给排水行业中常用交流低压电动机的启动、保护及控制

摘要：介绍了给排水行业中常用的两种交流低压电动机启动方式（全压启动和软启动）以及这两种启动方式所采用的典型控制接线、保护及控制方式、保护电器的选型等，重点分析了全压启动时的主回路和控制回路，最后说明了电动机在给排水行业中的重要性，提醒相关的电气人员做好电动机启动、保护和控制的方案，确保电动机安全稳定运行。

关键词：电动机;全压启动;软启动;控制

中图分类号：TM343    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2022）02-0006-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.02.002

1    启动方式

目前，给排水行业中所使用的电动机主要用于连续运行、负荷平稳、操作不频繁的场合[1]，主要代表设备有水泵、风机、搅拌机、推流器、污泥泵、加药泵、脱水机等;另有少部分间隙运行、操作频繁的设备，如格栅、输送机、电动调节堰门、刮泥机、吸泥机等;还有一些短时运行的设备，如电动阀门、电动闸门、电动葫芦、起重机等。除起重机等少部分设备外，给排水行业一般用电设备采用的都是鼠笼式电动机[1]。

给排水行业中的电动机应优先采用全压启动，但应满足以下3个条件：

（1）电动机启动时，配电母线上的电压符合相应规范规定;

（2）电动机本身允许全压启动;

（3）生产机械能够承受全压启动时的冲击转矩[2]。

当不满足全压启动条件时，电动机需要采用降压启动或其他适当的启动方式。低压鼠笼式电动机常用的降压启动方式有星三角启动、电阻降压启动、自耦变压器降压启动、软启动器降压启动等[3]。目前，给排水行业所采用的降压启动方式大多数是软启动器降压启动。相比其他的降压启动方式，软启动器有着很大的优越性：

（1）可对启动电流和转矩实现简单灵活的控制;

（2）可平滑地控制电压和电流;

（3）可实现人机对话并读取电压、电流及故障信息等;

（4）可实现现场总线通信;

（5）可采用软停止控制延长电机的减速时间;

（6）可为电动机提供更全面的保护。

使用软启动器降压启动的唯一缺陷就是成本较高，软启动器的价格比其他几种降压启动的价格要高得多。但随着经济实力的提高、软启动器功能的不断完善以及生产成本的下降，除部分消防设备外，使用软启动器启动将成为鼠笼式电动机降压启动的主流。

2    保护及控制

电动机的保护往往与其拖动设备控制方式有一定关系，保护中通常有控制，控制中也带有保护。在一般情況下，除设备自带的保护（如绕组过热、轴承过热、渗水、漏油、过力矩等）之外，对于给排水行业中的三相交流低压电动机应装设过载保护、断相保护、短路保护和接地故障保护[2]。

2.1    全压启动时的主回路及控制回路

低压交流电动机的主回路一般要求具有隔离功能、控制功能、短路保护功能、过载保护功能、断相保护功能，目前主流的低压电动机全压启动主要有以下4种主回路接线方式：

（1）熔断器+接触器+热继电器：熔断器提供隔离功能和短路保护功能，接触器提供控制功能，热继电器提供过载保护功能和断相保护功能。

（2）普通断路器+接触器+热继电器：普通断路器提供隔离功能和短路保护功能，接触器提供控制功能，热继电器提供过载保护功能和断相保护功能。

（3）电动机保护型断路器+接触器：电动机保护型断路器提供隔离功能、短路保护功能、过载保护功能和断相保护功能，接触器提供控制功能。

（4）一体化型电动机保护控制器：集隔离功能、控制功能、短路保护功能、过载保护功能、断相保护功能于一体。

给排水行业由于低压电动机功率范围较大，从0.37 kW的电动阀门到250 kW的风机水泵都有涉及，综合考虑各种因素，一般采用普通断路器+接触器+热继电器的主回路接线方式。

给排水行业中典型的电动机全压启动主回路和控制回路接线图如图1所示，主回路由断路器QF、接触器KM的常开主触点、热继电器KH的热元件组成，控制电路由启动按钮SB、停止按钮SBS、接触器KM线圈和常开辅助触点、热继电器KH的常闭触头以及其他一些转换开关、信号灯、中间继电器等组成。

2.2    全压启动时保护电器的选择

2.2.1    过载保护

给排水行业中，水泵、风机、搅拌器、推流器等大部分均为连续运行设备，宜装设过载保护，过载保护动作于断开电源[2]。在图1中，电动机过载保护通过热继电器KH实现。电动机过载时KH动作，断开控制电路，接触器KM失电，切断主电路，电动机停转，从而实现过载保护。一般情况下，热继电器的整定电流应接近但不小于电动机的额定电流，同时需要考虑到保护的动作时限应躲过电动机正常启动时间[3]。

2.2.2    断相保护

给排水行业中的直接启动电动机一般都宜装设断相保护。实际工程中使用带断相保护功能的热继电器即能满足要求[2]。

2.2.3    短路保护

采用低压断路器作为短路保护元件。

（1）采用瞬动过电流脱扣器作为短路保护时，其整定电流应取电动机启动电流的2～2.5倍[2];当整定电流不在此区间时，可以向上取值，但应满足末端短路跳闸的灵敏性要求。

（2）采用短延时过电流脱扣器作为短路保护时，其整定电流应不小于电动机的启动电流，延时时间不小于0.1 s[2]。

（3）采用电动机保护型断路器或一体化保护控制器时，为躲过启动电流，其长延时过电流脱扣器在7.2倍整定电流下的动作时间，应大于电动机的实际启动时间[3]。

2.2.4    接地故障保护

当低压断路器的瞬动或短延时脱扣器整定值满足动作灵敏性要求时，应兼作接地故障保护[2]。在TN-S系统中，因为相线—中性线短路故障的存在，低压断路器的整定值一般都能满足接地故障保护的要求，当不能满足要求时，可以选用带接地故障保护功能的低压断路器。

2.3    全压启动时的控制原理

给排水行业中的设备一般都采用三地控制（就地箱手动、开关柜手动和PLC自动）。以图1为例，1SA、1SB、1SBS、1HR、1HG安装于就地箱，2SA、2SB、2SBS、2HR、2HG安装于开关柜，J为远程PLC无源触点。当选择开关1SA处于就地位置时，电动机只能由现场就地箱手动控制;当选择开关1SA处于远程位置、2SA处于开关柜位置时，电动机只能由开关柜手动控制;当选择开关1SA处于远程位置、2SA处于PLC位置时，电动机只能由远程PLC自动控制。由于1SA和2SA的设置，控制的优先级别为就地箱>开关柜>PLC。即使处于远程控制，但当巡检人员现场发现故障或紧急情况时，也可以通过1SA现场直接停机。

图1的控制原理比较简单，下面以就地箱手动控制为例分析其控制原理：

（1）啟动电动机：按启动按钮1SB，接触器KM的吸引线圈得电，三对常开主触点闭合，将电动机M接入电源，电动机开始启动。同时，与1SB并联的KM的常开辅助触点闭合，即使松手断开1SB，吸引线圈KM通过其辅助触点也可以继续保持通电，维持吸合状态。凡是接触器利用自己的辅助触点来保持其线圈带电的，都称之为“自锁”，这个触点称为“自锁触点”。由于KM的自锁作用，当松开1SB后，电动机M仍能继续启动，最后达到稳定运转。

（2）停止电动机：按停止按钮1SBS，接触器KM的线圈失电，其主触点和辅助触点均断开，电动机脱离电源，停止运转。这时，即使松开停止按钮，由于自锁触点断开，接触器KM线圈不会再通电，电动机不会自行启动。只有再次按下启动按钮1SB时，电动机方能再次启动运转。如果有其他故障保护，可以将故障保护的无源触点接入电动机启动回路，故障时就可以自动停机。

2.4    软启动时的保护和控制

对于给排水行业中一些重要的55 kW及以上较大功率水泵、风机等设备，一般采用软启动器启动。以ABB公司生产的PST软启动器为例，主回路接线图如图2所示，主要由低压断路器QF、软启动器PST、旁路接触器KM组成。

短路保护和接地故障保护由低压断路器QF提供，过载保护、断相保护由软启动器PST提供。此外，软启动器PST还提供大电流、欠载保护、相不平衡、反相保护等电动机的特殊保护，用户可根据需要自行选择上述保护。

采用软启动时的控制方式也为三地控制：就地控制箱、开关柜和PLC，控制原理和全压启动基本相同。

使用软启动器可以实现总线通信，可以迅速准确地将电动机运行的一些参数、故障信号输送至远方中控室内，实现远程监控。同时，为避免晶闸管等元件引起的损耗，回路中接入了旁路接触器KM（如使用PSTB型软启动器，其内部自带旁路接触器），当电动机启动完毕后，旁路接触器闭合，但软启动器内置的保护功能仍然存在。对于给排水行业中的水泵，采用软启动器软停止可以避免水泵急停过程中产生的“水锤”效应，大大延长水泵的使用寿命。

3    结语

交流电动机，一直被称作“工业的驮马”，给排水行业中的主要电动机一旦出现故障，水厂、污水厂就得停产，会给人们生活造成重大影响。电动机的启动、保护和控制直接关系到电动机的运行成败与否，因此在相关工程中一定要认真做好这方面的工作，制订出既经济又安全的电动机配电和控制方案。

[参考文献]

[1] 中国市政工程中南设计研究总院有限责任公司.给水排水设计手册 第8册：电气与自控[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2013.

[2] 通用用电设备配电设计规范：GB 50055—2011[S].

[3] 中国航空规划设计研究总院有限公司.工业与民用供配电设计手册[M].4版.北京：中国电力出版社，2016.

收稿日期：2021-10-25

作者简介：孙正且（1980—），男，江苏南京人，高级工程师，注册电气工程师，研究方向：市政公用工程供配电设计。