排水泵站软启动器保护可行性技术改进

史 杰

（天津市排水管理事务中心，天津 300070）

排水泵站是城市重要配套基础设施，是整个排水系统正常运转的中枢。雨水泵站在汛期防止城市内涝、快速排除积水方面发挥着重要作用。每年天津市政府20项民心工程中都包括雨水泵站的建设。泵站分布的数量多少在某种程度上体现着政府对水利基础设施的重视程度。

水泵是泵站快速有效排除积水的高效机械工具。控制水泵运行的软启动柜，其核心元件软启动器是高科技产品，是一种智能型电动机启动设备，在水泵控制系统中应用已有十几年时间，应用越来越广泛。与传统的自耦变压器、星三角等降压启动方式相比，软启动器降压启动具有节能降耗、便于操控的优点，克服了传统启动方式启动电流不可调的缺陷，靠单片机控制晶闸管的导通角实现电压从零平滑上升，使电压、电流在一定范围可调，达到正常启动减少冲击的目的。

1 软启动器功能特点和故障原因分析

1.1 软启动器的工作原理

软启动器是一种集电机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新型电机控制装置。它将三相反并联晶闸管作为调压器，接入电源和电动机定子之间，这种电路可以比作三相全控桥式整流电路。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通。电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率。

软启动器同时还具有软停车功能。软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。泵站中电机停机时，传统的控制方式都是通过瞬间停电完成的。软启动器软停车时，晶闸管在得到停机指令后，从全导通逐渐地减小导通角，经过一定时间过渡到全关闭。停车的时间根据实际需要可在0～120 s调整。应用软停车技术可避免泵站的拍门损坏，减少维修费用和维修工作量。

1.2 软启动器的功能特点

（1）软启动器降压启动可以控制电压，以恒电流平滑渐进加速启动电机，其最大尖峰电流是额定电流的2～3倍，可以有效控制保护外网电压压降，降低电网的谐波污染。

（2）软启动器所附带的软停车功能有效地避免水泵停止时所产生的“水锤效应”，保护水泵和管道及阀门，将“水锤效应”造成的损坏降到最低点。

（3）软启动器体积小、重量轻，性能优良，安装方便，易于操作控制，具有智能控制及多种保护功能，而且各项启动参数可根据不同负载进行调整，其负载适应性很强。

（4）软启动器是电子智能设备，可安装模块与互联网接通，实现当地操作和远程自动控制起停车，将水泵启动运行的各种参数传输到控制中心，实现自动化远程控制操作水泵运行。

1.3 软启动器的缺点

（1）软启动器造价昂贵，没有配件进行维修。市场上和厂商售后不提供配件，损坏后必须购置新软启动器整机更换，提高维修成本费用，给运行成本核算控制管理带来额外经济消耗。

（2）软启动器运行时间不能超长，运行时间过长增加晶闸管热损耗，缩短软启动器使用寿命。运行一定时间后，必须倒车运行，不能频繁使用。

（3）软停车降低“水锤效应”损坏，在理论上只适用于高层建筑供水的水泵系统。管道管径细、长度长、弯度多，安装有微阻缓闭止回阀，能降低“水锤效应”。排水泵站中卧式混流泵出水管道短，中间安装逆止阀和伸缩节，“水锤效应”回流能量作用在逆止阀板上，泵轴自由降速，没有力矩损耗，也能降低“水锤效应”。实践中，泵站常用的潜水轴流泵电机功率大，混凝土井筒直径1.4 m，深度达到9～10 m。水泵停车后，软启动器的软停车降低“水锤效应”的作用不明显，不能有效避免“水锤效应”的危害。

1.4 软启动器故障原因分析

排水泵站大部分已采用软启动柜控制水泵启停车，提高了泵站运行工作效率。在使用过程中也有一些问题出现，软启动器使用较短时间就报故障损坏。雨水泵站只在汛期排水工作中才使用软启动柜启停车，但运行不了2～3个汛期就损坏掉，不能再继续使用，需要花费巨资购置新的软启动器，或者选购额定电流比原先大一级的新软启动器安装使用或者换另一品牌使用。市场上各种品牌的软启动器在泵站中都有使用，有国产品牌也有进口品牌，但更换新软启动器使用不长时间，继续出现故障损坏，运行效果不是很理想。

汛期中，若雨水泵站停止1台水泵运行，就极大地降低泵站收水范围内排水运行效率和排除积水速度，延长排除积水时间。同时，提高其他水泵启停车的运行频率，增加人力物力投入和维修成本，给泵站运行管理带来较大的压力。

经分析发现，缩短软启动器使用寿命的因素众多，有泵站内环境的影响，如潮湿、腐蚀、温度、闲置、通风散热等客观因素，但最主要的是停车时的“水锤效应”。目前雨水泵站使用的都是潜水轴流泵，大功率水泵（90～310 kW）安装在混凝土井筒底部，垂直结构井筒直径1.4 m，深度达9～10 m。水泵停车瞬间，井筒内呈满水状态（此时拍门还没有完全关闭，出水池中水倒流回井筒）。巨大水柱垂直向下并出现水跃产生巨大的能量，水的全部重量形成向下重力流体，其产生的惯性能量和压力全部作用在水泵叶轮上。叶轮在水柱压强的作用下，旋转力矩方向发生改变，出现反转，带动泵轴和电机转子旋转，强大的动能转化为势能，机械能转化为电能。水泵电机像发电机一样，输出谐波不稳定的脉冲电流，通过动力电缆传到软启动器的下端端子，电流逆向击穿晶闸管和冲爆其他电子元件，进而导致软启动器损坏。这些故障在多数雨水泵站汛期运行中都出现过，每次停车时软启动器屏幕上显示出现从低点到高点的尖峰电流，就是“水锤效应”导致的。

2 软启动器保护可行性技术改进研究

2.1 软启动器保护可行性技术改进方法

鉴于目前排水泵站在软启动柜设计生产制作时，只考虑水泵的各种综合控制保护（如过流、过压、超温、跑单相、启动频率等），而没有考虑软启动器的外部控制保护，可以对水泵控制系统软启动柜主、控制回路进行技术改进，以减小“水锤效应”的危害。

以某雨水泵站135 kW软启动柜为例进行可行性技术改装，原理如图1所示。在控制主回路软启动器下端安装1个交流接触器，交流接触器额定电流选装要比柜内旁路交流接触器大一级。在二次控制回路增加1个中间继电器，中间继电器常开点控制新装交流接触器线圈，线圈有电产生磁场，交流接触器主触头动作，水泵正常运行。水泵停车时交流接触器线圈断电主触头动作断开，主回路上有明显的断开点，水泵电机输出的脉冲电流冲击交流接触器的下端子，而不能冲击到软启动器的下端子，完成对软启动器的保护。

2.2 改进后软启动柜工作原理

经技术改进后的原理如图2所示，工作原理如下：合上主回路空气开关Q1，主回路有电，再合上二次控制回路控制开关Q11、Q12，控制回路有电，转换开关SW1拨到手动位置、SW3拨到本地位置，将转换开关SW2拨到就地启动位置，直流中间继电器K1线圈得电动作，K1常开点闭合，二次控制回路中软启动器内R1A点闭合，此时KM1交流接触器线圈得电动作，KM1主触头动作闭合，同时二次控制回路加装的中间继电器K4线圈得电动作，中间继电器常开点动作闭合，使KM2交流接触器线圈得电动作，KM2主触头动作闭合，水泵电机降压启动，电流平稳上升，同时K3线圈得电，K3常开点闭合，柜内排风机运行。经过降压启动一定时间后，水泵电流降到额定电流值时，软启动器时间控制R2A点动作闭合，旁路交流继电器KM3线圈得电动作，主触头动作闭合，电机转为正常运行。转换开关SW2拨到停止位置，二次控制回路各元件线圈断电，主触头断电打开，水泵停车。此时，主回路上的KM2交流接触器主触头断开，发挥出作用，将水泵逆转发出的脉冲电流断开，保护了软启动器。

图1 某雨水泵站135 kW软启动柜原理

图2 改进后的315 kW水泵软启动柜控制原理

3 结语

交流接触器和中间继电器都是常规常用电器元件，市场价格便宜适中，但能起到保护功能大作用。软启动器技术改进在技术上并不复杂，安装操作简单，但有待于实践检验。首先，可以在小功率且软启动器损坏的软启动柜上进行试验改装，观察改装后启动柜运行效果。其次，收集软启动器在技术改进后各种技术参数、运行时间、运行频率、本体温度等信息数据，进行总结论证。最后，得到具有可行性技术推广应用价值的结果，就可以逐步推广作为设计部门和生产厂商的参考依据。在泵站进行软启动柜维修改造时，建议由生产厂商在柜内加装交流接触器，最大程度提高水泵软启动柜的运行效率，延长软启动器的使用寿命，发挥出其应有的功能价值。