消防系統中消防水泵變頻啟動方法

文/陸朔豪

火災對于工業廠區的危害和破壞性極其嚴重，如果火勢得不到及時有效地控制，則可能給工業廠區帶來毀滅性的災難。正因如此，使得消防滅火系統成為工業廠區不可或缺的重要組成部分之一。當廠區發生火災時，消防水泵能否快速啟動，直接關系到滅火工作的開展。為此，對消防水泵啟動方式進行研究顯得尤為必要，這對于提高工業廠區的整體安全性具有重要的現實意義。

1 消防水泵傳統啟動方式存在的缺陷及成因

1.1 傳統啟動方式的缺陷

消火栓是消防滅火常用的一類設備，一旦發生火災，可通過及時啟動消火栓系統中的消防水泵，對消防用水進行加壓，以滿足滅火需求。為保證消防水泵啟動按鈕的安全，根據GB50016—2014《建筑設計防火規范》中的規定，對每個消火栓處設置的直接啟動消防水泵按鈕都應配備保護措施。常用的保護措施為破玻按鈕，在破玻按鈕動作時可立即啟動消防水泵，這是較為常見的自動消防系統設計方法。但是，這種傳統的啟動方式存在著一定缺陷，具體表現為：一是個別人惡意或無意地在未發生火災時啟動按鈕；二是當發生火災時，非消防人員由于缺乏專業的消防知識和技能，在慌亂之中先擊碎破玻按鈕，再展開水帶、連接搭扣、開啟閥門，這會導致先啟動的消防水泵在水槍未出水之前就已經運行，在水壓無法釋放的情況下造成嚴重超壓，易引起消防管網爆裂，消火栓系統不能正常運行，最終造成嚴重的后果。

1.2 成因分析

在消防系統中，消防水泵啟動不規范，存在著一遇到火情就先啟動消防水泵，進而造成消防系統嚴重超壓的情況，增大了消防系統癱瘓的可能性。正確的消防水泵啟動時機應在消防管網有水槍出水之后再啟動，而相關規范中只規定了在火災發生時及時、迅速啟動消防水泵，這就導致直接啟動消防水泵與實際的消防管網運行現狀相脫節。同時，在傳統的啟動方式下，由于整個消防管網沒有設置監控系統，所以在啟動消防水泵時難以掌握管網運行情況，從而導致水槍噴水前已啟動消防水泵或消防水泵誤啟動問題，嚴重影響消防系統的安全正常運行。

2 消防水泵啟動的有效方法

2.1 有源啟動

所謂的有源啟動具體是指利用各種有源器件控制消防水泵啟動，比較常見的有軟啟動器、變頻器等等。

2.1.1 軟啟動器

這是一種電機控制設備，具有軟啟動、軟停車、保護等功能，啟動過程相對比較平滑，基本能夠實現無沖擊啟動的目標。不僅如此，軟啟動器還能按照電機的負載特性對啟動過程的關鍵參數進行調節。利用軟啟動器對消防水泵進行快速啟動的優勢體現在如下幾個方面：一是啟動過程中并不會產生啟動電流，保證了消防水泵啟動的安全性；二是軟啟動器在啟動時間的設定上非常靈活，能夠按照消防水泵的電動機功率在0-3600s這一區間范圍內任意設定，由此使得單臺電動機的功率范圍能夠達到上百千瓦。在此需要指出的一點是，受到器件本身的限制，軟啟動器通常都是在低壓電機上應用。

2.1.2 變頻器啟動

（1）變頻器啟動的基本原理。變頻器啟動的過程如下：變頻器通過控制電源啟動時的初始頻率，以達到控制消防水泵啟動電流和轉速的目的。在變頻器自動調節電源頻率的情況下，異步電機啟動轉速由小變大，轉速持續上升。處于啟動狀態中的電動機，電源頻率會隨著電流的逐漸下降而逐步升高，一直到電源頻率升高至50Hz時，會自動停止變頻器調節，促使異步電機進入穩定的轉速，這就是無級調速的過程，即變頻器啟動的全過程。在需要停止消防水泵運行時，可利用變頻器的自動調節功能，逐步降低電源頻率，受電源頻率變化的作用，異步電機會進入到斷電的狀態，停止運行。

（2）變頻器啟動的特點。變頻器啟動的線路接線簡單，可有效控制消防水泵的啟停，若將消防水泵傳統的啟動方式替換為變頻器啟動方式，則會彌補有級啟動的缺陷。同時，變頻器自身結構完整，具備電機保護功能，在出現過壓、欠壓、過流、過載等情況時，變頻器會自動調節，無需安裝電機保護開關。在對變頻器啟動方式進行應用時需要注意以下幾點：變頻器自身結構復雜，要配備專人進行定期維護，以保證變頻器處于正常運行狀態；變頻器啟動為有源啟動，需配置輸入和輸出變壓器。

2.2 無源啟動

所謂的無源啟動具體是指消防水泵的啟動過程通過無源器件進行控制，比較常見的有以下幾種：直接啟動、星三角啟動、自耦變壓器啟動以及KBO啟動等。下面分別對這幾種啟動方式進行分析。

2.2.1 直接啟動

這是一種最為簡單、經濟且可靠的消防水泵啟動方法。整個啟動過程使用的器件相對較少，并且全部都是無源器件，通過直接啟動能夠使消防水泵快速啟動。需要指出的一點是，因為直接啟動時會產生較大的啟動電流，對變壓器的容量要求較高。由于消防水泵電動機具有良好的啟動特性，加之消防水泵的負載為平方率，簡而言之，消防水泵電動機的啟動為輕載啟動，所以低壓電動機的單臺功率可為90kW，而高壓電動機的功率范圍則可達到幾兆瓦。

2.2.2 星三角啟動

這種啟動方式在線路方面要比直接啟動略顯復雜，在不考慮各種因素影響的前提下，能夠在1min內完成啟動。雖然星三角啟動的線路復雜，但卻可以使啟動電流隨之減小，這樣便可將消防水泵單臺電動機的功率設定為110kW，但必須注意的是，該線路只適用于低壓電動機。在星三角啟動方式下，如果消防水泵出現過流、過載等情況時，保護方式為熱磁脫扣器，雖然熱繼電器會發生動作，但卻并不會掉閘，能夠快速報警。需要指出的一點是，因星三角啟動方式的線路較為復雜，從而使得故障率有所增高。

2.2.3 自耦變壓器啟動

所謂的自耦變壓器具體指示原、副繞組直接串聯，能夠自行完成耦合的變壓器，常見的類型有兩種，一種為固定式，另一種為可調壓式。電壓變化率小、短路電流大是自耦變壓器較為突出的特點。采用自耦變壓器對消防水泵進行啟動，需要進行較為復雜的線路布設，在不考慮各種因素影響的前提下，消防水泵可以在1.5min內完成啟動。在這種啟動方式下，消防水泵的啟動電流非常小，所以單臺電動機的功率可以達到160kW左右，它的保護方式與星三角啟動相同，能夠實現只報警、不掉閘的目標。由于線路的復雜程度較高，從而使得該啟動方式的運行可靠性偏低。

2.2.4 KBO啟動

這是消防水泵無源啟動中較具代表性的一種啟動方法，基本原理如圖1所示。

它將各種分離元件的功能進行集成，并對多種信號進行綜合，能夠實現控制與保護。其特點是結構緊湊、體積小、使用壽命長、安全可靠性高、節能等等。需要指出的一點是，KBO的額定電流較小，僅為125A，所以只能在低壓消防水泵中應用，這在一定程度上限制了該啟動方式的使用。

通過對有源啟動和無源啟動進行分析后發現，雖然無源啟動具有諸多特點，但從功能性的角度上看，要比有源啟動差一些。所以工業廠區的消防水泵可以采用有源啟動，因軟啟動器具有定期自動檢測功能，可確保消防水泵的可靠性，故此，推薦工業廠區采用這種方式對消防水泵進行啟動。

2.3 緊急啟動方式

消防水泵的啟動控制回路可能會發生故障，這樣一來容易導致無法啟動的情況，從而對消防滅火工作的開展造成影響。為有效解決這一問題，提出一種能夠緊急啟動的機械裝置。

2.3.1 啟動裝置的構成

該啟動裝置由以下幾個部分組成：操作手柄、卡銷、連動桿、復位彈簧、旋轉開關、橫桿、短桿等。在緊急情況下，可以利用該裝置對消防水泵進行啟動。

圖1：KBO啟動方式示意圖

2.3.2 啟動原理

在發生火災時，如果遇到消防泵控制柜因電路故障無法正常啟動的情況，可采用手動方式，將操作手柄逆時針旋轉90°，用力按下，便可以強制連通主電路中主接觸器與消防水泵中的電機饋電電源，達到啟動消防水泵的目的。這一啟動過程與原有的電路啟動方式不同，通過逆時針旋轉操作手柄將控制柜中的二次控制線路電源斷開，之后進入到手動啟動程序。在撲滅火情之后，可順時針旋轉手柄，利用復位彈簧將二次控制線路復位，保持啟動之前的初始狀態。

3 結論

綜上所述，消防水泵作為工業廠區的消防設施，其能否在火災發生時，可靠啟動至關重要。通過對有源啟動和無源啟動進行分析后，可將有源啟動中的軟啟動器作為工業廠區消防水泵的首先啟動方式，因為這種啟動方式具有定期自動檢測的功能，有助于確保消防水泵的可靠性。如果軟啟動器出現故障，可能會造成消防水泵無法正常啟動。故此，可在工業廠區的消防系統中加入緊急啟動裝置。