水泵自动启动原因分析

水泵自动启动故障分析

云南曲靖双友钢铁机动部黄兆荣

摘要：本文分析了钢铁厂炼铁分厂一、二号高炉两台中压水泵，一台水泵停止时，另一台水泵在没有启动指今的情况下会自动启动。水泵系统由电动机、水泵、软启动器组成。

关键词：自动启动软启动器电动机地线

Automatic water pump startup failure analysis.

Yunnan qujing shuangyou steel mobile department huang zhaorong.

Abstract: in this paper, the two medium pressure pumps in the iron and steel plant of iron and steel plant are analyzed. When one pump stops, the other pump will start automatically without the starting point. The pump system consists of motor, water pump and soft starter.

Key words: automatically start the soft starter motor ground.

一、概述：本公司炼铁分厂一、二号高炉的1#、2#两台中压水泵是一用一备，两台中压水泵，有一台（2#）水泵在工作，准备切换到另一台（1#）水泵，1#水泵启动不了，工艺人员启动1#高炉的1#中压水泵时，2#高炉2#水泵就自动停止了，水泵电动机之间没有任何联锁。倒泵操作是先启动水泵正常后，再停止另一台水泵，这种现象已经发生了三次了。

二、电气情况介绍：1#高炉变压器（2000KVA）和配电柜在楼上，2#高炉变压器及配电柜在1楼，两台变压器之间有母线（电缆）相联，零线是单独一根导线相连，每一个变压器都有接地线。

1#变压器2000KVA，电流2886.82A，电压400V，高压是10KV。2#变压器与1#变压器一样。

从水泵房到配电房只有一个桥架，控制电缆、电流表的信号电缆和动力电缆在一个桥架，一直到配电房。2#高炉配电房的电缆沟中有水，动力电缆和控制电缆都在水中。

电动机为低压电动机，功率是315KW，电流是559A，转速是1490转/分。控制箱固定在墙上，控制电缆，电流信号导线在同一根电缆内，软启动器的启动信号是24V直流电压。

A、软启动器：软启动器是通过控制可控硅的导通角来控制软启动器的输出电压，实际上是一种自动控制的降压启动器，能任意调节输出电压，比传统的降压启动方式（自耦变压器，串电阻启动）有很多的优点。满载启动风机、水泵等变转矩负载、能实现电机软停止，用于水泵能消除水锤效应等。

软启动器是一种集电动机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的电动机控制装置，采用三相反并联晶闸管（单向可控硅）作为调压器。软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机转速逐步加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压，实现平滑启动，降低启动电流（过电流或很大电磁冲击力），避免启动过流跳闸，电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的软启动器，为电动机正常运转提供额定电压，还避免了使电网谐波污染。软启动器还有软停车功能，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击（电磁冲击力），软停车与软启动过程完全相反。

水锤现象是电动机突然停电时或阀门关闭太快时，压力水流的惯性，产生水流冲击波，象锤子敲打一样，叫水锤。水流冲击波来回产生冲击力，有时会很大，从而破坏阀门和水泵。水锤效应有极大的破坏性，压力过高，会引起管子的破裂，反之，压强过低又会导致管子的瘪塌，还会损坏阀门和固定件。

切断电源电动机停止运行时，泵水系统的势能将克服电动机的惯性而命令系统急剧地停止，这也同样会引起压力的冲击和水锤效应。

水锤效应在电气理论中相当于过电压和过电流。

软启动器的原理图如下：

单向可控硅等效电路图

可控硅是弱电信号触发控制强电的作用，单向可控硅的特点是由内部结构决定，从等效电路中可知，是由NPN晶体管和PNP晶体管组成， A和K之间加正向电压，V1、V2不导通，晶闸管关断。晶闸管导通时，总压降约为1 V左右。是一种无触点开关的快速接通或切断器件，将直流电转换成为交流电，也能将一种频率的交流电变换成为另一种频率的交流电，还会产生高频成分的高频电，污染电源。

C、交流异步电动机：交流异步电动机是一种将电能转化为机械能的电力拖动装置。由定子、转子和它们之间的气隙构成，定子绕组通上三相交流电源，产生旋转电磁场切割转子，获得转矩。

电动机的磁力中心线：电动机单机运行时的轴向位置，就是磁力中心线的位置，是转、定子铁芯对齐，电动机的磁场体现在定子和转子的间隙处（气隙磁场），在某一个位置，气隙磁场的磁力线全部垂直于转轴，没有轴向分量，该位置称为磁力中心线。磁力线有轴向分量，没有限制条件的情况下，转子会在延轴线窜动，窜动厉害时转子会撞上外壳，造成电机损坏。连轴时如果没有校正磁力中性线，电机和所驱动的机械都要承受一个轴向力，损坏设备。制造厂在电动机出厂前，标定了电机磁力中心线的位置，下面的照片是制造厂给出的数据。

一般规定偏离量不大于1mm，偏移量过大则出现窜动，会损害电机轴瓦和电动机带动的设备。磁力中心线有两个含义：磁场轴向和磁场气隙均匀性对称性，磁场气隙不均匀主要和定、转子偏心、转子轴弯曲相关。磁场轴向对称性是指，三相磁场的磁力线在某一位置全部垂直于转轴，无轴向分量。对于两端滑动轴瓦、轴承支撑型式的电机，需注意磁场轴向对称性，防止磁力中心线不对正问题。

转子笼条的轴向几何中心和电机定子铁芯应该重合，若磁力线存在轴向分量，无限制条件的情况下，转子在磁场作用下向磁场中心移动，在联轴器拉力作用下反向移动，形成轴向的往复运动。磁力中心线不对称会导致轴向窜动偏大。

定子的直段磁场对用转子铁芯有电磁力的作用，那么定子两端不在线槽中的线圈同样会产生磁场，是不是也要对转子铁芯有电磁力的作用呢？

就是照片看到的，用白线扎好的部分线圈，不论是高压电机还是低压电机，两端都有这一部分线圈。这一部分线圈对转子铁芯当然有电磁力的作用，这个电磁力的作用使转子铁芯也会有延轴线窜动。

若联轴器的两个靠背轮的间隙小（3~5mm），那么转子铁芯延轴线窜动就是一个振动源，3~5mm是用来抵消转子铁芯线窜动，振动就不会影响到水泵。

不论电动机的大小，都存在轴向窜动。

根据上面的照片画出主回路方框图如下：

真空断路器

电动机启动时，软启动器收到启动信号开始工作，软启动器控制B路导通，A路不通，是软启动器工作时输出，这个时间单向可控硅是工作的，频率由0~50Hz变化。当然电动机电源频率也开始由0Hz向50Hz增加，转速也开始由静止向额定转速增加。软启动器工作时自然会产生高频电。电流不论是交流电、直流电还是高频电都会向外辐射能量，只是辐射能量的强度大小不同，频率越高，辐射能量越大。软启动器工作一定的时间后，B路截止不通，A 路导通，单向可控硅停止工作，软启动器保持停止时的工作状态，50Hz交流电源直接经导通的真空断路器送到电动机。真空断路器的通、断是由软启动器控制的。

电动机停止时，软启动器收到停止信号开始工作，软启动器停止A路工作，并断开真空断路器，B路接着停止时工作状态工作，频率由50~0Hz变化，这个时间软启动器同样会产生高频电，同样向外辐射电能。

三、故障调查和分析：

A、首先调查现场的控制箱，用数字式电笔测量控制箱的带电情况，数字式电笔接触控制箱时，数字式电笔会发光。照片如下：

说明控制箱外壳有电，是干扰电，功率不大，电压可能不低。软启动器的控制电压是24V 。再者，控制线和电流表的信号线在同一根电缆中，软启动器工作时，输出的电源是含有高频成分的交流电，对外面的辐射能量比50Hz 的交流电大。若是被软启动器的启动导线或者停止导线接收，电压达到24V ，那么软启动器就会启动或者停止工作，电动机也就会启动或者停止工作。

B 、桥架调查：因为控制电缆和动力电缆在一个桥架内，照片如下：

电动机运行时，动力电缆对外辐射电能量（电磁波）是会发生的，电笔离动力电

缆0.5米远，数字式电笔还会发光，说明动力电缆对外的辐射电磁波能量不小，同样会干扰控制信号线。会影响控制信号正常工作。

作者和同事简单测量桥架对简易地线是否有电流流动，是用万用表的直流高频电流档，测量到电流在11～60uA 波动，说明桥架和地线的电位不一样高。

简易地线是导线连接一颗长钉子，钉子钉在土中。若我们用的符合要求（接地电阻小于4欧姆）的地线，那么对地电流又是多大呢？接地电阻越小，各种干扰电磁波越容易消除。

C 、电缆沟调查：由于2#高炉的水泵在一楼，一楼的电缆沟有水，动力电缆，控制电缆全部都在水中，用数字式电笔测量水的带电情况，电笔发光，用万用表的直流高频2V 电压档测量水与地线的电位差有0.36V 。

说明电缆沟是一个高频电场，导线在电场中更容易感应高频电压，低电位的导线容易接收高电位的电能量，使低电位的导线电位升高。我们测量电缆沟的地线与简易地线同样有电流流过，在100～130uA之间波动。当然粗导线对高频电磁波有吸收作用，但是电缆沟中的地线不能和零线接在一起，在有一起时若二者的接地电阻都达不到要求时，地线的电位就会升高，干扰成分就很难消除。

1#高炉变压器的地线与简易地线之间的电流在100～140uA之间波动,也是用直流高频电流档位测量的。

D、两个变压器零线是用50mm2连接导线连接的，绝缘层有三处有爆炸孔，铜导线变黒，但零线之间的连接导线与零线连接处的颜色没有任何变化，而且导线的线鼻子与导线还是松动的。

是因为高频电与导线的频率谐振产生热量所致，导线不是纯电阻，而是电阻、电感、电容的等效所致。

1

f0

=

2π

物理学有一个叫共振概念，当外部动力的频率和物体系统的固有频率相等时，系统会发生受迫振动，振幅达到最大，该现象叫共振。电路中的谐振与共振有相同意思。电路中的激励频率与电路固有频率相等时，电路发生谐振，振动振幅达到峰值，发热量增大，使紧固件松动加快。故导线的线鼻子与导线连接处是会松的，而颜色没有变化，若是电流大而发热，那么线鼻子松动的地方早就发热，

E、高频电：是频率比较高的电。企业供电是

50Hz的交流电，该电源在接

触器开关时就能产生高频电，可控硅晶体管工作时也会产生高频电，

接头松动处、接头处同样会产生高频电，一些高频电是干扰电。

这是干扰电造成对别的电气设备正常工作，甚至误动作，如影响显示器正常显示，是干扰电不能及时消除。要消除干扰的方法是接地，接地电阻小于1欧姆。

一台水泵停止时，另一台水泵在没有启动指令的情况下会自动启动故障的处理办法有：

a、消除高频干扰。

b、导线的接地电阻小于1欧姆

c、控制线路加一个继电器。

d、不要误操作

F、零线和地线：调查故障看到，零线和地线混接在一起，二者不能混接在一起，零线是接在变压器的零点上，零点也叫星点。

A

B

C

O

点

零线

A

B

C

A、B、C三相平衡时，零点没有电流流过，若三相不平衡时，零点就有电流流过，企业供电、用电三相很难平衡，故零点一定有电流流过，零线是从零点接出来的导线，零点不为零，那么零线上一定有电流，若零线的接地电阻不符合要求，放电放不完全，零点的电位就要升高，那么零线的电位也就升高。A、B、C三相加上零线是三相四线，再加一根地线是三相五线制。

地线是与电气设备外壳相连接的，保护人身的安全。若将零线与地线混在一起，那么人身的安全问题就不安全了。

G、硬母线连接处松动分析：电工都会注意硬母线连接处的温度是否正常，若不正常，温度会升高，高到一定范围就要停下来紧固。2#变压器的出线端，C 相的温度就有170多度。其它两相正常。

对连接处加导电膏和上紧螺栓处理，那么连接处为什么会松动呢？而且松动处为什么是光滑的呢？

在生产食品药品机械的企业看到，他们的产品不论内外都是镜面，非常光滑。看到就是利用不锈钢丝夹在磨光机上打磨而成。电流是电荷粒子移动和波动，通过连接处时，金属表面有氧化层，尽管上得很紧，还是有电阻、电容、电感，当然会产生振动，一些振动声音人能听见，一些振动声音人听不见，振动就会发热，同时还会使紧固件松动，电锤和气锤能把水泥路面振松、振烂。振动有摩擦，摩擦要么由不光滑磨光滑，要么由光滑磨不光滑，就看磨具了。

电是一种能量，是电荷运动的结果，原子核、电子都带电荷。电流是电荷运动和波动，高频电发热量加大，高频振动大，只要有电，电感、电容就能产生各种频率形成一定宽的频谱。

四、原子理论：现在的理论说，原子核带正电荷，电子带负电荷，正、负电荷相互抵消，所以原子不带电，电子绕原子核做自由运动。另外还说，异相相吸，同性相斥，核外电子的带电量与原子核的带电量相等。

不论是正电荷、还是负电荷都是物质，若原子核带的正电荷与电子带的负电荷，能抵消了，那么物质不灭还成立吗？就不成立了，那么物质就能凭空消失了，当然也就凭空诞生物质，故原子核带正电荷，电子带负电荷是不妥的，还有说正、负电荷抵消也是不对的。

若原子核的正电荷与电子的负电荷异性相吸，同性相斥，磁铁的异性相吸就成为一体了，那么电子还能在原子核外自由运动吗？不能吧。再说磁铁的异性相吸，异性也没有抵消。再说，男人和女人异性相吸也没有抵消，即使结婚男人还是男人，女人还是女人。

电子和原子核永远不会成为一体，电子与原子核也很难分离，电子在自然状况不会离原子核远去。电子离原子核近了，单位体积的电荷物质增多了，原子核对电子有排斥力（斥力）作用增大了，原子核将电子排斥开，电子远离原子核。电子离原子核远了，单位体积的电荷物质减少了，原子核对电子显示为引力增大了，将电子吸引，电子不会远离原子核，电子很难脱离原子核。电子就是做离原子核远、近波动运动，所以原子是带电的，是一个带电的电磁场。

电工师傅们常说的原子核是高电位，电子是低电位，比大地高的电位为高电位，比大地低的电位是低电位（表笔反了），大地是参考电位，定义为零电位，但不是直正的零电位，也没有真正零电位。就象压力一样，高于大气压的压力为正压力，大气压为参考压力，低于大气压的压力为负压力一样。正、负压力抵消是正压力容器中的气体物质（单位体积的物质多）跑到负压力（单位体积的物质少）容器中，正负压力容器的气体物质基本一样了。

原子核和电子的示意图大家应该看得多了，它俩示意图如下：

原子核示意图

电子的示意图

将原子核与电子的示意图合在一起，再来进行受力分析，如下图

把两个示意图合在一起有上图所示，即是要抵消也只能抵消正负电场重合接触的部分，便是抵消是A—B段，其它地方正负电场没能重合，能抵消吗？又根据力学分析方法A—B段是原子核和电子的相加，

F = F(+E) – F[-(-E)]

= F(+E)+F(-E)

重合接触处不是抵消（相减），而是相加。电子越靠近原子核（单位体积电荷物质增大了），排斥力越大，反之，电子远离原子核时引力增大（单位体积电荷物质减少了）。原子的远处引力效果比斥力效果明显，物体也是一样，从现在的理论分析证明原子、分子是带电的，作者的大量实验证明原子、分子是带电的，物体也是带电的。

电子绕原子核自由运动，会有摩擦吗？当然有。

摩擦是生活、工作中常见的一些现象，摩擦使噪音增大，热量增大，电磁力变化增大，产生新的物质增多。摩擦只是使热运动加剧，热运动是构成物质、物体的大量分子、原子等粒子进行的不规则运动，目前认为，原子、分子只要不在绝对零度，就有热运动。

若物体不带电，那么摩擦会有电磁力变化增大吗？电能是电荷能量的集中，电流是电荷定向运动，有运动就有运动频率。带电物体运动产生电磁波，原子、分子是带电粒子，带电粒子运动会产生高频电磁波。原子有发光和吸收光的能力，光线是电磁波，原子发光也证明了原子是带电的。

外给密封塑料瓶中的悬挂小纸片、小金属片等任意小物体一个偏置电磁场，在偏置电磁场任意方向用物体接近悬挂的小物体。悬挂的小物体就会表现出物体

的引力或斥力，引力和斥力能互相转换，网上有实验视频。

大家都知道宇宙是个电磁场，地球也是电磁场，地球是由物体、物质组成的，那么物体、物质也是电磁场，物质、物体是由原子、分子组成，你说原子、分子是不是电磁场？你不会说不是吧？那么原子、分子就是带电的。如果原子、分子不是电磁场，那么由原子、分子组成物体，由物体组成的地球、宇宙还是电磁场吗？

用电桥、电位差计、示波器、频率仪表、万用表、皮安电流表等任何仪器仪表测量任何物体、任何两点都有电参数，只是数值大小不同，而且是变化的。电参数是直流电阻、阻抗、频率、频谱、电流、电压，还有噪音。

五、说说电的一些参数

1、电流是电荷粒子移动和波动高速流，粒子具有能量，因此有：

E= 1

2mV

2

电流流经导线时，会与导线中的其他粒子发生摩擦、碰撞，有些粒子会因此离开导线进入到绝缘层或空中（辐射），同时也吸引绝缘层或周围的粒子，（如：汽车运动时会吸引周围的空气和灰尘，同时车身与轮胎受到磨损。）车在运动会吸引周围的物质（空气和灰尘），也有振动，同样，电力设备在运行中也有振动，振动（摩擦）会使机械强度减弱。它

2、绝缘电阻：是金属与邻近周围介质的电阻值，电阻值越大，阻止电荷粒子向外辐射的能力越强，抗漏电能力就越强。生产、生活中要求导线的绝缘层电阻越大越好，实际应用情况的考虑，不同的等级电压，使用不同等级的电缆，其绝缘电阻也不同。在空气中绝缘电阻与周围空气中的湿度、气压、线与线的间距，绝缘老化程度等因素密切相关。架空线电压越高，线间的绝缘电阻就要求越大，线间距就要大，绝缘物体也是由原子、分子组成，二者也是带电的，故绝缘物体的绝缘电阻不可能是真正的绝缘，电阻不可能无穷大。

3、直流电阻：是同一根金属导线的直流电阻，一根导线的直流电阻与其材质、长度、横截面积有关。

R=ρL S

L：长度S：面积ρ：该材料的电阻率

同时还与温度有关

R=R0（1+αt）

α是温度电阻系数。

若导线某一处的横截面积减少，那么导线的直流电阻就会增大，其原因是由于粒子与导线摩擦所致，直到最后烧断时，烧断后、导线的断面是光滑的，而烧断处的绝缘层则是黑色的。所以要测量电力设备的直流电阻，需与上一次所测的直流电阻进行比较，从而判断金属导线是否合格。

4、耐压：分为直流耐压和交流耐压，直流耐压时，绝缘层中的粒子摩擦幅值小，相对平稳，使得一些缺陷难以被发现。

交流耐压：是模拟设备的真实环境运行。只是电压等级更高，要求更严，能发现真实电压运行中难以发现的缺现。以便能在设备运行中发现更多的缺陷，比如绝缘的碳化、气化等。耐压是对绝缘电阻的延伸，是更高能量的粒子运动摩擦的结果，由于粒子的运动摩擦，所以电力设备才有介损、碳化和击穿的现象。

5、介损：是绝缘物质的损耗，也是电气设备在运行中所产生的损耗，就是

因为电流粒子的辐射（发散）和对周围粒子的吸引所产生的。气体在高速运行时会产生马赫环、音爆的情况类似，都是粒子振动的结果。电磁物质（暗子）在高速运动中会对导线和绝缘层产生摩擦，使其热量增加，才会产生气体，所以也要测量电力设备电参数。

六、感谢全体同事们的支持和帮助

七、参考文献：

【1】文章《电磁力与引力的统一》，2008年29期科技创新导报黄兆荣【2】文章《电磁力与引力的统－实验》 2015年第1期科技创新与生产力黄兆荣

【3】严导淦编【物理学】高等教育出版社北京１９８２年６月第—版【4】芜湖机械学校主编【电机原理及应用】机械工业出版社北

京 1979年1月出版

【5】梁灿彬编【电磁学】高等教育出版社北京 2013 年2月

【6】黄兆荣【万有力与电磁力的统一】电力设备2016.7:72

【7】各种实验视频网上有黄兆荣

【8】《电工理论基础(第4版)(翻译版)》由高等教育出版社出版作者：王汇平主编