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關于機械應急啟動裝置的探討

時間:2017-11-16 瀏覽:5467

2014年10月1日實施的國家標準GB 50974 - 2014《消防給水及消火栓系統技術規范》第11. 0. 12條(強條)規定:消防水泵控制柜應設置機械應急啟泵功能,對消防泵控制柜提出了一個全新的概念 —— 機械應急啟動裝置
該條文該如何實施?無論是給排水專業還是電氣專業設計從業人員都無所適從。該規范僅在條文說明中強調:只要供電正常,無論控制線路如何都能強制啟動,而并未提到實現該功能的更多細節。
這本規范屬于給排水專業規范,針對這個關于消防泵控制柜的條文,我們與相關規范編制組人員作了溝通,他們認為,目前我國的消防泵控制柜存在諸多問題,也出現過很多由于控制柜不能啟泵而影響滅火的案例,編制組的出發點是強調要提高消防泵控制柜的可靠性。機械應急啟泵功能,就是在最后的緊要關頭,當控制電路出現故障而主電源仍然完好時,通過機械應急啟動裝置強制消防泵啟動,這無疑是在傳統基于控制電路的啟泵功能的基礎上,提高了可靠性。
通過控制柜上設置的機械應急裝置提高消防泵啟動可靠性的要求,無疑是值得肯定的,但什么是“機械應急啟泵功能”?電氣專業如何進行設計?對傳統的設計、制造會帶來哪些影響和挑戰?規范未能提供更具體的、可供操作的措施和方法。為此,筆者收集、整理了國內外有關“機械應急啟泵”的相關資料,通過分析提出建議供同行們參考。
1 機械應急啟動裝置的標準依據
通過收集、研讀國家標準GB / T 21208 - 2007 / IEC / TS 62091:2003,MOD《低壓開關設備和控制設備 固定式消防泵驅動器的控制器》、美國消防協會NFPA 20 - 2007《Standard for the Installation of Stationary Pumps for Fire Protection》和國際電工委員會標準IEC 62091 - 2007《Low-voltage switchgear and controlgear — Controllers for drivers of stationary fire pumps》的相關內容,筆者認為,這三個標準規定的消防泵控制器的“緊急運行控制”或“應急機械運行控制”,即是對機械應急啟泵功能的要求,可作為設計和生產制造消防泵控制柜的依據,現摘錄(或翻譯)如下。
1. 1 國家標準GB / T 21208 - 2007 / IEC / TS 62091:2003,MOD《低壓開關設備和控制設備 固定式消防泵驅動器的控制器》
第 8. 5. 1. 2 條:“控制器的緊急運行控制
控制器的緊急運行控制可以由一個機械驅動(例如一個接觸器的機械操作)或由一個備用的開關電器(例如接觸器、手動開關等)來完成 ……
控制器的緊急運行控制應通過以下方式達到A優先級:
a) 應提供緊急運行裝置用于電動機非自動起動和連續運行的操作;
b) 緊急運行裝置應能閉鎖在運行位置,機械鎖定不應是自動的,應是操作者可選擇的;
c) 手動緊急操動器應設計成只向一個方向移動,即從斷開位置到最終的運行位置;
d) 除了運行閉鎖位置以外的其它位置,如果操作者釋放手動緊急操動器,控制器應能自動返回到斷開位置。”
1. 2 國際電工委員會標準IEC 62091 - 2007《Low-voltage switchgear and controlgear — Controllers for drivers of stationary fire pumps》
《Low-voltage switchgear and controlgear — Controllers for drivers of stationary fire pumps》譯為《低壓開關設備和控制設備 固定式消防泵驅動器的控制器》,下面為筆者摘錄并翻譯的條文:“8. 5. 1. 2控制器的緊急運行控制
控制器的緊急運行控制可以由一個機械驅動(例如一個接觸器的機械操作)或由一個冗余的開關裝置(例如接觸器、手動開關等)來完成 。這個冗余的開關裝置應該是可機械操作的,以防控制電源失電或其它控制電路器件失效。”
國標GB / T 21208 - 2007 / IEC / TS 62091:2003,MOD修改采用IEC / TS 62091:2003標準,和國標相比,我們把“redundant electrical switching device”翻譯為“冗余的開關裝置”,國標則為“備用的開關電器”。另外,第二句話是對冗余的開關裝置提出的要求,在國標里面沒有這句話,其它關于“A優先級”IEC標準和國標是一樣的。
1. 3 美國消防協會標準NFPA 20 - 2007《Standard for the Installation of Stationary Pumps for Fire Protection》
《Standard for the Installation of Stationary Pumps for Fire Protection》譯為《固定式消防泵安裝標準》,下面為筆者摘錄并翻譯的條文:“10. 5. 3. 2 控制器的應急機械運行控制
10. 5. 3. 2. 1 控制器必須裝備一個緊急運行手柄或操作桿用于機械地閉合電機電路上的開關機構。
10. 5. 3. 2. 1. 1 手柄或操作桿應提供電機的非自動的、連續的運行操作,該操作不依賴任何電氣控制電路、電磁鐵或等效裝置,也不依賴壓力開關的控制。
10. 5. 3. 2. 1. 2 這種方法應能手動操作使得手柄或操作桿機械閉鎖,或者保持在啟動位置。
10. 5. 3. 2. 1. 3 機械閉鎖不應是自動的,應是操作者可選擇的。
10. 5. 3. 2. 2 手柄或操作桿應設置成只向一個方向移動,即從斷開位置到最終的運行位置。
10. 5. 3. 2. 3 除了全運行位置外,操作者在任何位置釋放手柄或操作桿,電機啟動器均應能自動返回到斷開位置。”
根據上述標準,筆者理解認為:要實現機械應急啟泵,首先,消防泵電動機的主電路需要設置一種可被機械驅動閉合的開關機構(如接觸器)或一個冗余的開關裝置,這個冗余的開關裝置應該是可機械操作的;其次,需要在消防泵控制柜上設置一個緊急運行手柄或操作桿,用以機械地閉合上述開關機構或冗余的開關裝置。
2 如何設置機械應急啟泵裝置
他山之石可以攻玉,既然“緊急運行控制”或“應急機械運行控制”的要求均是源于上述IEC和NFPA標準,那么國外應該有成熟的產品可以借鑒。國外是如何設置機械應急啟泵裝置的呢?
下面是產品的部分技術細節。
2. 1 消防泵控制柜外觀(如圖1所示)

機械應急啟動裝置

  圖1可以看出,消防泵控制柜的顏色為非常醒目的大紅色,箱面設置有如下功能組件:
a. 隔離器和斷路器操作手柄,可同時操作隔離器和斷路器。
b. 機械應急啟動操作手柄,用于以機械方式閉合接觸器。
c. 手動啟、停按鈕,用以完成標準所規定的對消防泵的手動電氣控制功能。
d. 人機交互界面,用于顯示、設定各類系統參數。
經核實,箱面設置這些功能組件都是源于上述IEC和NFPA標準的要求。
2. 2 機械應急啟泵如何實施
械應急啟泵功能適用于所有的啟動方式,包括全壓啟動、降壓啟動,在消防泵控制器(俗稱消防泵控制柜)中,設置有機械應急啟動操作手柄,一旦應急啟動拉動該手柄,將聯動柜內的機構以機械的方式閉合主回路的運行接觸器,讓水泵電機直接全壓啟動。
所有消防泵控制器中,直接啟動控制器最為簡單,機械應急手柄只需直接動作、閉合主接觸器,即可實現應急啟泵;星三角啟動控制器,則需要手柄操作閉合兩個運行用接觸器,實現應急啟泵;而軟啟動控制器,僅僅是靠應急手柄操作閉合旁路接觸器來實現應急啟泵。總之,所有的降壓啟動控制器,在應急啟泵時,均通過應急手柄的操作,跳開降壓啟動環節,讓消防泵電機直接進入全壓運行,類似直接啟動。
2. 3 電控制器的標準配置
2. 3. 1 操作交互界面
其功能包括設有手動啟動、停止按鈕;顯示系統壓力和設定啟泵參數;實時數據顯示,包括運行中的三相電壓和電流顯示、故障報警等;完整的歷史數據記錄;以太網Modbus TCP網絡通訊接口;可編程運行周期定時器(可設置定期啟動水泵)等等。
2. 3. 2 啟、停泵控制功能
a. 操作交互界面上設置的手動啟、停泵按鈕;
b. 控制柜箱面設置機械啟動手柄,只需拉起即可緊急啟泵;
c. 基于水系統壓力的自動啟泵;
d. 其它消防設備的遠程自動啟泵;
e. 遠程手動啟泵。
2. 3. 3 電源監視繼電器(PMR),基于繼電器的微處理器
能提供電機堵轉保護、電壓和電流檢測,并將參數顯示在操作交互界面上。
2. 4 典型控制電路
設置有機械應急啟動裝置的消防泵控制柜,對控制電路有何特殊考慮?當應急啟動時,控制電路是否需要斷電呢?比較了Joslyn Clark公司所有消防泵控制器的控制電路,開式星三角啟動電路(如圖2所示)相對比較復雜,且有一定代表性,現舉例說明如下。

常規啟動控制:電動機主電路設置有三個接觸器 —— 1M、2M、S,當控制器由消防主管低壓壓力信號、其它消防信號、遠程啟動信號或控制器箱面的手動啟泵按鈕啟動時,繼電器CR2失電啟動(該繼電器平常處于通電狀態), 接觸器1M、S得電閉合,電機繞組按照星形接線方式啟動。同時,由AT定時器進行延時,到設定時間后, AT常閉觸點斷開,使ATR繼電器失電(該繼電器平常處于通電狀態),ATR輔助觸點動作使得接觸器S失電、接觸器2M得電。此時,由于接觸器1M、2M主觸頭閉合,電機繞組按照三角形接線進入全壓運行,完成啟動全過程。
機械應急啟動:電路圖中,有一條虛線將機械啟動手柄(MANUAL START HANDLE)、接觸器1M、2M及限位開關LS互相連接,它表示了一種基于機械操作的邏輯關系,即應急啟動時,拉起機械啟動手柄會聯動閉合接觸器1M、2M,同時將限位開關LS由原來接通6 - 30號端子,轉換為接通6 - 2號端子,當停止時,會反方向聯動。在筆者與Joslyn Clark公司技術人員的交流中,證實了這一點,同時,也印證了關于機械應急啟動即是采用機械的方式動作、閉合主回路的運行接觸器,并讓水泵電機直接全壓啟動的作法。
非常出乎意料,筆者原本以為在操作啟動手柄的同時,限位開關會斷開控制電路電源,以避免電氣控制與機械操作出現沖突,但上述限位開關的動作,卻并非如此,這是為什么呢?經過進一步深入了解,筆者不得不佩服美國同行思維的縝密。
我們知道,考核接觸器主觸頭性能指標的方法大多是以電磁鐵的快速動作為前提的,接觸器動作越快,電弧對觸頭的傷害越小,若僅僅靠機械手柄的動作來閉合或斷開接觸器,會因為動作遲緩而導致觸頭損傷,雖然,這種損傷在火災的情況下是可接受的。但是,為了盡可能減小這種傷害,Joslyn Clark公司的技術人員設計了這樣一個限位開關,當操作人員從停止位置向運行位置拉動應急啟動手柄時,該限位開關會首先動作,繞過啟動順序,直接讓接觸器1M、2M線圈得電,若此時接觸器線圈完好,接觸器主觸頭將以電的方式快速閉合(先于機械的方式)從而接通電機電源,完成應急啟動。當然,如果線圈故障,還有另外一招 —— 以機械的方式閉合接觸器。
或許有同行會說,火災可能幾十年難遇,接觸器觸頭的電弧損傷與火災的損失比起來,可以忽略不計。筆者認為此話沒錯,但養兵千日,用兵一時,正是因為火災幾率很小,更應該在長期的日常測試、維護、保養過程中,采取有效措施,減少這種損傷,一旦火災發生,才能保證應急啟動的順利實施。Joslyn Clark消防泵控制器的這種作法非常科學、實用,它無論是在日常維護、模擬演練,還是在滅火實戰中,均能最大限度地減小對接觸器的損傷,同時,讓應急啟泵多了一次機會,值得借鑒。
3 電源系統及消防泵控制柜各功能組件的性能要求
當按照上述GB / T 21208 - 2007 / IEC / TS 62091:2003,MOD、NFPA20 - 2007、IEC 62091 - 2007標準設置機械應急啟動裝置時,電源系統及消防泵控制柜內各功能組件的性能,需要滿足哪些要求呢?
3. 1 電源容量
無論消防泵控制柜正常時是采用哪一種啟動方式來啟動電動機,當應急機械啟動時,最終都是以機械的方式閉合主電路接觸器,讓電動機全壓啟動,故,為消防泵供電的電源容量需滿足電動機全壓啟動要求。
3. 2 消防泵控制柜的箱面
在消防泵控制柜的箱面需設置本文“2. 1 消防泵控制柜外觀”所述的功能組件,以滿足上述標準對這些功能“可外部操作”的要求。
3. 3 隔離器
a. 隔離器額定電流不小于電機額定電流的115 %。
b. 基于安全考慮,隔離器應與斷路器聯鎖。
當采用帶隔離功能的斷路器時,滿足下面斷路器要求即可。
3. 4 過流保護裝置 —— 斷路器和堵轉保護裝置
短路保護和堵轉保護是上述標準中要求裝設,且被唯一許可裝設的過電流保護裝置,標準還規定,這樣的保護裝置要滿足在火災的情況下,當其第一次動作斷開后,消防人員能有“第二次機會”,將控制柜快速地恢復到工作狀態。
斷路器額定電流不小于電機額定電流的115 %;應只提供短路保護并滿足分斷能力要求。
斷路器性能應滿足正常啟動和應急啟動電動機時不脫扣的要求,故,其瞬動保護應該按照電動機全壓啟動進行整定,以躲開電動機啟動電流。
堵轉保護裝置的動作特性和動作方式,在上述標準中有很詳細的規定,本文暫不作介紹。因為這種用于跳閘、脫扣的堵轉保護,與我國現行標準中關于消防泵在過負荷情況下應堅持工作而不能停泵的規定相違背,恐難于在我們的設計中付諸實施。
3. 5 接觸器
a. 接觸器為電磁型,同時,應可通過機械操作方式來閉合主觸頭。據了解,國產接觸器很多不具備這一功能,設計選型時,需注意向制造商核實。
b. 接觸器使用類別為AC - 3。
c. 接觸器應能耐受堵轉電流,即在承受7. 2倍電動機額定電流20 s,和承受3倍電動機額定電流3 min后,觸頭仍不至損壞。
筆者認為,上述標準針對堵轉保護和接觸器等功能組件提出的要求是非常合理的,它能確保在電機堵轉保護動作前這些組件都還能堅持工作,真正能讓消防泵充分發揮作用,值得我們研究和思考。
4 思考和建議
新頒布的國標GB 50974 - 2014《消防給水及消火栓系統技術規范》第11章,在短短19個關于消防泵控制的條文中,出現了6個強條,把消防泵控制的重要性提高到了一個空前的高度,然而,由于該規范并未對實施細節進行規定,在執行過程中,給電氣專業同行帶來困惑。如何解決這些問題,希望同行們能夠一起來探討,比如:要滿足GB 50974 - 2014和GB 50116 - 2013《火災自動報警系統設計規范》的要求,消防泵控制電路到底該如何設計?除采用接觸器的機械操作方式外,如何采用冗余的開關裝置來實現機械應急啟動?軟啟動器能否用于消防泵的啟動?消防泵控制柜如何裝設堵轉保護?等等。
目前,與消防有關的國家標準較多,但只有GB / T 21208 - 2007 / IEC / TS 62091:2003,MOD《低壓開關設備和控制設備 固定式消防泵驅動器的控制器》是唯一針對消防泵控制器的系統性標準,可指導設計、制造、安裝等,但該標準尚存在與國內其它相關電氣標準、規范不協調,且與NFPA、IEC標準不同步等問題。

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