大功率消防水泵啟動(dòng)壓降計(jì)算及分析

摘要：大功率消防水泵啟動(dòng)時(shí)需要根據(jù)啟動(dòng)方式來校驗(yàn)變壓器容量，常規(guī)負(fù)荷計(jì)算所確定的變壓器容量往往難以滿足設(shè)備啟動(dòng)需求，以煤炭洗選加工企業(yè)單獨(dú)建造的消防泵房為例，探討大功率消防水泵啟動(dòng)過程中對(duì)供電系統(tǒng)母線電壓穩(wěn)定性帶來的挑戰(zhàn)，通過實(shí)例分析了消防泵房專用變壓器的選擇要點(diǎn)，同時(shí)也對(duì)當(dāng)前消防泵房建設(shè)提出建議，供設(shè)計(jì)人員參考。

關(guān)鍵詞：煤炭洗選加工；消防水泵；變壓器；選擇要點(diǎn)

中圖分類號(hào)：D631.6" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " "文章編號(hào)：2096-1227（2025）08-0015-04

0 引言

近年來，隨著煤炭洗選加工企業(yè)廠型規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，大功率消防水泵的應(yīng)用已成標(biāo)配。大功率消防水泵全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流可達(dá)水泵電動(dòng)機(jī)額定電流的4～8.4倍，大的啟動(dòng)電流會(huì)導(dǎo)致配電系統(tǒng)母線電壓明顯下降。若壓降過大，可能使電機(jī)端子電壓不足，進(jìn)而造成啟動(dòng)失敗[1-6]。此外，母線電壓的降低也會(huì)影響同一母線上的其他設(shè)備（如控制回路、照明設(shè)備等）。全壓?jiǎn)?dòng)也存在一些局限性和適用條件，若忽略這些因素，可能會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)沖擊、設(shè)備損壞或運(yùn)行異常，電氣設(shè)計(jì)人員對(duì)此應(yīng)予以重視。本文以單獨(dú)建造的消防泵房為背景，通過實(shí)例分析大功率消防水泵全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的啟動(dòng)壓降，探討消防泵房專用變壓器的容量是否符合電動(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)的要求，并給出幾點(diǎn)建議，供電氣設(shè)計(jì)人員參考。

1 消防水泵全壓?jiǎn)?dòng)配電設(shè)計(jì)要求

GB50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《水消規(guī)》）11.0.14條規(guī)定：“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)”。選煤廠的消防泵一般采用工頻全壓?jiǎn)?dòng)方式，功率大時(shí)采用星三角啟動(dòng)。同時(shí)，《水消規(guī)》11.0.12條規(guī)定：“消防水泵控制柜應(yīng)設(shè)置機(jī)械啟泵功能，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。手動(dòng)時(shí)應(yīng)在報(bào)警5min內(nèi)正常工作”。然而，“機(jī)械應(yīng)急啟泵功能”具體含義是什么？《水消規(guī)》中并沒有明確說明。電氣專業(yè)對(duì)此又應(yīng)采取何種措施呢？通常，當(dāng)消防泵功率較大時(shí)，消防泵的正常啟動(dòng)方式為星三角啟動(dòng)，當(dāng)應(yīng)急啟動(dòng)時(shí)，一種是采用機(jī)械應(yīng)急手柄直接閉合主回路運(yùn)行接觸器，另一種是采用專用機(jī)械旁路應(yīng)急啟動(dòng)。無論消防水泵在正常時(shí)采用哪種方式啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，機(jī)械應(yīng)急啟動(dòng)時(shí)，通常都是以機(jī)械的方式閉合電動(dòng)機(jī)運(yùn)行主回路，使電動(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)[1-2]。

當(dāng)大功率電動(dòng)機(jī)（尤其是消防類負(fù)荷）采用全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，應(yīng)校核變壓器的容量是否滿足全壓?jiǎn)?dòng)的要求。GB50055—2011《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》2.2.1條規(guī)定：“電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，其端子電壓應(yīng)能保證被拖動(dòng)機(jī)械要求的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，且在配電系統(tǒng)中引起的電壓波動(dòng)不應(yīng)妨礙其他用電設(shè)備的工作。”2.2.2條第1款規(guī)定：“配電母線上接有照明或其他對(duì)電壓波動(dòng)較敏感的負(fù)荷，電動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)時(shí)，不宜低于額定電壓的90%；電動(dòng)機(jī)不頻繁啟動(dòng)時(shí)，不宜低于額定電壓的85%”。消防水泵屬于不頻繁啟動(dòng)設(shè)備，其啟動(dòng)時(shí)配電母線上的電壓應(yīng)確保不低于額定電壓的85%。

2 消防水泵全壓?jiǎn)?dòng)壓降計(jì)算實(shí)例及解析

2.1" 項(xiàng)目概況

某公司重介選煤廠位于貴州省黔西南州，項(xiàng)目用地面積26766.80m2，總建筑面積15561.22m2，其中洗選煤車間3726.52m2，準(zhǔn)備車間490.96m2，煤棚8884.05m2，濃縮車間142.56m2，消防泵房267.33m2，門衛(wèi)56.00m2，業(yè)務(wù)用房682.80m2，辦公樓1311.00m2。消防泵房主要配置4臺(tái)消防水泵（2臺(tái)90kW消火栓泵一備一用，2臺(tái)110kW消防水炮泵一備一用）和2臺(tái)630kVA變壓器。

2.2" 校驗(yàn)前的計(jì)算數(shù)據(jù)

2.3" 校驗(yàn)依據(jù)及計(jì)算過程

依據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版表4-24計(jì)算如下：

變壓器低壓接線端子到低壓配電屏及配電屏上的母線電抗：

Xlm=0.170×0.006=0.00102Ω （1）

依據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四版表6.5-4電纜電抗銅芯線：S≤150mm2時(shí)，取（18.3/S）×L，S＞150mm2時(shí)，取（0.08+6.1/S）×L，計(jì)算如下：

Xl1=（0.08+6.1/240）×0.030=0.00316Ω （2）

Xl2=（18.3/120）×0.030=0.00458Ω （3）

依據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四版表6.5-4中，全壓?jiǎn)?dòng)有關(guān)公式計(jì)算如下：

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流倍數(shù)：

Kst=Ist/IrM=1407.600/204.000=6.900 （4）

電動(dòng)機(jī)額定容量：

SrM=1.732UrMIrM=1.732×0.380×204.000/1000=0.134MVA （5）

電動(dòng)機(jī)額定啟動(dòng)容量：

SstM=KstSrM=6.900×0.134=0.926MVA （6）

預(yù)接負(fù)荷：

QL=SL×sin=0.150×0.600=0.090MVar （7）

母線短路容量：

（8）

系統(tǒng)總電抗：

（9）

啟動(dòng)回路的額定輸入容量：

（10）

母線電壓相對(duì)值：

（11）

電動(dòng)機(jī)端子電壓相對(duì)值：

（12）

實(shí)際啟動(dòng)電流：

（13）

2.4" 計(jì)算結(jié)果

母線電壓相對(duì)值：UstB=0.944；

電動(dòng)機(jī)端子電壓相對(duì)值：UstM=0.898；

實(shí)際啟動(dòng)電流：IstM=1263.440A；

依據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四版式（6.5-1）及表6.5-2校驗(yàn)機(jī)械啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：

電機(jī)端子電壓相對(duì)值：ustM=0.898；

電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩相對(duì)值：mstM=2.100；

電機(jī)靜阻轉(zhuǎn)矩相對(duì)值：ms=0.300；

（14）

∵UstB=0.944＞0.85，且

∴這臺(tái)變壓器滿足消防水泵全壓?jiǎn)?dòng)的要求！

根據(jù)上述相似的邏輯或方法進(jìn)行類比推導(dǎo)，可得，變壓器可以全壓?jiǎn)?dòng)電動(dòng)機(jī)的最大功率，見表1。

3 結(jié)果分析

由上述計(jì)算過程及表1的結(jié)果可以看出，變壓器的容量越大，所允許全壓?jiǎn)?dòng)的電動(dòng)機(jī)的功率越大。表1的計(jì)算結(jié)果是基于某些假設(shè)條件（如電機(jī)參數(shù)理想、忽略系統(tǒng)電阻、簡(jiǎn)化模型等）所得的數(shù)據(jù)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況、設(shè)備實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和規(guī)范要求進(jìn)行修正，尤其是針對(duì)消防類負(fù)荷的全壓?jiǎn)?dòng)問題。同時(shí)，《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四版表6.5-7總結(jié)了按電源容量估算的允許全壓?jiǎn)?dòng)的電動(dòng)機(jī)最大功率的經(jīng)驗(yàn)公式，在設(shè)計(jì)時(shí)可與本文表1總結(jié)對(duì)照參考使用。

實(shí)際使用時(shí)，消防泵房專用變壓器的容量越大，消防水泵越容易全壓?jiǎn)?dòng)，其經(jīng)濟(jì)性也就越差。消防泵房專用變壓器的容量選擇需要在啟動(dòng)可靠性和經(jīng)濟(jì)性之間取得平衡[7]，為此提出以下幾點(diǎn)建議供設(shè)計(jì)人員參考：①必須嚴(yán)格依據(jù)國(guó)家及行業(yè)規(guī)范校驗(yàn)消防泵房專用變壓器的容量是否滿足消防水泵全壓?jiǎn)?dòng)的要求。②對(duì)于特殊類型的消防水泵可采用ETAP軟件模擬校核消防水泵全壓?jiǎn)?dòng)與變壓器容量的匹配問題，通過ETAP軟件可精準(zhǔn)模擬消防水泵全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的電壓降、電流沖擊及變壓器容量的匹配問題。需要說明的是ETAP軟件作為一款專業(yè)的電力系統(tǒng)分析工具[8-10]，在電動(dòng)機(jī)建模和特殊工況分析中確實(shí)功能強(qiáng)大，但復(fù)雜度較高，建議常規(guī)項(xiàng)目?jī)?yōu)先采用本文所述計(jì)算方法驗(yàn)證，當(dāng)特殊電機(jī)類型或者嚴(yán)苛工況環(huán)境時(shí)再考慮ETAP深度分析。③可以采用專用的手動(dòng)接觸器（星三角降壓式機(jī)械應(yīng)急啟動(dòng)裝置）來降低消防水泵機(jī)械應(yīng)急啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，這種星三角降壓式機(jī)械應(yīng)急啟動(dòng)裝置是一款基于接觸器為主體，配合機(jī)械應(yīng)急操作機(jī)構(gòu)，只需轉(zhuǎn)動(dòng)手柄90°便可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)星三角降壓?jiǎn)?dòng)的消防應(yīng)急裝置。需要強(qiáng)調(diào)的是，由于缺乏統(tǒng)一制造標(biāo)準(zhǔn)、市場(chǎng)成熟度低等原因，這種星三角降壓式機(jī)械應(yīng)急啟動(dòng)裝置并沒有被廣泛應(yīng)用，在使用時(shí)必須采取更嚴(yán)格的管控措施，確保生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品具有消防產(chǎn)品認(rèn)證證書，且符合GB50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》11.0.14條和GB16806—2006《消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)》4.11.1條等國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求。

4 結(jié)束語

綜上所述，在消防水泵的供配電設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮變壓器參數(shù)與大功率電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的匹配問題，進(jìn)行啟動(dòng)壓降計(jì)算與分析。為了保證配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，大功率電動(dòng)機(jī)應(yīng)綜合考慮規(guī)范要求、變壓器容量、負(fù)載特性、預(yù)接負(fù)荷大小、設(shè)備動(dòng)作要求、經(jīng)濟(jì)性等因素來確定其啟動(dòng)方式。

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