孫立安, 吳逸凡

[同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團(tuán))有限公司, 上海 200092]

0 引 言

近年來,隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn),建筑和建筑群的規(guī)模越來越龐大,構(gòu)造也越來越復(fù)雜,對消防設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性提出較高要求。在電氣設(shè)計中,正確選擇消防設(shè)備的配電回路斷路器等保護(hù)開關(guān)非常重要。

本文結(jié)合某工程項目,對消防設(shè)備配電回路中通過的電流進(jìn)行分析,提出對斷路器短路分?jǐn)嗄芰?、反時限過電流脫扣器整定值、瞬時過電流脫扣器整定值的選取建議。

1 工程情況

1.1 工程概況

某大學(xué)新建校區(qū)項目,總建筑面積約為120萬m2,單體建筑高度最高為99 m,由教學(xué)樓組團(tuán)、學(xué)院樓組團(tuán)、圖書館、食堂、學(xué)生宿舍等組成。

1.2 消防水泵

給排水專業(yè)根據(jù)GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[1]選定消火栓系統(tǒng)采用2臺110 kW消火栓泵,2臺水泵一用一備。

根據(jù)GB 50116—2013《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》[2]第4.3.1條“聯(lián)動控制方式,應(yīng)由消火栓系統(tǒng)出水干管上設(shè)置的低壓壓力開關(guān)、高位消防水箱出水管上設(shè)置的流量開關(guān)或報警閥壓力開關(guān)等信號作為觸發(fā)信號,直接控制起動消火栓泵”,消防水泵采用壓力開關(guān)、流量開關(guān)聯(lián)動啟泵的方式。

1.3 起動方式

根據(jù)GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》第11.0.14條“火災(zāi)時消防水泵應(yīng)工頻運行,消防水泵應(yīng)工頻直接啟泵;當(dāng)功率較大時,宜采用星三角起動,不宜采用有源器件起動”,確定消火栓泵采用星三角起動方式。星三角起動方式接線如圖1所示。

圖1 星三角起動方式接線示意圖

星三角起動的消防水泵起動時,先閉合接觸器QAC1和QAC3,此時電動機(jī)處于星形接線狀態(tài)。待電動機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)之后,斷開接觸器QAC3。

為防止轉(zhuǎn)換過程中通過QAC2和QAC3引起相間短路,在間歇50 ms后,閉合斷路器QAC2,電動機(jī)轉(zhuǎn)為三角形接線狀態(tài),電動機(jī)進(jìn)入正常工作。

1.4 現(xiàn)場故障

現(xiàn)場安裝完成后進(jìn)行水泵運行測試,在星形接線向三角形接線轉(zhuǎn)換過程中,配電回路斷路器瞬時過電流脫扣器動作,消防水泵啟泵失敗。

排除回路中發(fā)生短路故障的可能性后,對消防水泵的起動過程再次進(jìn)行測試。測試結(jié)果顯示,在配電回路斷路器瞬時過電流脫扣器動作前,測得電流的最大值達(dá)3 280 A,約是額定電流的16倍,超過了瞬時脫扣器電流(3 000 A),斷路器跳閘。

2 故障原因分析

2.1 設(shè)備配電斷路器選型

消防水泵房配電變壓器采用SCB13-1250型,阻抗電壓Uk=6%,系統(tǒng)接地型式為TN-S系統(tǒng),從變電所低壓柜出線端到消防泵房配電柜進(jìn)線端的供電距離約為100 m。

消防水泵額定功率Pe=110 kW,

額定電壓Ue=0.38 kV,

單相接地故障短路電流Id1為

(1)

式中:XTphPE、XLphPE——變壓器、線路相保電抗;

RLphPE、RLphPE——變壓器、線路相保電阻。

查表并代入數(shù)據(jù),可得消防水泵配電回路斷路器位置的單相接地故障短路電流Id1=8.06 kA。

電動機(jī)回路斷路器瞬時脫扣器的整定電流需躲過線路的峰值電流的要求:

Ir3≥Kset3Ist

(2)

式中:Ir3——斷路器瞬時過電流脫扣器整定值;

Kset3——斷路器瞬時過電流脫扣器的可靠系數(shù),考慮電動機(jī)起動電流誤差和斷路器瞬動電流誤差,取1.2;

Ist——電動機(jī)全起動電流,星三角起動形式下按2.3倍額定電流考慮。

查表并代入數(shù)據(jù),可得消防水泵配電回路斷路器瞬時過電流脫扣器整定值Ir3≥560 A。

根據(jù)上述計算結(jié)果及GB 50055—2011《通用用電設(shè)備配電設(shè)計規(guī)范》[3]第2.3.7條“斷電比過載造成的損失更大時,應(yīng)使過載保護(hù)動作于信號”,消防水泵配電回路斷路器采用單磁保護(hù)型,反時限過電流脫扣器過載時不動作,整定值Ir1取250 A。瞬時過電流脫扣器整定值Ir3取8～12倍的Ir1。

2.2 產(chǎn)品樣本規(guī)格復(fù)核

根據(jù)常用斷路器品牌的產(chǎn)品樣本,對斷路器規(guī)格進(jìn)行復(fù)核,品牌一～品牌三斷路器選型表如表1～表3所示。

表1 品牌一斷路器選型表

表2 品牌二斷路器選型表

表3 品牌三斷路器選型表

復(fù)核后確認(rèn),各品牌產(chǎn)品均能滿足設(shè)計要求,因此確認(rèn)消防水泵配電回路斷路器型號為MCCB400 250A/3P MA(單磁保護(hù)型)。消防水泵配電回路系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 消防水泵配電回路系統(tǒng)

2.3 星三角起動過程中的轉(zhuǎn)換電流峰值

根據(jù)文獻(xiàn)[4]12.1.3.2節(jié),在星形接線向三角形轉(zhuǎn)換的瞬間,定子繞組與電源脫離,轉(zhuǎn)子繞組中的電流并不會瞬間消失。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,未明顯衰減的轉(zhuǎn)子繞組電流會在電動機(jī)的定子繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。

此時若三角形接線回路接觸器合閘,感應(yīng)電動勢便會與電源電壓疊加,電網(wǎng)的相位與電動機(jī)的磁場相位不同甚至相反。分析這個過程可以得出,轉(zhuǎn)換電流峰值最大可達(dá)星形接線時的穩(wěn)定電流與三角形接線時的接通電流峰值之和。

三角形接線時的接通電流峰值即為起動電流第一半波的沖擊電流,實際使用中電動機(jī)直接起動電流的第一個峰值一般是額定電流的8～12倍,個別電動機(jī)起動電流的第一個峰值是其額定電流的13倍以上。

根據(jù)GB 50116—2013和GB 50974—2014的要求,自動噴水滅火系統(tǒng)和消火栓系統(tǒng)的聯(lián)動控制都有壓力開關(guān)直接聯(lián)動啟泵的要求,消防水管網(wǎng)中管網(wǎng)壓力為1.10～1.20 MPa,這種情況下消防水泵電動機(jī)應(yīng)該視為帶重載負(fù)荷的電動機(jī)。

2.4 故障分析結(jié)論與故障排除

由分析得出結(jié)論:消防水泵在星三角起動過程中星形接線向三角形接線轉(zhuǎn)換的瞬間回路中通過近18倍額定電流的沖擊電流,超過了斷路器瞬時過電流脫扣器整定值3 000 A。

將配電回路斷路器瞬時過電流脫扣器整定值Ir3提高,取Ir3=3 500 A=14Ir1≈18Ie。同時校驗單相接地短路電流靈敏度,即Id1=8 060 A≥1.3Ir3=4 550 A,滿足靈敏度要求。

現(xiàn)場修改完成后再次進(jìn)行水泵運行測試,星三角起動過程中配電回路順利地從星形回路切換至三角形回路,消防水泵順利起動,故障排除。

3 消防設(shè)備的斷路器整定建議

根據(jù)GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[5]第13.7.6條“消防水泵、防煙風(fēng)機(jī)和排煙風(fēng)機(jī)不得采用變頻調(diào)速器控制”,大功率消防設(shè)備只能采用星三角起動方式,不能采用軟起動、變頻起動等降壓起動方式。

因此,設(shè)計時需要考慮消防設(shè)備的星三角起動過程中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)換電流峰值。根據(jù)分析,采用星三角起動方式的消防設(shè)備(如消防水泵)重載起動,配電回路斷路器的瞬時過電流脫扣器整定值Ir3建議按額定電流Ir1的14倍取值。

星三角起動方式下消防設(shè)備的斷路器選型表如表4所示。將表4與表1～表3進(jìn)行對比,消防水泵等重載起動的消防設(shè)備配電回路斷路器選型時應(yīng)標(biāo)明瞬時過電流脫扣器整定值Ir3,如110 kW消防水泵的斷路器選型應(yīng)明確標(biāo)注為MCCB400 250A/3P MAIr3=3 500 A。

表4 星三角起動方式下消防設(shè)備的斷路器選型表

4 結(jié) 語

如果消防設(shè)備的配電回路保護(hù)電器選擇不當(dāng),在火災(zāi)危險時就有可能發(fā)生消防設(shè)備無法正常工作,從而危及人身安全的情況。本文對實際工程案例中消防設(shè)備故障進(jìn)行分析,并對星三角起動方式的轉(zhuǎn)換峰值電流進(jìn)行計算,得出星三角起動方式下消防設(shè)備的斷路器整定建議表,建議設(shè)計人員合理選擇。