浅谈住宅区消防水泵的配电设计

毛 洪 山

(江苏龙腾工程设计股份有限公司, 江苏 南京 210014)

0 引 言

消防水泵包括消火栓泵、喷淋泵等,担负着建筑消防灭火的供水任务,是建筑中不可缺少的消防设施。可靠的供电系统是保证消防水泵在发生火灾时能可靠工作的重要环节。住宅区消防水泵房一般设置于地下汽车库内,同时向地下车库和地上住宅消防系统供水。

住宅区消防水泵配电设计依据的主要规范有:GB 50974—2014《消防给水及消火栓系统技术规范 》[1]、GB 50016—2014《建筑设计防火规范》、GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》等。配电设计包括选择合理的供电电源、确定供电电缆型号规格及敷设方式、设计电机的起动方式等。

1 消防水泵配电及起动方式选择

目前,住宅区的消防水泵用电负荷等级多为一、二级负荷,由地下汽车库变电所(专变)供电,消防水泵配电示意图如图1所示。当前,一、二线城市新建住宅楼以约100 m高度的高层建筑为主,故消防水泵电机功率较大,单机功率多在90～132 kW,是住宅区内单机容量最大的用电设备;另一方面,因汽车库正常用电负荷以照明和通风设备为主,总用电负荷小,所以配置变压器容量小,多为315～630 kVA。

图1 消防水泵配电示意图

图2 电机起动回路单线图

按照《工业与民用配电设计手册》(第四版)(以下简称《配四》)中表6.5-7[3],当不经常起动的电机容量不超过变压器容量的30%时,可不做起动电压暂降验算。本工程消火栓泵容量占变压器容量的50%,须参照《配四》表6.5-4的方法对水泵全压起动时的母线电压暂降进行验算。

母线短路容量如式(1)所示:

(1)

式中:Ssc——最小运行方式下的系统短路容量;

ST——变压器计算容量;

SrT——变压器额定容量;

uk%——变压器的电抗相对值。

起动回路容量如式(2)所示:

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(2)

式中:SstM——电机起动回路的计算容量;

SrM——电机额定容量;

Kq——电机额定起动电流倍数;

Uav——系统平均电压;

Sl——线路计算容量;

Xl——线路电抗。

电机起动时母线电压相对值(相对于额定电压)如式(3)所示:

(3)

式中:Us——电源母线电压相对值,取1.05;

QL——预接负荷的无功功率。

计算了相同条件下容量为90,110,132,160,200 kW、起动电流为7倍的电机全压起动时的母线电压水平(相对于额定电压)。不同容量电机全压起动时的母线电压水平如图3所示。可见,对于类似消防水泵等不频繁起动的设备而言,其容量只要不大于变压器容量的60%,均可全压起动。因此,上述消防水泵平常、机械应急时均应采用全压直接起动。电机全压起动有时间短、可靠性高、维护简单、造价低等优点,应优先选用。

图3 不同容量电机全压起动时母线电压水平

2 变压器高压侧断路器继电保护配合

配电变压器高压侧采用断路器时一般须设置速断和过电流保护,速断保护依据变压器低压侧短路时流过高压侧的电流值整定,过电流保护整定值依据变压器一次侧额定电流整定,整定值(一次侧动作电流)由电网公司下发,其采用的计算式如下:

(4)

其中,可靠系数Kre=1.2;接线系数Kjx=1;继电器返回系数Kr=0.85;过负荷系数Kgh=1.3;变压器一次侧额定电流I1rT=18.2 A。

上述消防水泵房交付前进行试验,水泵起动4～6 s时变压器高压侧断路器即跳闸,引起大面积停电,试验多次,情况均如此。

计算该水泵电机的起动电流IstM=KqIrM=7×236=1 652 A,起动前变压器负荷电流约为250 A,水泵起动过程中变压器一次侧电流为(1 652+250)/25=76 A。因变压器高压侧过电流保护整定值无法躲过消防水泵起动电流,必然会引起高压断路器跳闸。经分析认为,过电流整定值(一次侧动作电流)应为

(5)

变压器高压侧继电保护过电流保护整定值调大会影响运行的安全,但只要保护装置的灵敏系数不小于1.3,就可保证继电保护的可靠性。保护装置的灵敏系数校验如下:

(6)

式中:I2k2.min——最小运行方式下低压侧两相短路时流过高压侧(保护安装处)的短路电流;

I22k2.min——最小运行方式下变压器低压侧两相短路电流;

I″2k.min——最小运行方式下变压器低压侧三相短路电流;

nT——变压器电压比。

3 结 语

住宅区消防水泵是重要的消防设施,应优先采用全压起动方式,水泵电机容量不超过供电变压器容量60%时,可不做起动电压暂降验算;反之,须对电机起动电压暂降进行验算。供电变压器高压侧断路器过电流保护须和水泵起动电流曲线配合,定值须躲过水泵起动电流。本文所述电机起动电压暂降验算和供电变压器高压侧断路器过电流保护定值整定方法可供同行设计时参考。