潜水型消防排水泵组空气开关误动作现象研究

黄一民

● （海军驻上海704所军事代表室，上海 200031）

潜水型消防排水泵组空气开关误动作现象研究

黄一民

● （海军驻上海704所军事代表室，上海 200031）

某船在调试过程中，多次发生启动时电控箱空气开关脱扣跳闸无法启动的情况。本文对该型潜水型消防排水泵组配套电动机的启动过程进行理论分析、仿真实验，详细分析了开关跳闸现象产生的原因，同时提出直接启动电动机断路器短路保护建议值。

潜水泵；空气开关；瞬态电流

0 引言

为了提高船舶的安全性、可靠性，在船舶系统中通常需要配备消防泵和排水泵，用于提供消防高压用水和强行排出船舱积水。某型潜水型消防排水泵是干湿两用型泵，能够同时满足以上两种需求。该型泵组于1991年开始在船上使用，于1998年通过鉴定，技术状态固化，泵组的生产供货按照一致的技术状态进行，配套使用正常[1]。但在使用过程中，多次发生了启动时电控箱空气开关脱扣跳闸无法启动的情况，经查线、换件之后脱扣跳闸现象仍然存在，故可排除由接线、泵组质量问题而引起的误动作原因。因此考虑该现象可能为电动机启动电流过大造成，因此对电动机直接启动过程进行分析。

1 电动机直接启动过程分析

1.1 堵转电流计算

由于电动机堵转电流可近似等效于电动机稳态启动电流（不含非周期分量）。一般在电动机通过鉴定后再进行小批次生产时均对电动机进行的堵转电流检查试验，即在100V的电压下进行堵转试验，测取堵转时的电流IK。

本型潜水消防泵配套电动机在1990年研制的，样机通过型式试验测取的堵转电流是847.434A，堵转电流与额定电流的比值为8.1倍。查阅YQJ-55-2电动机的试验报告，本批次电机的堵转电流值IK=170A左右。将堵转电流折算至直接启动电动机额定电压下稳态启动电流，换算公式如式1所示：

根据本型电动机型式试验数据推导a=1.16，求得额定电压下的稳态启动电流为：IKN=IK(UN/UK)1.16=170A×(380/100)1.16=798.5A，稳态启动电流与额定电流的比值为7.6，符合GJB3074-82和技术条件的要求。由此可见，本批次电动机不存在启动电流过大的现象。

1.2 潜水消防泵组直接启动计算及仿真分析

查阅国内外相关文献发现，在异步电动机启动的第一周期存在非周期分量。非周期分量的大小取决于电机的型式和网路的参数，启动电流在稳态启动电流的基础上增加20%～50%，由于启动电流有15%正公差，因此在启动第一周期的电动机启动电流（有效值）约为堵转电流的1.7倍，约为额定电流的14倍。同时项目组多方查阅相关电动机资料，得知施耐德电气、ABB等公司的电动机在启动第一周期时均存在14～21.5In的启动电流，说明次瞬态电流为电机磁场设计的固有特性。为证明这一过程，对潜水消防泵组直接启动过程进行计算及仿真。

1.2.1 启动瞬间出现冲击电流的理论分析

异步电动机在投入运行的瞬间，将有很大的励磁涌流产生，也就是说异步电动机投运瞬间会有2个性质不同的启动电流，它们分别是稳态周期分量和非周期性随时间快速衰减的暂态分量。非周期性暂态分量的大小，与电动机投入电网的时刻有着极密切的关系的。若异步电动机投入电网瞬间，正好电源的电压值为最大值（即相位角为90°），则启动电流中的非周期性暂态分量值为0；若异步电动机投入电网瞬间，正好电源电压值为0（即相位角为 0°），则启动电流的非周期性暂态分量值达到最大值；若异步电动机投入电网时，电源电压值介于最大值与0之间，则启动电流中的非周期性暂态分量值介于0与最大值之间。因为启动电流中的非周期性暂态分量的衰减速度极快，故常被人们忽视，以为启动电流中只有周期性稳态分量存在，这种理解不完整。

重庆大学陈文纯编制的《电机瞬变过程》对异步电动机直接启动过程进行了理论推导[2]。结论如下：在启动瞬间，异步电动机的定子电流由三个分量组成。其中之一是基频的交流稳态分量，而另外两个则是以不同时间常数衰减的直流瞬变分量。其稳态分量计算公式为：

直流瞬变分量之一的起始幅值较大，衰减也较快；而另一瞬变分量则起始幅值很小（约为前一瞬变分量起始幅值的百分之几），衰减却较慢。因此后者可以略去，由此可得：

由上式可以看出，合闸瞬间电压的初相角λ对瞬变电流的大小有显著影响，当，且不考虑衰减时，ia具有最大的瞬时值。

代入此电动机的标么值参数：Rs=0.011173，Rr=0.007998615，Ls=0.046722068，Lr=0.09420591，Lm= 1.31，可得：

由理论计算可得，当潜水消防泵配套电动机由静止开始直接启动时，启动电流的最大瞬时值可达到额定电流的19.3倍。

1.2.2 启动瞬间出现冲击电流的仿真分析

用 simulink模型对潜水消防泵配套电动机直接启动过程进行仿真，仿真结果见图1和图2。

建立根据仿真及理论计算结果可见，本型电动机在380V额定电压直接启动时次瞬态电流峰值最大约19.5In，约为2050A，与现场测试值基本吻合。

图1 潜水消防泵配套电动机直接启动过程电流

图2 潜水消防泵配套电动机直接启动峰值电流

由于脱扣器保护动作时间约为 10ms，即电流超出设定值且保持时间超过 10ms，脱扣器动作。可近似认为当次瞬态电流有效值大于等于保护动作值时，脱扣器动作。

2 故障处理

通过以上分析可知，消防排水泵组空气开关误动作式由电动机直接启动的次瞬态电流超过脱扣器整定值而引起的，项目组将潜水消防泵电控箱的MA100脱扣器（最大整定值为14×In，即1400A）电磁脱扣器改进为MA150，整定值设为1750A，进行多次启动测试，均能成功启动，说明该问题已得到解决。

3 结论

200CBLQ-13B型潜水型消防排水泵组在调试时，少数情况下会发生泵组电控箱在启动时断路器脱扣跳闸现象。经检查，多年以来潜水消防泵组的电控箱、电机质量稳定，技术状态一致。通过更换潜水型消防排水泵组的空气开关脱扣器，将MA100型脱扣器改进为MA150，整定值设为1750A，较好地解决了问题。建议在进行控制器设计时，若电动机采用直接启动方式启动，电动机短路保护设定值应大于该电动机直接启动时的次瞬态电流值。

[1]孙卫平, 周华青, 王震敏, 等.潜水型消防排水泵的自动控制系统[J].机电设备, 2003(1): 10-14.

[2]陈文纯.电机瞬变过程[M].北京: 机械工业出版社.1982: 209-215.

熔盛重工集团连获两份1+1自升式钻井平台总包合同

熔盛重工集团宣布成功签订两份CJ46自升式钻井平台的总包合同，合同总值逾3.6亿美元。这次是熔盛重工集团首次获得自升式钻井平台订单，象征在海洋工程市场取得重大突破。随着在高端海洋装备领域布局日趋完备，集团将加快推动转型升级战略，积极发展成为国际级海工装备制造商。

此次签订的两份1+1自升式钻井平台合同分别来自两名新加坡买家，每份合同包括确定订单和同类产品选择权各一。有关项目均以包括“设计、采购、建造”（EPC）在内的总包合同形式签定，由集团旗下的熔盛海事及江苏熔盛共同负责。国内目前能够担当总承包的船厂屈指可数，这次的订单充分展示了熔盛重工集团在海洋工程领域的技术实力和生产能力。

熔盛重工集团将2013年定位为海工业务的突破年，公司正在积极争取更多海工订单。熔盛海事自2012年10月成立以来，熔盛重工集团已经累计获得两组自升式钻井平台及一艘深水钻井支持驳船，并得到多个同类产品的选择权，充分证明国际造船和海工行业对熔盛重工集团的认可。

CJ46自升式钻井平台属高科技和高附加值的深水海洋工程装备之一，主要用于海上石油和天然气勘探及开采工程作业。该平台型长约65.25米，型宽62米，型深8米。其最大作业水深可达112米，钻井深度达9144米，可以满足全球环境温和海域进行石油钻井作业。

熔盛海事由熔盛重工集团全资拥有，专注于海工业务的新加坡注册公司，在熔盛重工集团的海工战略中扮演重要角色。熔盛重工集团正通过熔盛海事的全球市场窗口与技术平台，加上位于中国南通的生产基地，以创新运营模式布局高端海洋装备制造领域，创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

黄一民（1968-），男，高级工程师。主要从事船舶电气研究。