電動消防泵星三角啟動技術探討

摘要：近年來，多起重大火災造成了嚴重的人員傷亡及經濟損失，其中很大部分原因是消防泵在火災發生后無法正常運行，對此，國家有關部門為提高消防泵的啟動及運行的可靠性出臺了新的規定及要求。

關鍵詞：消防泵;啟動;星三角;機械應急啟泵

前 言

GB50974–2014《消防給水及消火栓系統技術規范》已于2014年10月1日正式實施，這本全新的規范在多個方面對提高消防泵的可靠性做了規定。其中有關消防泵的啟動和運行有以下2條：第11.0.14 條：“火災時消防水泵應工頻運行，消防水泵應工頻直接啟泵;當功率較大時，宜采用星三角和自耦降壓變壓器啟動，不宜采用有源器件啟動。”此條規定了消防水泵的運行及啟動方式，水泵應工頻運行，一般情況應直接啟動，功率較大時宜采用星三角或自耦降壓啟動方式，這2種降壓啟動方式可靠性相對較高。第11.0.12 條：“消防水泵控制柜應設置機械應急啟泵功能，并應保證在控制柜內的控制線路發生故障時由有管理權限的人員在緊急時啟動消防水泵。機械應急啟動時，應確保消防水泵在報警5.0min內正常工作。”此條為強制性條文，規定了消防水泵控制柜應設置機械應急啟泵功能，其目的是在控制柜內的控制線路發生故障時也能強制啟動消防泵，保證火災撲救的及時性。以上2條明確了消防水泵的啟動及運行方式，直接啟動方式最簡單可靠，但是經常會遇到電源容量不滿足消防泵直接啟動的要求，因此會用到降壓啟動，本文主要針對消防泵的星三角降壓啟動方式做介紹，并對機械應急啟泵的原理及相關問題闡述自己的看法。

1星三角啟動原理及改進措施

星三角啟動是應用很廣的一種降壓啟動方式，啟動轉矩為全壓啟動的1/3，因此適用于輕載啟動的設備。其主要原理是變換電動機定子側繞組的接線方式，啟動時定子側繞組為星形接法，經過一定延時后，定子側繞組變為三角形接法，此后電動機正常運行。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，此時繞組電壓為相電壓～220V，電壓為全壓啟動的1/，電流為全壓啟動的1/3，啟動轉矩也為全壓啟動的1/3。用于消防泵時，圖中熱繼電器僅做報警用，不切斷主回路電源。

星三角啟動方式雖然簡單可靠，卻也有很大的弊端。筆者曾在一個工程中遇到過星三角啟動引起跳閘的現象，并且再合閘啟動電動機后出現了缺相的現象，當時完全無從下手。后來查閱了不少文獻資料，才明白了是星三角啟動轉換過程中的二次沖擊電流的原因，導致接觸器熔焊及斷路器跳閘。星形向三角形轉換過程中電流會出現很高的躍升，遠大于起始值，更有甚者，還要疊加一個暫態沖擊值，如右圖2所示。二次沖擊電流是由于星三角轉換過程中的電流中斷造成的，在接通三角形接觸器時，電機定子繞組已從電源脫開，但由于電機的轉子回路是閉合的，故其轉子回路根據電磁感應原理，存在著衰減交變電流.并由這個電流在電機的定子繞組上感應出相應的交變感生電勢，此電勢的幅值和相位與斷開電源幅值和相位相關聯，并且以一定周期衰減。當三角接觸器合閘時，這個電勢與電源電壓正好疊加，極限狀態就是兩者相位差180度，由此產生1個是電機額定電流15～20倍的峰值沖擊電流，足以使斷路器保護跳閘，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，此種做法不經濟，也會造成短路保護整定困難。

為避免出線過高的轉換電流峰值，可采用不中斷轉換的星三角啟動方式，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。在星形啟動結束后，通過過渡電阻和過渡接觸器，維持電流不中斷，經50ms后無間歇地轉換到三角形接線，此種方式可將二次沖擊電流最大值限制在2.5倍的電動機額定電流以下，大幅度減小了二次沖擊電流。過渡電阻按電動機額定電流的1.5倍設計，其阻值可按下式計算：，其中UrM為電動機額定電壓，IrM為電動機額定電流。

2機械應急啟泵原理及相關問題

GB50974中未提及機械應急啟泵的具體要求，僅在條文說明中強調：只要供電正常，無論控制線路如何都能強制啟動。從目前能查到的資料及個人的理解來看，機械應急啟泵裝置是一個可人工操作的機械開關，在泵正常控制回路失效時可強制接通電動機一次回路，此機械開關應具備滅弧功能，并且動作要盡可能的迅速。具備機械應急啟泵功能的星三角降壓啟泵主電路如圖4所示，K1、K2為機械開關，具備聯鎖功能，可同時閉合，直接以三角形接法啟動電動機。

有人提出機械應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措施，這樣將避免斷路器的原因導致電源不通。筆者認為這樣做不妥，GB50055-2011《通用用電設備配電設計規范》中2.3.1：“交流電動機應裝設短路保護和接地故障保護。”此條為強制性條文，應遵守，并且從后果上分析，如果線路短路了不及時跳閘保護，輕則燒毀電纜或設備，重則導致總電源故障，火災無法及時撲救，后果是不可承受的。

機械應急啟泵時跨過正常啟動接觸器，直接接通電機一次供電回路，相當于直接啟動方式，因此，目前很多工程設計中按最大一臺消防水泵直接啟動時母線電壓不應低于80%這一要求來核算變壓器容量，結果導致配電變壓器容量為此需加大一到兩級，筆者認為這種做法雖然可靠，卻造成變壓器負載率低，運行不經濟，造成電源容量浪費。不常用的電動機直接啟動時母線電壓不應低于80%，不考慮對電壓敏感的負荷時，其主要原因是為保證電動機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，啟動會失敗。在機械應急啟動時，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。消防時需要正常工作的場所通常會設置UPS、EPS等電源設備，在保證這些場所能夠正常運行的情況下，并且已切除非消防負荷，筆者認為機械應急啟動時可不考慮母線電壓降，只需核算電動機端子電壓，只要保證電動機啟動轉矩大于機械靜阻轉矩，電動機就能夠啟動運行。電動機端子電壓相對值按下式計算：

為啟動時電動機端子電壓相對值;

為電動機啟動轉矩相對值，即啟動轉矩與額定轉矩的比值，直接啟動一般取2;

為電動機傳動機械的靜阻轉矩相對值，水泵一般取0.3。

及值帶入式中可得，0.4062，即只要電動機端子電壓相對值大于0.41，電機便可啟動運行，為增加可靠性，實際工程中消防泵電動機端子電壓相對值可按不小于0.55進行核算。

3結束語

消防泵是火災時減少人員傷亡及經濟損失的重要設備，其重要性不言而喻。如何讓消防泵更可靠的啟動和運行，是個值得研究的課題，隨著技術的發展，我相信會徹底消除火災時消防泵無法正常運行的現象，最大限度的保障人民的生命財產安全。

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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 學歷：本科 寫作方向：電動消防泵起動 現就職于：天津中德工程設計有限公司