电动消防泵星三角启动技术探讨

摘要：近年来，多起重大火灾造成了严重的人员伤亡及经济损失，其中很大部分原因是消防泵在火灾发生后无法正常运行，对此，国家有关部门为提高消防泵的启动及运行的可靠性出台了新的规定及要求。

关键词：消防泵;启动;星三角;机械应急启泵

前 言

GB50974–2014《消防给水及消火栓系统技术规范》已于2014年10月1日正式实施，这本全新的规范在多个方面对提高消防泵的可靠性做了规定。其中有关消防泵的启动和运行有以下2条：第11.0.14 条：“火灾时消防水泵应工频运行，消防水泵应工频直接启泵;当功率较大时，宜采用星三角和自耦降压变压器启动，不宜采用有源器件启动。”此条规定了消防水泵的运行及启动方式，水泵应工频运行，一般情况应直接启动，功率较大时宜采用星三角或自耦降压启动方式，这2种降压启动方式可靠性相对较高。第11.0.12 条：“消防水泵控制柜应设置机械应急启泵功能，并应保证在控制柜内的控制线路发生故障时由有管理权限的人员在紧急时启动消防水泵。机械应急启动时，应确保消防水泵在报警5.0min内正常工作。”此条为强制性条文，规定了消防水泵控制柜应设置机械应急启泵功能，其目的是在控制柜内的控制线路发生故障时也能强制启动消防泵，保证火灾扑救的及时性。以上2条明确了消防水泵的启动及运行方式，直接启动方式最简单可靠，但是经常会遇到电源容量不满足消防泵直接启动的要求，因此会用到降压启动，本文主要针对消防泵的星三角降压启动方式做介绍，并对机械应急启泵的原理及相关问题阐述自己的看法。

1星三角启动原理及改进措施

星三角启动是应用很广的一种降压启动方式，启动转矩为全压启动的1/3，因此适用于轻载启动的设备。其主要原理是变换电动机定子侧绕组的接线方式，启动时定子侧绕组为星形接法，经过一定延时后，定子侧绕组变为三角形接法，此后电动机正常运行。一次接线图如图1所示，通过闭合接触器KM1及KM3，使定子绕组成为星形接法，此时绕组电压为相电压～220V，电压为全压启动的1/，电流为全压启动的1/3，启动转矩也为全压启动的1/3。用于消防泵时，图中热继电器仅做报警用，不切断主回路电源。

星三角启动方式虽然简单可靠，却也有很大的弊端。笔者曾在一个工程中遇到过星三角启动引起跳闸的现象，并且再合闸启动电动机后出现了缺相的现象，当时完全无从下手。后来查阅了不少文献资料，才明白了是星三角启动转换过程中的二次冲击电流的原因，导致接触器熔焊及断路器跳闸。星形向三角形转换过程中电流会出现很高的跃升，远大于起始值，更有甚者，还要叠加一个暂态冲击值，如右图2所示。二次冲击电流是由于星三角转换过程中的电流中断造成的，在接通三角形接触器时，电机定子绕组已从电源脱开，但由于电机的转子回路是闭合的，故其转子回路根据电磁感应原理，存在着衰减交变电流.并由这个电流在电机的定子绕组上感应出相应的交变感生电势，此电势的幅值和相位与断开电源幅值和相位相关联，并且以一定周期衰减。当三角接触器合闸时，这个电势与电源电压正好叠加，极限状态就是两者相位差180度，由此产生1个是电机额定电流15～20倍的峰值冲击电流，足以使断路器保护跳闸，并造成接触器触头熔焊。一般为避免接触器熔焊及断路器跳闸，会刻意选用額定电流更高的接触器及采用瞬断值更高的断路器，此种做法不经济，也会造成短路保护整定困难。

为避免出线过高的转换电流峰值，可采用不中断转换的星三角启动方式，主回路接线见图3，此种接线方式也被称为闭路星三角启动。在星形启动结束后，通过过渡电阻和过渡接触器，维持电流不中断，经50ms后无间歇地转换到三角形接线，此种方式可将二次冲击电流最大值限制在2.5倍的电动机额定电流以下，大幅度减小了二次冲击电流。过渡电阻按电动机额定电流的1.5倍设计，其阻值可按下式计算：，其中UrM为电动机额定电压，IrM为电动机额定电流。

2机械应急启泵原理及相关问题

GB50974中未提及机械应急启泵的具体要求，仅在条文说明中强调：只要供电正常，无论控制线路如何都能强制启动。从目前能查到的资料及个人的理解来看，机械应急启泵装置是一个可人工操作的机械开关，在泵正常控制回路失效时可强制接通电动机一次回路，此机械开关应具备灭弧功能，并且动作要尽可能的迅速。具备机械应急启泵功能的星三角降压启泵主电路如图4所示，K1、K2为机械开关，具备联锁功能，可同时闭合，直接以三角形接法启动电动机。

有人提出机械应急启泵装置的上口可接于断路器的上口，主回路不做任何保护措施，这样将避免断路器的原因导致电源不通。笔者认为这样做不妥，GB50055-2011《通用用电设备配电设计规范》中2.3.1：“交流电动机应装设短路保护和接地故障保护。”此条为强制性条文，应遵守，并且从后果上分析，如果线路短路了不及时跳闸保护，轻则烧毁电缆或设备，重则导致总电源故障，火灾无法及时扑救，后果是不可承受的。

机械应急启泵时跨过正常启动接触器，直接接通电机一次供电回路，相当于直接启动方式，因此，目前很多工程设计中按最大一台消防水泵直接启动时母线电压不应低于80%这一要求来核算变压器容量，结果导致配电变压器容量为此需加大一到两级，笔者认为这种做法虽然可靠，却造成变压器负载率低，运行不经济，造成电源容量浪费。不常用的电动机直接启动时母线电压不应低于80%，不考虑对电压敏感的负荷时，其主要原因是为保证电动机主接触器线圈的供电电压不低于其释放电压（一般接触器释放电压不高于额定电压的70%），否则主接触器无法吸合，启动会失败。在机械应急启动时，不存在以电压为条件吸合的接触器，也就不需要保证母线电压不低于80%这一要求。消防时需要正常工作的场所通常会设置UPS、EPS等电源设备，在保证这些场所能够正常运行的情况下，并且已切除非消防负荷，笔者认为机械应急启动时可不考虑母线电压降，只需核算电动机端子电压，只要保证电动机启动转矩大于机械静阻转矩，电动机就能够启动运行。电动机端子电压相对值按下式计算：

为启动时电动机端子电压相对值;

为电动机启动转矩相对值，即启动转矩与额定转矩的比值，直接启动一般取2;

为电动机传动机械的静阻转矩相对值，水泵一般取0.3。

及值带入式中可得，0.4062，即只要电动机端子电压相对值大于0.41，电机便可启动运行，为增加可靠性，实际工程中消防泵电动机端子电压相对值可按不小于0.55进行核算。

3结束语

消防泵是火灾时减少人员伤亡及经济损失的重要设备，其重要性不言而喻。如何让消防泵更可靠的启动和运行，是个值得研究的课题，随着技术的发展，我相信会彻底消除火灾时消防泵无法正常运行的现象，最大限度的保障人民的生命财产安全。

参考文献：

[1]中国航天规划设计研究总院有限公司组编.工业与民用供配电设计手册：全2册-4版[M].北京：中国电力出版社，2016.12

[2]中国中元兴华工程公司.GB 50974 - 2014消防给水及消火栓系统技术规范[S]. 北京：中国计划出版社，2014.

[3]中国新时代国际工程公司.GB 50055 - 2011通用用电设备配电设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2012

[4] 上海电器科学研究所（集团）有限公司.GB / T 21208 - 2007/ IEC / TS 62091：2003，MOD 低压开关设备和控制设备 固定式消防泵驱动器的控制器[S]. 北京：中国标准出版社.2008

作者简介：姓名：姜浩 出生年月：（1985.05-）性别：男 民族：汉 职称：工程师 学历：本科 写作方向：电动消防泵起动 现就职于：天津中德工程设计有限公司