采用星三角起动方式的消防设备断路器整定的探讨

孙立安, 吴逸凡

[同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海 200092]

0 引 言

近年来,随着我国社会经济的不断发展和城镇化进程的不断推进,建筑和建筑群的规模越来越庞大,构造也越来越复杂,对消防设备的可靠性和稳定性提出较高要求。在电气设计中,正确选择消防设备的配电回路断路器等保护开关非常重要。

本文结合某工程项目,对消防设备配电回路中通过的电流进行分析,提出对断路器短路分断能力、反时限过电流脱扣器整定值、瞬时过电流脱扣器整定值的选取建议。

1 工程情况

1.1 工程概况

某大学新建校区项目,总建筑面积约为120万m2,单体建筑高度最高为99 m,由教学楼组团、学院楼组团、图书馆、食堂、学生宿舍等组成。

1.2 消防水泵

给排水专业根据GB 50974—2014《消防给水及消火栓系统技术规范》[1]选定消火栓系统采用2台110 kW消火栓泵,2台水泵一用一备。

根据GB 50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》[2]第4.3.1条“联动控制方式,应由消火栓系统出水干管上设置的低压压力开关、高位消防水箱出水管上设置的流量开关或报警阀压力开关等信号作为触发信号,直接控制起动消火栓泵”,消防水泵采用压力开关、流量开关联动启泵的方式。

1.3 起动方式

根据GB 50974—2014《消防给水及消火栓系统技术规范》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,宜采用星三角起动,不宜采用有源器件起动”,确定消火栓泵采用星三角起动方式。星三角起动方式接线如图1所示。

图1 星三角起动方式接线示意图

星三角起动的消防水泵起动时,先闭合接触器QAC1和QAC3,此时电动机处于星形接线状态。待电动机转速稳之后,断开接触器QAC3。

为防止转换过程中通过QAC2和QAC3引起相间短路,在间歇50 ms后,闭合断路器QAC2,电动机转为三角形接线状态,电动机进入正常工作。

1.4 现场故障

现场安装完成后进行水泵运行测试,在星形接线向三角形接线转换过程中,配电回路断路器瞬时过电流脱扣器动作,消防水泵启泵失败。

排除回路中发生短路故障的可能性后,对消防水泵的起动过程再次进行测试。测试结果显示,在配电回路断路器瞬时过电流脱扣器动作前,测得电流的最大值达3 280 A,约是额定电流的16倍,超过了瞬时脱扣器电流(3 000 A),断路器跳闸。

2 故障原因分析

2.1 设备配电断路器选型

消防水泵房配电变压器采用SCB13-1250型,阻抗电压Uk=6%,系统接地型式为TN-S系统,从变电所低压柜出线端到消防泵房配电柜进线端的供电距离约为100 m。

消防水泵额定功率Pe=110 kW,

额定电压Ue=0.38 kV,

单相接地故障短路电流Id1为

(1)

式中:XTphPE、XLphPE——变压器、线路相保电抗;

RLphPE、RLphPE——变压器、线路相保电阻。

查表并代入数据,可得消防水泵配电回路断路器位置的单相接地故障短路电流Id1=8.06 kA。

电动机回路断路器瞬时脱扣器的整定电流需躲过线路的峰值电流的要求:

Ir3≥Kset3Ist

(2)

式中:Ir3——断路器瞬时过电流脱扣器整定值;

Kset3——断路器瞬时过电流脱扣器的可靠系数,考虑电动机起动电流误差和断路器瞬动电流误差,取1.2;

Ist——电动机全起动电流,星三角起动形式下按2.3倍额定电流考虑。

查表并代入数据,可得消防水泵配电回路断路器瞬时过电流脱扣器整定值Ir3≥560 A。

根据上述计算结果及GB 50055—2011《通用用电设备配电设计规范》[3]第2.3.7条“断电比过载造成的损失更大时,应使过载保护动作于信号”,消防水泵配电回路断路器采用单磁保护型,反时限过电流脱扣器过载时不动作,整定值Ir1取250 A。瞬时过电流脱扣器整定值Ir3取8～12倍的Ir1。

2.2 产品样本规格复核

根据常用断路器品牌的产品样本,对断路器规格进行复核,品牌一～品牌三断路器选型表如表1～表3所示。

表1 品牌一断路器选型表

表2 品牌二断路器选型表

表3 品牌三断路器选型表

复核后确认,各品牌产品均能满足设计要求,因此确认消防水泵配电回路断路器型号为MCCB400 250A/3P MA(单磁保护型)。消防水泵配电回路系统如图2所示。

图2 消防水泵配电回路系统

2.3 星三角起动过程中的转换电流峰值

根据文献[4]12.1.3.2节,在星形接线向三角形转换的瞬间,定子绕组与电源脱离,转子绕组中的电流并不会瞬间消失。根据电磁感应原理,未明显衰减的转子绕组电流会在电动机的定子绕组上产生感应电动势。

此时若三角形接线回路接触器合闸,感应电动势便会与电源电压叠加,电网的相位与电动机的磁场相位不同甚至相反。分析这个过程可以得出,转换电流峰值最大可达星形接线时的稳定电流与三角形接线时的接通电流峰值之和。

三角形接线时的接通电流峰值即为起动电流第一半波的冲击电流,实际使用中电动机直接起动电流的第一个峰值一般是额定电流的8～12倍,个别电动机起动电流的第一个峰值是其额定电流的13倍以上。

根据GB 50116—2013和GB 50974—2014的要求,自动喷水灭火系统和消火栓系统的联动控制都有压力开关直接联动启泵的要求,消防水管网中管网压力为1.10～1.20 MPa,这种情况下消防水泵电动机应该视为带重载负荷的电动机。

2.4 故障分析结论与故障排除

由分析得出结论:消防水泵在星三角起动过程中星形接线向三角形接线转换的瞬间回路中通过近18倍额定电流的冲击电流,超过了断路器瞬时过电流脱扣器整定值3 000 A。

将配电回路断路器瞬时过电流脱扣器整定值Ir3提高,取Ir3=3 500 A=14Ir1≈18Ie。同时校验单相接地短路电流灵敏度,即Id1=8 060 A≥1.3Ir3=4 550 A,满足灵敏度要求。

现场修改完成后再次进行水泵运行测试,星三角起动过程中配电回路顺利地从星形回路切换至三角形回路,消防水泵顺利起动,故障排除。

3 消防设备的断路器整定建议

根据GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》[5]第13.7.6条“消防水泵、防烟风机和排烟风机不得采用变频调速器控制”,大功率消防设备只能采用星三角起动方式,不能采用软起动、变频起动等降压起动方式。

因此,设计时需要考虑消防设备的星三角起动过程中出现的转换电流峰值。根据分析,采用星三角起动方式的消防设备(如消防水泵)重载起动,配电回路断路器的瞬时过电流脱扣器整定值Ir3建议按额定电流Ir1的14倍取值。

星三角起动方式下消防设备的断路器选型表如表4所示。将表4与表1～表3进行对比,消防水泵等重载起动的消防设备配电回路断路器选型时应标明瞬时过电流脱扣器整定值Ir3,如110 kW消防水泵的断路器选型应明确标注为MCCB400 250A/3P MAIr3=3 500 A。

表4 星三角起动方式下消防设备的断路器选型表

4 结 语

如果消防设备的配电回路保护电器选择不当,在火灾危险时就有可能发生消防设备无法正常工作,从而危及人身安全的情况。本文对实际工程案例中消防设备故障进行分析,并对星三角起动方式的转换峰值电流进行计算,得出星三角起动方式下消防设备的断路器整定建议表,建议设计人员合理选择。