的重要設(shè)備，其重要性不言而喻。如何讓消防泵更可靠的啟動(dòng)和運(yùn)行，是個(gè)值得研究的課題，隨著技術(shù)的發(fā)展，我相信會(huì)徹底消除火災(zāi)時(shí)消防泵無法正常運(yùn)行的現(xiàn)象，最大限度的保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

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作者簡介：姓名：姜浩 出生年月：（1985.05-）性別：男 民族：漢 職稱：工程師 學(xué)歷：本科 寫作方向：電動(dòng)消防泵起動(dòng) 現(xiàn)就職于：天津中德工程設(shè)計(jì)有限公司