大型民用建筑消防安全設(shè)備的供配電設(shè)計(jì)研究

林見豐

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司南昌院，江西 南昌）

引言

大型民用建筑具有功能性強(qiáng)、建筑標(biāo)準(zhǔn)高、各類管線及機(jī)電設(shè)備多等特點(diǎn)，這也導(dǎo)致建筑物自身具有較強(qiáng)的火災(zāi)危險(xiǎn)性。為保證消防安全設(shè)備的安全穩(wěn)定使用，需要對其供配電進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，全面改善消防配電設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1 民用建筑消防安全設(shè)備負(fù)荷容量的確定

民用建筑中的消防安全設(shè)備又可稱為消防負(fù)荷，根據(jù)建筑類別和建筑功能的不同實(shí)現(xiàn)防火和滅火功能。消防供配電系統(tǒng)的主要功能則是為消防安全設(shè)備運(yùn)行提供動力，保證其可以在火災(zāi)事故中正常發(fā)揮作用。

在進(jìn)行消防安全設(shè)備供配電審計(jì)之前，需要明確民用建筑的供電系統(tǒng)消防負(fù)荷，根據(jù)《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，若消防用電計(jì)算有功功率超過出現(xiàn)火災(zāi)事故時(shí)可能切斷的一般電力以及照明負(fù)荷計(jì)算有功功率，那么就應(yīng)按一般電力、照明負(fù)荷、消防負(fù)荷之和對設(shè)備功率負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。然而考慮到火災(zāi)事故中負(fù)荷切斷的不確定性，在進(jìn)行消防負(fù)荷計(jì)算時(shí)應(yīng)遵循以下原則：（1）針對變壓器進(jìn)行計(jì)算的過程中，應(yīng)選擇三級負(fù)荷與消防負(fù)荷中較大負(fù)荷與一、二級負(fù)荷相加計(jì)算總負(fù)荷;（2）針對柴油機(jī)組進(jìn)行計(jì)算的過程中，應(yīng)選擇消防負(fù)荷與一、二級總計(jì)算負(fù)荷較大負(fù)荷作為計(jì)算依據(jù)。按照這樣的模式進(jìn)行計(jì)算，既可以提升便利程度，也可以為民用建筑消防安全設(shè)備運(yùn)行提供便利，滿足其供電要求。

相關(guān)人員在進(jìn)行計(jì)算的過程中，應(yīng)采用需要系數(shù)法進(jìn)行消防負(fù)荷計(jì)算，具體計(jì)算方法為配電干線計(jì)算負(fù)荷乘以同時(shí)系數(shù)，變電所或配電所計(jì)算負(fù)荷乘以同時(shí)系數(shù)。值得注意的是，在進(jìn)行變電所高壓側(cè)負(fù)荷計(jì)算的時(shí)候還應(yīng)考慮到變壓器的功率損耗。采用需要系數(shù)法計(jì)算的主要步驟包括：（1）根據(jù)負(fù)荷對民用建筑消防安全設(shè)備進(jìn)行分類，同時(shí)根據(jù)功能需求，劃分為照明系統(tǒng)、防排煙風(fēng)機(jī)、消防電梯等；（2）對各消防安全設(shè)備的計(jì)算負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算；（3）根據(jù)公式計(jì)算配電干線的計(jì)算負(fù)荷，其公式可以表示為

式中，Pjs為計(jì)算容量，單位kW；Kx為是需要系數(shù)；Pe為設(shè)備容量，單位kW。（4）對變電所以及配電站的計(jì)算負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算；（5）對變電所高壓側(cè)計(jì)算負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。

2 大型民用建筑消防安全設(shè)備供配電主要設(shè)計(jì)方案

2.1 電氣設(shè)備選擇依據(jù)

針對大型民用建筑進(jìn)行電氣設(shè)備選擇主要應(yīng)遵循兩點(diǎn)原則：（1）電氣設(shè)備處于正常運(yùn)行狀態(tài)及故障切除狀態(tài)均需要滿足建筑運(yùn)行需求，最大限度上提升設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性與經(jīng)濟(jì)性。因此針對大型民用建筑選擇相關(guān)電氣設(shè)備時(shí)應(yīng)先進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)工作，并保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；（2）對于工作電壓來說，電氣設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的最高工作電壓應(yīng)確保低于設(shè)備銘牌上所允許的最高電壓；對于額定電流來說，應(yīng)做到額定電流（In）≥工作電流（Id）；對于短路水平來說，電氣設(shè)備應(yīng)滿足短路動穩(wěn)定及熱穩(wěn)定性要求。

2.2 消防負(fù)荷配電接線設(shè)計(jì)

結(jié)合當(dāng)前對于民用建筑的消防負(fù)荷供電要求來看，可以通過雙重電源供電完成一級消防負(fù)荷供電，通過10 kV電源變壓器低壓回路及最末一級配電箱自動切換完成二級消防負(fù)荷供電。然而考慮到不同建筑在進(jìn)行消防負(fù)荷供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)存在差異性，因此可以設(shè)計(jì)消防負(fù)荷與非消防負(fù)荷不分組與分組2 種方案。（如圖1 所示）不分組設(shè)計(jì)的優(yōu)勢在于接線便利且成本較低，但其弊端也比較明顯，若低壓母線出現(xiàn)故障或起火不能對非消防線路進(jìn)行有效切除，民用建筑的消防噴淋系統(tǒng)也會導(dǎo)致線路出現(xiàn)接地故障，進(jìn)而出現(xiàn)越級跳閘等問題。而且不分組設(shè)計(jì)還會在很大程度上受到非消防負(fù)荷故障的影響，降低了整體消防負(fù)荷供電的可靠性，難以滿足建筑的供配電需求[1]。

圖1 消防負(fù)荷與非消防負(fù)荷不分組方案

對于這一問題，應(yīng)針對消防電源進(jìn)行專用供電回路設(shè)計(jì)（如圖2 所示），保證消防用電與生產(chǎn)生活用電進(jìn)行區(qū)分，避免消防供配電受非消防負(fù)荷的影響[2]。因此可以在大型民用建筑內(nèi)設(shè)置變電所，將消防電源從低壓側(cè)母線引出；若獨(dú)立變電所在建筑外部，則可以將消防電源分為獨(dú)立系統(tǒng)并從低壓側(cè)母線引出。通過這樣的設(shè)計(jì)，可以有效提升消防負(fù)荷的獨(dú)立性，但同時(shí)也會存在低壓母線較多，操作比較復(fù)雜的問題。

圖2 消防負(fù)荷與非消防負(fù)荷分組方案

因此可以基于這種方案作出改善，通過在變電所低壓出線側(cè)設(shè)置隔離開關(guān)起到隔離消防電源和非消防電源的作用。

2.3 低壓斷路器

大型民用建筑內(nèi)部若某一線路出現(xiàn)故障，為保證整體供電系統(tǒng)的正常工作，往往需要采用電路切斷方式，并在開關(guān)操作下保證動作的靈敏性。為滿足相關(guān)需求，可以應(yīng)用低壓斷路器，并在線路短路過程中進(jìn)行準(zhǔn)確讀數(shù)以保證低壓斷路器穩(wěn)定運(yùn)行。在額定電壓與電流不變的情況下，因根據(jù)短路電流計(jì)算來選擇合理的斷路器，并保證其滿足設(shè)計(jì)要求，其公式表示為

式中，KLZ為動作靈敏系數(shù)；Idmin為被保護(hù)線路電路最小值，單位A；Izd為瞬時(shí)過電流脫扣器整定電流，單位A。

綜合來說，大型民用建筑低壓主進(jìn)線、母聯(lián)以及In≧800 A 的開關(guān)等可選用框架斷路器；動力設(shè)備可選用塑殼斷路器；照明等設(shè)施可選用微型斷路器。低壓系統(tǒng)同一低壓配電的兩個(gè)變壓器之間應(yīng)設(shè)置母聯(lián)開關(guān)，保證兩臺變壓器的獨(dú)立運(yùn)行，一旦其中一臺變壓器出現(xiàn)故障，則可及時(shí)調(diào)節(jié)母聯(lián)閉合，通過備用變壓器為二級負(fù)荷用電設(shè)備供電；若兩臺變壓器均出現(xiàn)故障，則可通過發(fā)電機(jī)組為一二級負(fù)荷用電設(shè)備進(jìn)行緊急供電[3]。

2.4 電纜導(dǎo)線

大型民用建筑進(jìn)行電纜導(dǎo)線的選擇需要對電壓等級、負(fù)荷電纜環(huán)境等要素進(jìn)行綜合考量。通常建筑內(nèi)部的電源線、通訊線安裝的均為燃燒性能B1 級的阻燃型電纜，消防控制裝置安裝耐火型電纜，在敷設(shè)電纜導(dǎo)線的時(shí)候需要安裝封閉式金屬保護(hù)管，并采取其他的消防安全措施?；诖笮兔裼媒ㄖ佬枨髞砜?，火災(zāi)其核心溫度范圍為650～900 ℃，因此應(yīng)針對消防控制室、消防栓泵、消防風(fēng)機(jī)等消防專用設(shè)備設(shè)計(jì)采用礦物絕緣電纜，滿足建筑消防需求。

2.5 火災(zāi)自動報(bào)警聯(lián)動控制系統(tǒng)

2.5.1 消防控制室系統(tǒng)設(shè)計(jì)

建筑火災(zāi)自動報(bào)警聯(lián)動控制系統(tǒng)采用集中報(bào)警方式,消防控制室設(shè)置在綜合辦公樓一層。消控室設(shè)有火災(zāi)報(bào)警控制器、消防聯(lián)動控制設(shè)備、火災(zāi)應(yīng)急廣播、消防專用電話、消控室圖形顯示裝置、打印機(jī)等設(shè)備及可直撥“119”的直線電話。

2.5.2 火災(zāi)探測設(shè)計(jì)

民用建筑內(nèi)部可采用智能式地址編碼型報(bào)警系統(tǒng)，可由任何消防報(bào)警設(shè)備觸發(fā)，進(jìn)而通過燈光、聲響等形式發(fā)出報(bào)警訊號。與此同時(shí)，火災(zāi)探測系統(tǒng)還可以通過報(bào)警主機(jī)顯示火災(zāi)報(bào)警信號，完成相應(yīng)的計(jì)算工作，其公式表示為

式中，N 為探測器個(gè)數(shù)；S 為探測區(qū)域面積，單位m2；K為修正系數(shù)；A 為探測器保護(hù)面積，單位m2。在對K 進(jìn)行取值時(shí)，往往需要根據(jù)民用建筑容納人數(shù)來確定，具體的K 取值范圍見表1。

表1 區(qū)域面積中修正系數(shù)（K）取值范圍

2.6 應(yīng)急照明電源設(shè)計(jì)

民用建筑應(yīng)急照明集中電源設(shè)計(jì)應(yīng)按相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，輸入為AC220V，輸出為DC24V 和DC36V。針對應(yīng)急照明進(jìn)行集中控制可實(shí)現(xiàn)自動故障診斷、遠(yuǎn)程控制等功能，由集中電源對應(yīng)急照明各回路的蓄電池充放電狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，若某一回路出現(xiàn)故障可及時(shí)進(jìn)行切斷與隔離，避免對其他電池組造成影響[4]。在此期間，應(yīng)急照明控制器消防聯(lián)動可應(yīng)用RS232 協(xié)議，具體系統(tǒng)構(gòu)建及協(xié)議接口模式見圖3。

圖3 應(yīng)急照明集中電源

2.7 雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)計(jì)

部分大型民用建筑會通過備用電源來提高消防供電可靠性，通過兩個(gè)電源切換的方式保證各項(xiàng)消防工作的順利進(jìn)行。兩個(gè)電源的轉(zhuǎn)換操作需要通過雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，其主要功能是在正常運(yùn)行線路出現(xiàn)故障后切換至另一線路電源[5]。不同的電源種類和結(jié)構(gòu)形式其切換時(shí)間與相應(yīng)的參數(shù)要求也存在差異，具體見表2。

表2 各類型雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電氣性能指標(biāo)

結(jié)合當(dāng)前的應(yīng)用情況來看，現(xiàn)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)可分為專用型和派生型，根據(jù)不同場所對轉(zhuǎn)換動作時(shí)間上的不同需求選擇適合型號來對最大斷電時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。例如民用建筑照明設(shè)備的允許斷電時(shí)間為1.5 s，那么就需要選擇轉(zhuǎn)換時(shí)間≤1.5 s的產(chǎn)品滿足其轉(zhuǎn)換時(shí)間要求，切換時(shí)間＞1.5 s 的產(chǎn)品則不適用。雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電路見圖4。

圖4 雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)信號檢測電路設(shè)計(jì)

3 結(jié)論

綜上所述，本文對大型民用消防安全設(shè)備的供配電設(shè)計(jì)展開研究，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況選擇合適的建筑消防安全設(shè)備配電方案。而在具體設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需要重點(diǎn)對消防負(fù)荷配電接線、低壓斷路器、電纜導(dǎo)線、火災(zāi)自動報(bào)警聯(lián)動控制系統(tǒng)、應(yīng)急照明電源等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)工作進(jìn)行分析，保證以當(dāng)前的建筑消防配電設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，對上述內(nèi)容進(jìn)行完善與創(chuàng)新，保證相關(guān)消防安全設(shè)備的安全使用與高效率運(yùn)行，為建筑電氣消防安全提供保障。