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关于机械应急启动装置的探讨

国家标准GB 50974 - 2014《消防给水及消火栓系统技术规范》第11. 0. 12条(强条)规定:消防水泵控制柜应设置机械应急启泵功能,对消防泵控制柜提出了一个全新的概念 ——机械应急启动装置。
该条文该如何实施?无论是给排水专业还是电气专业设计从业人员都无所适从。该规范仅在条文说明中强调:只要供电正常,无论控制线路如何都能强制启动,而并未提到实现该功能的更多细节。
这本规范属于给排水专业规范,针对这个关于消防泵控制柜的条文,我们与相关规范编制组人员作了沟通,他们认为,目前我国的消防泵控制柜存在诸多问题,也出现过很多由于控制柜不能启泵而影响灭火的案例,编制组的出发点是强调要提高消防泵控制柜的可靠性。机械应急启泵功能,就是在最后的紧要关头,当控制电路出现故障而主电源仍然完好时,通过机械应急启动装置强制消防泵启动,这无疑是在传统基于控制电路的启泵功能的基础上,提高了可靠性。
通过控制柜上设置的机械应急装置提高消防泵启动可靠性的要求,无疑是值得肯定的,但什么是“机械应急启泵功能”?电气专业如何进行设计?对传统的设计、制造会带来哪些影响和挑战?规范未能提供更具体的、可供操作的措施和方法。为此,笔者收集、整理了国内外有关“机械应急启泵”的相关资料,通过分析提出建议供同行们参考。
机械应急启动装置的标准依据
通过收集、研读国家标准GB / T 21208 - 2007 / IEC / TS 62091:2003,MOD《低压开关设备和控制设备 固定式消防泵驱动器的控制器》、美国消防协会NFPA 20 - 2007《Standard for the Installation of Stationary Pumps for Fire Protection》和国际电工委员会标准IEC 62091 - 2007《Low-voltage switchgear and controlgear — Controllers for drivers of stationary fire pumps》的相关内容,笔者认为,这三个标准规定的消防泵控制器的“紧急运行控制”或“应急机械运行控制”,即是对机械应急启泵功能的要求,可作为设计和生产制造消防泵控制柜的依据,现摘录
1. 1 国家标准GB / T 21208 - 2007 / IEC / TS 62091:2003,MOD《低压开关设备和控制设备 固定式消防泵驱动器的控制器》
第 8. 5. 1. 2 条:“控制器的紧急运行控制 
控制器的紧急运行控制可以由一个机械驱动(例如一个接触器的机械操作)或由一个备用的开关电器(例如接触器、手动开关等)来完成 ……
控制器的紧急运行控制应通过以下方式达到A优先级:
a) 应提供紧急运行装置用于电动机非自动起动和连续运行的操作;
b) 紧急运行装置应能闭锁在运行位置,机械锁定不应是自动的,应是操作者可选择的;
c) 手动紧急操动器应设计成只向一个方向移动,即从断开位置到最终的运行位置;
d) 除了运行闭锁位置以外的其它位置,如果操作者释放手动紧急操动器,控制器应能自动返回到断开位置。”
1. 2 国际电工委员会标准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》译为《低压开关设备和控制设备 固定式消防泵驱动器的控制器》,下面为笔者摘录并翻译的条文:“8. 5. 1. 2控制器的紧急运行控制
控制器的紧急运行控制可以由一个机械驱动(例如一个接触器的机械操作)或由一个冗余的开关装置(例如接触器、手动开关等)来完成 。这个冗余的开关装置应该是可机械操作的,以防控制电源失电或其它控制电路器件失效。”
国标GB / T 21208 - 2007 / IEC / TS 62091:2003,MOD修改采用IEC / TS 62091:2003标准,和国标相比,我们把“redundant electrical switching device”翻译为“冗余的开关装置”,国标则为“备用的开关电器”。另外,第二句话是对冗余的开关装置提出的要求,在国标里面没有这句话,其它关于“A优先级”IEC标准和国标是一样的。
1. 3 美国消防协会标准NFPA 20 - 2007《Standard for the Installation of Stationary Pumps for Fire Protection》
《Standard for the Installation of Stationary Pumps for Fire Protection》译为《固定式消防泵安装标准》,下面为笔者摘录并翻译的条文:“10. 5. 3. 2 控制器的应急机械运行控制
10. 5. 3. 2. 1 控制器必须装备一个紧急运行手柄或操作杆用于机械地闭合电机电路上的开关机构。
10. 5. 3. 2. 1. 1 手柄或操作杆应提供电机的非自动的、连续的运行操作,该操作不依赖任何电气控制电路、电磁铁或等效装置,也不依赖压力开关的控制。
10. 5. 3. 2. 1. 2 这种方法应能手动操作使得手柄或操作杆机械闭锁,或者保持在启动位置。
10. 5. 3. 2. 1. 3 机械闭锁不应是自动的,应是操作者可选择的。
10. 5. 3. 2. 2 手柄或操作杆应设置成只向一个方向移动,即从断开位置到最终的运行位置。
10. 5. 3. 2. 3 除了全运行位置外,操作者在任何位置释放手柄或操作杆,电机启动器均应能自动返回到断开位置。”
根据上述标准,笔者理解认为:要实现机械应急启泵,首先,消防泵电动机的主电路需要设置一种可被机械驱动闭合的开关机构(如接触器)或一个冗余的开关装置,这个冗余的开关装置应该是可机械操作的;其次,需要在消防泵控制柜上设置一个紧急运行手柄或操作杆,用以机械地闭合上述开关机构或冗余的开关装置。
2 如何设置机械应急启泵装置
他山之石可以攻玉,既然“紧急运行控制”或“应急机械运行控制”的要求均是源于上述IEC和NFPA标准,那么国外应该有成熟的产品可以借鉴。国外是如何设置机械应急启泵装置的呢?
下面是产品的部分技术细节。

2. 1 机械应急启泵如何实施
械应急启泵功能适用于所有的启动方式,包括全压启动、降压启动,在消防泵控制器(俗称消防泵控制柜)中,设置有机械应急启动操作手柄,一旦应急启动拉动该手柄,将联动柜内的机构以机械的方式闭合主回路的运行接触器,让水泵电机直接全压启动。
所有消防泵控制器中,直接启动控制器最为简单,机械应急手柄只需直接动作、闭合主接触器,即可实现应急启泵;星三角启动控制器,则需要手柄操作闭合两个运行用接触器,实现应急启泵;而软启动控制器,仅仅是靠应急手柄操作闭合旁路接触器来实现应急启泵。总之,所有的降压启动控制器,在应急启泵时,均通过应急手柄的操作,跳开降压启动环节,让消防泵电机直接进入全压运行,类似直接启动。
2.2 电控制器的标准配置
2. 3. 1 操作交互界面
其功能包括设有手动启动、停止按钮;显示系统压力和设定启泵参数;实时数据显示,包括运行中的三相电压和电流显示、故障报警等;完整的历史数据记录;以太网Modbus TCP网络通讯接口;可编程运行周期定时器(可设置定期启动水泵)等等。
2. 3. 2 启、停泵控制功能
a. 操作交互界面上设置的手动启、停泵按钮;
b. 控制柜箱面设置机械启动手柄,只需拉起即可紧急启泵;
c. 基于水系统压力的自动启泵;
d. 其它消防设备的远程自动启泵;
e. 远程手动启泵。 
2. 3. 3 电源监视继电器(PMR),基于继电器的微处理器
能提供电机堵转保护、电压和电流检测,并将参数显示在操作交互界面上。
2. 4 典型控制电路
设置有机械应急启动装置的消防泵控制柜,对控制电路有何特殊考虑?当应急启动时,控制电路是否需要断电呢?比较了Joslyn Clark公司所有消防泵控制器的控制电路,开式星三角启动电路(如图2所示)相对比较复杂,且有一定代表性,现举例说明如下。

常规启动控制:电动机主电路设置有三个接触器 —— 1M、2M、S,当控制器由消防主管低压压力信号、其它消防信号、远程启动信号或控制器箱面的手动启泵按钮启动时,继电器CR2失电启动(该继电器平常处于通电状态), 接触器1M、S得电闭合,电机绕组按照星形接线方式启动。同时,由AT定时器进行延时,到设定时间后, AT常闭触点断开,使ATR继电器失电(该继电器平常处于通电状态),ATR辅助触点动作使得接触器S失电、接触器2M得电。此时,由于接触器1M、2M主触头闭合,电机绕组按照三角形接线进入全压运行,完成启动全过程。
机械应急启动:电路图中,有一条虚线将机械启动手柄(MANUAL START HANDLE)、接触器1M、2M及限位开关LS互相连接,它表示了一种基于机械操作的逻辑关系,即应急启动时,拉起机械启动手柄会联动闭合接触器1M、2M,同时将限位开关LS由原来接通6 - 30号端子,转换为接通6 - 2号端子,当停止时,会反方向联动。在笔者与Joslyn Clark公司技术人员的交流中,证实了这一点,同时,也印证了关于机械应急启动即是采用机械的方式动作、闭合主回路的运行接触器,并让水泵电机直接全压启动的作法。
非常出乎意料,笔者原本以为在操作启动手柄的同时,限位开关会断开控制电路电源,以避免电气控制与机械操作出现冲突,但上述限位开关的动作,却并非如此,这是为什么呢?经过进一步深入了解,笔者不得不佩服美国同行思维的缜密。
我们知道,考核接触器主触头性能指标的方法大多是以电磁铁的快速动作为前提的,接触器动作越快,电弧对触头的伤害越小,若仅仅靠机械手柄的动作来闭合或断开接触器,会因为动作迟缓而导致触头损伤,虽然,这种损伤在火灾的情况下是可接受的。但是,为了尽可能减小这种伤害,Joslyn Clark公司的技术人员设计了这样一个限位开关,当操作人员从停止位置向运行位置拉动应急启动手柄时,该限位开关会首先动作,绕过启动顺序,直接让接触器1M、2M线圈得电,若此时接触器线圈完好,接触器主触头将以电的方式快速闭合(先于机械的方式)从而接通电机电源,完成应急启动。当然,如果线圈故障,还有另外一招 —— 以机械的方式闭合接触器。
或许有同行会说,火灾可能几十年难遇,接触器触头的电弧损伤与火灾的损失比起来,可以忽略不计。笔者认为此话没错,但养兵千日,用兵一时,正是因为火灾几率很小,更应该在长期的日常测试、维护、保养过程中,采取有效措施,减少这种损伤,一旦火灾发生,才能保证应急启动的顺利实施。Joslyn Clark消防泵控制器的这种作法非常科学、实用,它无论是在日常维护、模拟演练,还是在灭火实战中,均能最大限度地减小对接触器的损伤,同时,让应急启泵多了一次机会,值得借鉴。
3 电源系统及消防泵控制柜各功能组件的性能要求
当按照上述GB / T 21208 - 2007 / IEC / TS 62091:2003,MOD、NFPA20 - 2007、IEC 62091 - 2007标准设置机械应急启动装置时,电源系统及消防泵控制柜内各功能组件的性能,需要满足哪些要求呢?
3. 1 电源容量
无论消防泵控制柜正常时是采用哪一种启动方式来启动电动机,当应急机械启动时,最终都是以机械的方式闭合主电路接触器,让电动机全压启动,故,为消防泵供电的电源容量需满足电动机全压启动要求。
3. 2 消防泵控制柜的箱面
在消防泵控制柜的箱面需设置本文“2. 1 消防泵控制柜外观”所述的功能组件,以满足上述标准对这些功能“可外部操作”的要求。
3. 3 隔离器
a. 隔离器额定电流不小于电机额定电流的115 %。
b. 基于安全考虑,隔离器应与断路器联锁。
当采用带隔离功能的断路器时,满足下面断路器要求即可。
3. 4 过流保护装置 —— 断路器和堵转保护装置
短路保护和堵转保护是上述标准中要求装设,且被唯一许可装设的过电流保护装置,标准还规定,这样的保护装置要满足在火灾的情况下,当其第一次动作断开后,消防人员能有“第二次机会”,将控制柜快速地恢复到工作状态。
断路器额定电流不小于电机额定电流的115 %;应只提供短路保护并满足分断能力要求。
断路器性能应满足正常启动和应急启动电动机时不脱扣的要求,故,其瞬动保护应该按照电动机全压启动进行整定,以躲开电动机启动电流。
堵转保护装置的动作特性和动作方式,在上述标准中有很详细的规定,本文暂不作介绍。因为这种用于跳闸、脱扣的堵转保护,与我国现行标准中关于消防泵在过负荷情况下应坚持工作而不能停泵的规定相违背,恐难于在我们的设计中付诸实施。
3. 5 接触器
a. 接触器为电磁型,同时,应可通过机械操作方式来闭合主触头。据了解,国产接触器很多不具备这一功能,设计选型时,需注意向制造商核实。
b. 接触器使用类别为AC - 3。
c. 接触器应能耐受堵转电流,即在承受7. 2倍电动机额定电流20 s,和承受3倍电动机额定电流3 min后,触头仍不至损坏。
笔者认为,上述标准针对堵转保护和接触器等功能组件提出的要求是非常合理的,它能确保在电机堵转保护动作前这些组件都还能坚持工作,真正能让消防泵充分发挥作用,值得我们研究和思考。
4 思考和建议
新颁布的国标GB 50974 - 2014《消防给水及消火栓系统技术规范》第11章,在短短19个关于消防泵控制的条文中,出现了6个强条,把消防泵控制的重要性提高到了一个空前的高度,然而,由于该规范并未对实施细节进行规定,在执行过程中,给电气专业同行带来困惑。如何解决这些问题,希望同行们能够一起来探讨,比如:要满足GB 50974 - 2014和GB 50116 - 2013《火灾自动报警系统设计规范》的要求,消防泵控制电路到底该如何设计?除采用接触器的机械操作方式外,如何采用冗余的开关装置来实现机械应急启动?软启动器能否用于消防泵的启动?消防泵控制柜如何装设堵转保护?等等。
目前,与消防有关的国家标准较多,但只有GB / T 21208 - 2007 / IEC / TS 62091:2003,MOD《低压开关设备和控制设备 固定式消防泵驱动器的控制器》是唯一针对消防泵控制器的系统性标准,可指导设计、制造、安装等,但该标准尚存在与国内其它相关电气标准、规范不协调,且与NFPA、IEC标准不同步等问题。

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