潛水型消防排水泵組空氣開關誤動作現象研究

黃一民

● （海軍駐上海704所軍事代表室，上海 200031）

潛水型消防排水泵組空氣開關誤動作現象研究

黃一民

● （海軍駐上海704所軍事代表室，上海 200031）

某船在調試過程中，多次發生啟動時電控箱空氣開關脫扣跳閘無法啟動的情況。本文對該型潛水型消防排水泵組配套電動機的啟動過程進行理論分析、仿真實驗，詳細分析了開關跳閘現象產生的原因，同時提出直接啟動電動機斷路器短路保護建議值。

潛水泵；空氣開關；瞬態電流

0 引言

為了提高船舶的安全性、可靠性，在船舶系統中通常需要配備消防泵和排水泵，用于提供消防高壓用水和強行排出船艙積水。某型潛水型消防排水泵是干濕兩用型泵，能夠同時滿足以上兩種需求。該型泵組于1991年開始在船上使用，于1998年通過鑒定，技術狀態固化，泵組的生產供貨按照一致的技術狀態進行，配套使用正常[1]。但在使用過程中，多次發生了啟動時電控箱空氣開關脫扣跳閘無法啟動的情況，經查線、換件之后脫扣跳閘現象仍然存在，故可排除由接線、泵組質量問題而引起的誤動作原因。因此考慮該現象可能為電動機啟動電流過大造成，因此對電動機直接啟動過程進行分析。

1 電動機直接啟動過程分析

1.1 堵轉電流計算

由于電動機堵轉電流可近似等效于電動機穩態啟動電流（不含非周期分量）。一般在電動機通過鑒定后再進行小批次生產時均對電動機進行的堵轉電流檢查試驗，即在100V的電壓下進行堵轉試驗，測取堵轉時的電流IK。

本型潛水消防泵配套電動機在1990年研制的，樣機通過型式試驗測取的堵轉電流是847.434A，堵轉電流與額定電流的比值為8.1倍。查閱YQJ-55-2電動機的試驗報告，本批次電機的堵轉電流值IK=170A左右。將堵轉電流折算至直接啟動電動機額定電壓下穩態啟動電流，換算公式如式1所示：

根據本型電動機型式試驗數據推導a=1.16，求得額定電壓下的穩態啟動電流為：IKN=IK(UN/UK)1.16=170A×(380/100)1.16=798.5A，穩態啟動電流與額定電流的比值為7.6，符合GJB3074-82和技術條件的要求。由此可見，本批次電動機不存在啟動電流過大的現象。

1.2 潛水消防泵組直接啟動計算及仿真分析

查閱國內外相關文獻發現，在異步電動機啟動的第一周期存在非周期分量。非周期分量的大小取決于電機的型式和網路的參數，啟動電流在穩態啟動電流的基礎上增加20%～50%，由于啟動電流有15%正公差，因此在啟動第一周期的電動機啟動電流（有效值）約為堵轉電流的1.7倍，約為額定電流的14倍。同時項目組多方查閱相關電動機資料，得知施耐德電氣、ABB等公司的電動機在啟動第一周期時均存在14～21.5In的啟動電流，說明次瞬態電流為電機磁場設計的固有特性。為證明這一過程，對潛水消防泵組直接啟動過程進行計算及仿真。

1.2.1 啟動瞬間出現沖擊電流的理論分析

異步電動機在投入運行的瞬間，將有很大的勵磁涌流產生，也就是說異步電動機投運瞬間會有2個性質不同的啟動電流，它們分別是穩態周期分量和非周期性隨時間快速衰減的暫態分量。非周期性暫態分量的大小，與電動機投入電網的時刻有著極密切的關系的。若異步電動機投入電網瞬間，正好電源的電壓值為最大值（即相位角為90°），則啟動電流中的非周期性暫態分量值為0；若異步電動機投入電網瞬間，正好電源電壓值為0（即相位角為 0°），則啟動電流的非周期性暫態分量值達到最大值；若異步電動機投入電網時，電源電壓值介于最大值與0之間，則啟動電流中的非周期性暫態分量值介于0與最大值之間。因為啟動電流中的非周期性暫態分量的衰減速度極快，故常被人們忽視，以為啟動電流中只有周期性穩態分量存在，這種理解不完整。

重慶大學陳文純編制的《電機瞬變過程》對異步電動機直接啟動過程進行了理論推導[2]。結論如下：在啟動瞬間，異步電動機的定子電流由三個分量組成。其中之一是基頻的交流穩態分量，而另外兩個則是以不同時間常數衰減的直流瞬變分量。其穩態分量計算公式為：

直流瞬變分量之一的起始幅值較大，衰減也較快；而另一瞬變分量則起始幅值很?。s為前一瞬變分量起始幅值的百分之幾），衰減卻較慢。因此后者可以略去，由此可得：

由上式可以看出，合閘瞬間電壓的初相角λ對瞬變電流的大小有顯著影響，當，且不考慮衰減時，ia具有最大的瞬時值。

代入此電動機的標么值參數：Rs=0.011173，Rr=0.007998615，Ls=0.046722068，Lr=0.09420591，Lm= 1.31，可得：

由理論計算可得，當潛水消防泵配套電動機由靜止開始直接啟動時，啟動電流的最大瞬時值可達到額定電流的19.3倍。

1.2.2 啟動瞬間出現沖擊電流的仿真分析

用 simulink模型對潛水消防泵配套電動機直接啟動過程進行仿真，仿真結果見圖1和圖2。

建立根據仿真及理論計算結果可見，本型電動機在380V額定電壓直接啟動時次瞬態電流峰值最大約19.5In，約為2050A，與現場測試值基本吻合。

圖1 潛水消防泵配套電動機直接啟動過程電流

圖2 潛水消防泵配套電動機直接啟動峰值電流

由于脫扣器保護動作時間約為 10ms，即電流超出設定值且保持時間超過 10ms，脫扣器動作?？山普J為當次瞬態電流有效值大于等于保護動作值時，脫扣器動作。

2 故障處理

通過以上分析可知，消防排水泵組空氣開關誤動作式由電動機直接啟動的次瞬態電流超過脫扣器整定值而引起的，項目組將潛水消防泵電控箱的MA100脫扣器（最大整定值為14×In，即1400A）電磁脫扣器改進為MA150，整定值設為1750A，進行多次啟動測試，均能成功啟動，說明該問題已得到解決。

3 結論

200CBLQ-13B型潛水型消防排水泵組在調試時，少數情況下會發生泵組電控箱在啟動時斷路器脫扣跳閘現象。經檢查，多年以來潛水消防泵組的電控箱、電機質量穩定，技術狀態一致。通過更換潛水型消防排水泵組的空氣開關脫扣器，將MA100型脫扣器改進為MA150，整定值設為1750A，較好地解決了問題。建議在進行控制器設計時，若電動機采用直接啟動方式啟動，電動機短路保護設定值應大于該電動機直接啟動時的次瞬態電流值。

[1]孫衛平, 周華青, 王震敏, 等.潛水型消防排水泵的自動控制系統[J].機電設備, 2003(1): 10-14.

[2]陳文純.電機瞬變過程[M].北京: 機械工業出版社.1982: 209-215.

熔盛重工集團連獲兩份1+1自升式鉆井平臺總包合同

熔盛重工集團宣布成功簽訂兩份CJ46自升式鉆井平臺的總包合同，合同總值逾3.6億美元。這次是熔盛重工集團首次獲得自升式鉆井平臺訂單，象征在海洋工程市場取得重大突破。隨著在高端海洋裝備領域布局日趨完備，集團將加快推動轉型升級戰略，積極發展成為國際級海工裝備制造商。

此次簽訂的兩份1+1自升式鉆井平臺合同分別來自兩名新加坡買家，每份合同包括確定訂單和同類產品選擇權各一。有關項目均以包括“設計、采購、建造”（EPC）在內的總包合同形式簽定，由集團旗下的熔盛海事及江蘇熔盛共同負責。國內目前能夠擔當總承包的船廠屈指可數，這次的訂單充分展示了熔盛重工集團在海洋工程領域的技術實力和生產能力。

熔盛重工集團將2013年定位為海工業務的突破年，公司正在積極爭取更多海工訂單。熔盛海事自2012年10月成立以來，熔盛重工集團已經累計獲得兩組自升式鉆井平臺及一艘深水鉆井支持駁船，并得到多個同類產品的選擇權，充分證明國際造船和海工行業對熔盛重工集團的認可。

CJ46自升式鉆井平臺屬高科技和高附加值的深水海洋工程裝備之一，主要用于海上石油和天然氣勘探及開采工程作業。該平臺型長約65.25米，型寬62米，型深8米。其最大作業水深可達112米，鉆井深度達9144米，可以滿足全球環境溫和海域進行石油鉆井作業。

熔盛海事由熔盛重工集團全資擁有，專注于海工業務的新加坡注冊公司，在熔盛重工集團的海工戰略中扮演重要角色。熔盛重工集團正通過熔盛海事的全球市場窗口與技術平臺，加上位于中國南通的生產基地，以創新運營模式布局高端海洋裝備制造領域，創建全球知名海工品牌。

Research on the Malfunction of Diving-Fire and Drainage Pumps’ Air Switch

HUANG Yi-min
(Navy Representative Office of No.704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

In the debugging process of a ship, the air switch has tripped for many times, which leads to the start failure.This paper describes the theoretical analysis and simulation experiments of the pump matching motors in detail, so that the reasons of the malfunction can be found out.The recommended value of short circuit protection is also given at the end of the article.

diving-pump; air switch; transient current

U664.5

A

黃一民（1968-），男，高級工程師。主要從事船舶電氣研究。