排水泵站軟啟動器保護可行性技術改進

史 杰

（天津市排水管理事務中心，天津 300070）

排水泵站是城市重要配套基礎設施，是整個排水系統(tǒng)正常運轉的中樞。雨水泵站在汛期防止城市內澇、快速排除積水方面發(fā)揮著重要作用。每年天津市政府20項民心工程中都包括雨水泵站的建設。泵站分布的數(shù)量多少在某種程度上體現(xiàn)著政府對水利基礎設施的重視程度。

水泵是泵站快速有效排除積水的高效機械工具。控制水泵運行的軟啟動柜，其核心元件軟啟動器是高科技產品，是一種智能型電動機啟動設備，在水泵控制系統(tǒng)中應用已有十幾年時間，應用越來越廣泛。與傳統(tǒng)的自耦變壓器、星三角等降壓啟動方式相比，軟啟動器降壓啟動具有節(jié)能降耗、便于操控的優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)啟動方式啟動電流不可調的缺陷，靠單片機控制晶閘管的導通角實現(xiàn)電壓從零平滑上升，使電壓、電流在一定范圍可調，達到正常啟動減少沖擊的目的。

1 軟啟動器功能特點和故障原因分析

1.1 軟啟動器的工作原理

軟啟動器是一種集電機軟啟動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護功能于一體的新型電機控制裝置。它將三相反并聯(lián)晶閘管作為調壓器，接入電源和電動機定子之間，這種電路可以比作三相全控橋式整流電路。使用軟啟動器啟動電動機時，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機逐漸加速，直到晶閘管全導通。電動機工作在額定電壓的機械特性上，實現(xiàn)平滑啟動，降低啟動電流，避免啟動過流跳閘。待電機達到額定轉數(shù)時，啟動過程結束，軟啟動器自動用旁路接觸器取代晶閘管，為電動機正常運轉提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟啟動器的使用壽命，提高其工作效率。

軟啟動器同時還具有軟停車功能。軟停車與軟啟動過程相反，電壓逐漸降低，轉數(shù)逐漸下降到零，避免自由停車引起的轉矩沖擊。泵站中電機停機時，傳統(tǒng)的控制方式都是通過瞬間停電完成的。軟啟動器軟停車時，晶閘管在得到停機指令后，從全導通逐漸地減小導通角，經過一定時間過渡到全關閉。停車的時間根據(jù)實際需要可在0～120 s調整。應用軟停車技術可避免泵站的拍門損壞，減少維修費用和維修工作量。

1.2 軟啟動器的功能特點

（1）軟啟動器降壓啟動可以控制電壓，以恒電流平滑漸進加速啟動電機，其最大尖峰電流是額定電流的2～3倍，可以有效控制保護外網電壓壓降，降低電網的諧波污染。

（2）軟啟動器所附帶的軟停車功能有效地避免水泵停止時所產生的“水錘效應”，保護水泵和管道及閥門，將“水錘效應”造成的損壞降到最低點。

（3）軟啟動器體積小、重量輕，性能優(yōu)良，安裝方便，易于操作控制，具有智能控制及多種保護功能，而且各項啟動參數(shù)可根據(jù)不同負載進行調整，其負載適應性很強。

（4）軟啟動器是電子智能設備，可安裝模塊與互聯(lián)網接通，實現(xiàn)當?shù)夭僮骱瓦h程自動控制起停車，將水泵啟動運行的各種參數(shù)傳輸?shù)娇刂浦行模瑢崿F(xiàn)自動化遠程控制操作水泵運行。

1.3 軟啟動器的缺點

（1）軟啟動器造價昂貴，沒有配件進行維修。市場上和廠商售后不提供配件，損壞后必須購置新軟啟動器整機更換，提高維修成本費用，給運行成本核算控制管理帶來額外經濟消耗。

（2）軟啟動器運行時間不能超長，運行時間過長增加晶閘管熱損耗，縮短軟啟動器使用壽命。運行一定時間后，必須倒車運行，不能頻繁使用。

（3）軟停車降低“水錘效應”損壞，在理論上只適用于高層建筑供水的水泵系統(tǒng)。管道管徑細、長度長、彎度多，安裝有微阻緩閉止回閥，能降低“水錘效應”。排水泵站中臥式混流泵出水管道短，中間安裝逆止閥和伸縮節(jié)，“水錘效應”回流能量作用在逆止閥板上，泵軸自由降速，沒有力矩損耗，也能降低“水錘效應”。實踐中，泵站常用的潛水軸流泵電機功率大，混凝土井筒直徑1.4 m，深度達到9～10 m。水泵停車后，軟啟動器的軟停車降低“水錘效應”的作用不明顯，不能有效避免“水錘效應”的危害。

1.4 軟啟動器故障原因分析

排水泵站大部分已采用軟啟動柜控制水泵啟停車，提高了泵站運行工作效率。在使用過程中也有一些問題出現(xiàn)，軟啟動器使用較短時間就報故障損壞。雨水泵站只在汛期排水工作中才使用軟啟動柜啟停車，但運行不了2～3個汛期就損壞掉，不能再繼續(xù)使用，需要花費巨資購置新的軟啟動器，或者選購額定電流比原先大一級的新軟啟動器安裝使用或者換另一品牌使用。市場上各種品牌的軟啟動器在泵站中都有使用，有國產品牌也有進口品牌，但更換新軟啟動器使用不長時間，繼續(xù)出現(xiàn)故障損壞，運行效果不是很理想。

汛期中，若雨水泵站停止1臺水泵運行，就極大地降低泵站收水范圍內排水運行效率和排除積水速度，延長排除積水時間。同時，提高其他水泵啟停車的運行頻率，增加人力物力投入和維修成本，給泵站運行管理帶來較大的壓力。

經分析發(fā)現(xiàn)，縮短軟啟動器使用壽命的因素眾多，有泵站內環(huán)境的影響，如潮濕、腐蝕、溫度、閑置、通風散熱等客觀因素，但最主要的是停車時的“水錘效應”。目前雨水泵站使用的都是潛水軸流泵，大功率水泵（90～310 kW）安裝在混凝土井筒底部，垂直結構井筒直徑1.4 m，深度達9～10 m。水泵停車瞬間，井筒內呈滿水狀態(tài)（此時拍門還沒有完全關閉，出水池中水倒流回井筒）。巨大水柱垂直向下并出現(xiàn)水躍產生巨大的能量，水的全部重量形成向下重力流體，其產生的慣性能量和壓力全部作用在水泵葉輪上。葉輪在水柱壓強的作用下，旋轉力矩方向發(fā)生改變，出現(xiàn)反轉，帶動泵軸和電機轉子旋轉，強大的動能轉化為勢能，機械能轉化為電能。水泵電機像發(fā)電機一樣，輸出諧波不穩(wěn)定的脈沖電流，通過動力電纜傳到軟啟動器的下端端子，電流逆向擊穿晶閘管和沖爆其他電子元件，進而導致軟啟動器損壞。這些故障在多數(shù)雨水泵站汛期運行中都出現(xiàn)過，每次停車時軟啟動器屏幕上顯示出現(xiàn)從低點到高點的尖峰電流，就是“水錘效應”導致的。

2 軟啟動器保護可行性技術改進研究

2.1 軟啟動器保護可行性技術改進方法

鑒于目前排水泵站在軟啟動柜設計生產制作時，只考慮水泵的各種綜合控制保護（如過流、過壓、超溫、跑單相、啟動頻率等），而沒有考慮軟啟動器的外部控制保護，可以對水泵控制系統(tǒng)軟啟動柜主、控制回路進行技術改進，以減小“水錘效應”的危害。

以某雨水泵站135 kW軟啟動柜為例進行可行性技術改裝，原理如圖1所示。在控制主回路軟啟動器下端安裝1個交流接觸器，交流接觸器額定電流選裝要比柜內旁路交流接觸器大一級。在二次控制回路增加1個中間繼電器，中間繼電器常開點控制新裝交流接觸器線圈，線圈有電產生磁場，交流接觸器主觸頭動作，水泵正常運行。水泵停車時交流接觸器線圈斷電主觸頭動作斷開，主回路上有明顯的斷開點，水泵電機輸出的脈沖電流沖擊交流接觸器的下端子，而不能沖擊到軟啟動器的下端子，完成對軟啟動器的保護。

2.2 改進后軟啟動柜工作原理

經技術改進后的原理如圖2所示，工作原理如下：合上主回路空氣開關Q1，主回路有電，再合上二次控制回路控制開關Q11、Q12，控制回路有電，轉換開關SW1撥到手動位置、SW3撥到本地位置，將轉換開關SW2撥到就地啟動位置，直流中間繼電器K1線圈得電動作，K1常開點閉合，二次控制回路中軟啟動器內R1A點閉合，此時KM1交流接觸器線圈得電動作，KM1主觸頭動作閉合，同時二次控制回路加裝的中間繼電器K4線圈得電動作，中間繼電器常開點動作閉合，使KM2交流接觸器線圈得電動作，KM2主觸頭動作閉合，水泵電機降壓啟動，電流平穩(wěn)上升，同時K3線圈得電，K3常開點閉合，柜內排風機運行。經過降壓啟動一定時間后，水泵電流降到額定電流值時，軟啟動器時間控制R2A點動作閉合，旁路交流繼電器KM3線圈得電動作，主觸頭動作閉合，電機轉為正常運行。轉換開關SW2撥到停止位置，二次控制回路各元件線圈斷電，主觸頭斷電打開，水泵停車。此時，主回路上的KM2交流接觸器主觸頭斷開，發(fā)揮出作用，將水泵逆轉發(fā)出的脈沖電流斷開，保護了軟啟動器。

圖1 某雨水泵站135 kW軟啟動柜原理

圖2 改進后的315 kW水泵軟啟動柜控制原理

3 結語

交流接觸器和中間繼電器都是常規(guī)常用電器元件，市場價格便宜適中，但能起到保護功能大作用。軟啟動器技術改進在技術上并不復雜，安裝操作簡單，但有待于實踐檢驗。首先，可以在小功率且軟啟動器損壞的軟啟動柜上進行試驗改裝，觀察改裝后啟動柜運行效果。其次，收集軟啟動器在技術改進后各種技術參數(shù)、運行時間、運行頻率、本體溫度等信息數(shù)據(jù)，進行總結論證。最后，得到具有可行性技術推廣應用價值的結果，就可以逐步推廣作為設計部門和生產廠商的參考依據(jù)。在泵站進行軟啟動柜維修改造時，建議由生產廠商在柜內加裝交流接觸器，最大程度提高水泵軟啟動柜的運行效率，延長軟啟動器的使用壽命，發(fā)揮出其應有的功能價值。