由风机烧毁事故调查引发的有关问题探讨



        摘要通过对双速风机烧毁事故的调查分析。对相关问题进行了探讨。着重分析了双速风机电机选型的节能问题。
        关键词            双速风机          选型          功率因数          效率  节能
        北京某大型公交场站于奥运前夕正式投入使用．由于正处于北京闷热的夏季，现有的双速风机低速排风不能满足要求，从而将风机开至高速进行排风，使室内闷热的环境有所缓解。在运行过程中。出现了三台风机被烧毁的事故。随后建设、设计、施工、监理、运行等有关各方对事故原因进行了调查、测试及分析，从而引发了一系列问题，下面逐一进行探讨。
        1 工程概况
        公交场站是北京某公交总站枢纽的部分工程．主要用于停放公交公司汽车、电车、天然气汽车．建筑面积30 82l m2。
        公交场站共设置了11套上排风系统(平时排风兼消防排烟)、19套下排风系统(平时排风)、14套机械下送风系统(平时送风)。上下排风系统及送风系统均采用双速风机箱。
        所有的双速风机箱均由双电源互投柜送电．自电源互投柜至风机箱均配置两条电缆，型号分别为：NHYJV一3×35 mm2、NHYJV一4×50 mm2。
        2调查、测试情况
        在风机运行一段时间后，如前所述出现了三台风机被烧毁的事故。事故发生后，建设、设计、施工、监理、运行等有关各方组成了联合调查组，对事故进行了全面分析和调查，并对风机在不同运行状态下进行了测试。各风机电流实测值见表1(测试日期：2008年8月28日)。在公交场站变电室Ⅱ段母线进行测试，分别测试了投入9台和24台风机时的两种情况，并同时关闭公交场站所有灯具(变电室内灯具除外)和其余负荷。
        2．1 投入9台风机时的测试情况
        首先。投入9台风机，让其同时低速运行，然后让其同时高速运行。分别在Ⅱ段母线总配电柜上测试相应的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数，测试结果见表2(测试日期：2008年9月8日)。
        从表2数据可以看出，9台风机低速运行时，电容器投入前功率因数只有O．52，很低。在电容器投入后(实际投入2组)功率因数达到O．916。9台风机高速运行时。电容器投入前功率因数为0．843，正常。在电容器投入后(实际也投入2组)功率因数达到0．962。
        2．2投入24台风机时的测试情况
        首先，投入24台风机，让其同时低速运行，然后让其同时高速运行，分别在Ⅱ段母线总配电柜上测试相应的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数，测试结果见表3．(测试日期：2008年9月8日)。
        从表3数据可以看出，24台风机低速运行时，电容器投入前功率因数只有0．554，很低。在电容器投入后(实际投入8组)功率因数达到0．96。24台风机高速运行时，电容器投入前功率因数为0．83，正常。在电容器投入后(实际投入7组)功率因数达到0．96l。

        3相关问题探讨
        3．1 关于双速风机(平时排风兼消防排烟)长时间高速运行是否为正常状态的问题
        公交场站共设置了11套上排风系统(平时排风兼消防排烟)、19套下排风系统(平时排风)、14套机械下送风系统(平时送风)。上下排风系统及送风系统均采用双速风机箱。对于19套下排风系统和14套机械下送风系统。无论低速或高速均是进行排风和送风，因此其低速和高速均为正常运行状态，大家没有异议。对于11套上排风系统，正常运行时开低速进行排风。只有消防状态下才开高速进行排烟。因此有人认为，在使用过程中，开高速不是风机的正常运行状态，有可能造成风机损坏。笔者认为双速风机的核心设备是双速电动机，根据《YD系列(IP44)变极多速三相异步电动机技术条件》(JB／T 7127—1993)可知，YD系列变极多速异步电动机是利用换接引线的方法来控制转速变化的，无论低速还是高速运转均是正常状态。如果只有低速运行才是正常状态，消防紧急情况下高速运转的可靠性将无法得到保证，一旦发生火灾，不能可靠地快速排烟，势必造成极大的安全隐患。该工程的设计单位对此问题也给出了明确答复“风机在环境温度≤45℃．相对湿瘦≤95％条件下。可长期连续运行，是国家相关规范对风机运行条件的通用要求之一”。
        3．2电机烧毁的原因
        a．缺相。电动机在运行中如果缺失一相，仍会保持原方向运转，此时定子绕组中的某一相或两相的相电流都会超过正常运行值．电流增加的程度与电动机所带负载的性质和大小有关。运行时间长了就会使绕组过度发热而烧坏。缺相易造成电动机损坏。质量一般的电机最多十几分钟就损坏了。
        b．受潮。进水或受潮会造成电动机绕组绝缘降低，容易引起绕组短路，从而烧毁电机。
        c．过载。电动机过载运行使电动机电流增大，当超过电动机额定电流时，会超过允许温升，损坏绕组绝缘，严重时会烧毁电机。如果保护功能正常(加装合适的热继电器)，一般不会发生。但要注意的是，因热继电器无法校验，并且保护数值也不十分精确，选型不合适等等，所以需要保护的时候，往往起不到作用，也可能多次保护以后，没有找到真正原因，人为调高保护数值，致使保护失效。
        d． 电压过高或过低。电源电压过高，会危及电动机的绝缘，使其有被击穿的危险。电源电压过低，电磁转矩就会大大降低，如果负载转距没有减小，转子转数过低，这时转差率增大造成电动机过载而发热。长时间会影响电动机的寿命。总之无论电压过高或过低都可能引起电动机损坏。所以按照国家标准电动机电源电压应在额定值±5％的范围内。
        e．电机内部原因。因轴承损坏。造成端盖磨损、主轴磨损、转子扫膛，致使线包损伤烧毁也是可能的。
        f．运行人员操作问题。操作人员在运行过程中，可能将高速直接转为低速。在电机厂家提供的“产品使用维护说明书”中要求： “在高速切换为低速的过程中，必须待电动机停转后才能接通低速绕组的电源以减少对电动机及负载的冲击”。在实际运行过程中。由于风机低速运转不能消除场站内浓重的异味和闷热，因此，操作人员将风机由低速转为高速，以加速排风。消除异味和闷热。当情况好转后，很有可能将高速再直接转为低速，从而可能引起电机的损坏。
        3．3 关于双速风机低速运行时功率因数、效率低的问题
        以上表2和表3的测试结果表明，双速风机在低速运行时，功率因数只有0．5多一点，明显偏低，原因何在呢?
        功率因数表明了在输入电动机的视在功率中真正消耗掉的有功功率所占比例的大小，也可以说足定子电流中有功分量与总电流之比。功率因数越高，说明有功电流分量占总电流的比例越大，电动机的效率也越高。电动机运行中，功率因数随负载的变化而变化。空载运行时，功率因数很低，约为0．2左右。带负载运行时，定子绕组电流中有功分量增加，功率因数也随之提高。当电动机在额定负载下运行时，功率因数达到最大值，一般为O．8～O．9。因此，电动机应避免空载或轻载运行。

        电动机从空载运行到额定负载运行，由于主磁通和转速变化很小，铁损Pn和机械损耗P『变化很小(通常称为不变损耗)，而定子、转子的电阻损耗(分别与定、转子电流平方成正比)和附加损耗P，i是随负载而变化的。当负载从零开始增加时，总损耗ΣP增加较慢，效率曲线上升较快。直到可变损耗与不变损耗相等时效率达到最大值。若负载继续增加，由于定子、转子的电阻损耗增加较快，电动机的效率反而下降。

        由下图电动机运行特性曲线可知，当负载率为P2，Pl=l左右时，功率因数cos妒最高，随着负载率的降低，功率因数cos妒明显下降，无功损失必然加大；当负载率为0．8左右时，电机效率(田)曲线达到峰值，机械效率最高。此点右边，虽然负载率从0．8增至1，但电机效率曲线却稍有下降，所以，电机额定效率并不是电机的最高效率。负载率从O．8至O．6电机效率曲线也是稍有下降。下降的程度和负载率从O．8至l时电机效率曲线的下降相近，负载率小于0．6时曲线下降的陡度加大。机械效率降低得比较明显。因此，机械设计中在选定电机这个环节，基本都是按负载率0．8来确定电机的配置。这样，既可保证电机的负载有一定裕度，不至过载，又可保证电机的工作点处于较高的机械效率。以利节能。
        3．4关于电容补偿容量的问题
        由表3可知。24台风机低速运行时。电容器组投入前，功率因数只有0．554，在电容器组(共8组)全部投入后，功率因数才能达到0．95以上。本工程设计要求功率因数不低于0．95，因此有人认为设计的电容器补偿容量太小。再投入其它负荷，功率因数下降后，将没有额外的电容器再进行补偿。笔者认为设计计算电容器补偿容量时．电动机功率因数一般按O．8考虑，因为国家制造标准对电动机的功率因数均有要求，如：本工程采用的YD 250M一6／4电动机。JB，T 7127一1993就明确规定在低速运转时功率因数为O．87。由于本工程风机箱在低速运行时，负荷率比较低，造成功率因数比较低，致使24台电动机低速运行时需投入全部8组电容器才能满足功率因数的要求。所以造成本工程电容器补偿容量偏小原因是低速运转时负荷率太低，而负荷率太低是风机箱电机选型造成的。
          3．5关于风机是否存在“大马拉小车”问题
        通过表l风机电流实测值可知。各风机低速运行时。相电流最小值为．16 A，最大值为35．5 A。本工程选用的电机型号为YD250M一6／4，转速为980／1 470 r／min，额定功率为32／42 kW，额定电流为62．1／81 A。各风机低速运行时电流值仅为额定电流的0．26～0．58。说明风机在低速运行时，负载率是比较低的。由电动机运行特性曲线可以知道，此时电动机的功率因数cos妒和效率田均是比较低的。可见所选电动机容量偏大．确实存在“大马拉小车”的问题。
        3．6关于双速电机的选型问题
        本工程风机配置的电机为YD250M一6，4。我国1998年以前只有YD系列的双速电机。执行的是《YD系列(IP“)变极多速三相异步电动机技术条件》(JB／T 7127一1993)。1998年正式颁布了YDT系列电机标准，即： 《YDT系列(IP44)变极多速三相异步电动机技术条件》(JB，T 8681一1998)。由于YDT系列电机是根据流体机械的运行特性专门设计的通风机专用双速电机，因而比YD系列电机作为双速通风机的动力源在节能方面有非常大的优势。但是因为YD系列电机进入我国通风机制造市场的时间早于YDT系列电机，而且如将通风机从使用的YD系列电机转换到YDT系列电机，相关的配电柜设计和相关的消防控制电路就都要有所改动。再有就是用户对节电的认识比较淡薄。导致在我国用于建筑的双速通风机尚有约60％仍在采用YD系列的双速电机。实际上从节能角度出发，YDT系列电机作为双速通风机的动力源更科学、更合理、更节能。

        3．7双速风机在低速运行时的节能问题
        YD系列和YDT系列电机从机械制造角度来讲在工艺上并没有什么难度差别，在机座号方面也完全相同，为了进行有针对性的节能比较。笔者同时选取了本工程风机采用的YD250M机座号与YD，1250M机座号电机进行比较，相关参数摘自《YD系列(IP 44)变极多速三相异步电动机技术条件》(JB，T 7127—1993)和《YDT系列(IP 44)变极多速三相异步电动机技术条件》(JB，T 868l一1998)。从表4看出，两种电机的机座号、转速和出线端数完全相同，额定负载的功率因数、效率及堵转电流和额定电流之比也极其接近。但两种电机的高速和低速功率的匹配设计却有非常明显的差距。YDT250M的低速额定功率配置只是高速额定功率配置的34．04％，但YD250M的低速额定功率配置却是高速额定功率配置的76．19％。

        双速风机高速运转时间是很少的．绝大部分时间是低速运行．因而，实现双速通风机节能与否的关键是看低速运行的节能情况。对于双速风机来说，双速电机的低速负载率是电机节能问题的核心。当通风机叶轮直径和气体密度相同时，根据通风机相似性能换算公式。轴功率：

        为计算方便，将YD250M机座号和Y们【1250M机座号电机(在其极数为6，4极时)高低速度之比大约定为l 500：l 000=l：0．667，当YD双速电机高速负载率为1．0时，高速功率为42kW，低速功率对应为JP=42×(1 000：l 500)3=12．46 kW；YDT双速电机高速负载率为1．0时。高速功率为47 kw，低速功率对应为P=47×(1 000：1 500)3=13．95 kW。当YD双速电机高速负载率为0．8时，低速功率对应为P=42×0．8×(1 000：l 500)3=9．97 kW，当YDT双速电机高速负载率为0．8时，低速功率对应为P=47×O．8×(1 000：1 500)3=11．16 kW。

        显然YDT 250M电机的高速额定功率与低速额定功率配比47，16 kW对于流体机械是合理的，而YD250M电机的高速额定功率与低速额定功率配比42／32 kW中．低速额定功率显然比通风机低速实际负载需求超出太多，由于在流体机械中YD250M电机的高速与低速额定功率配比42，32 kW对于流体机械不只是“大马拉小车”的表面形式问题，重要的是由于这种现象使得电机的功率因数和机械效率变得极差。不可避免地造成电能的浪费。
        4结语
        本工程由于风机烧毁事故，并通过调查、测试、分析．引发了对一系列问题的探讨。
        通过以上对双速通风机分别使用YD系列和YDT系列电机的节能分析。说明根据流体机械的运行特性专门设计的通风机专用YDT系列双速电机作为双速风机的动力源比YD系列电机有非常明显的节能优势。在我国能源非常紧缺的今天，建筑节能方面也陆续出台了国家和地方标准，而电机作为大量用电设备的动力源，希望其选型应引起相关设计方面的重视．在可能的范围内减少设备能源消耗，为节能作出努力。