大型民用建筑消防安全設備的供配電設計研究

林見豐

（中鐵上海設計院集團有限公司南昌院，江西 南昌）

引言

大型民用建筑具有功能性強、建筑標準高、各類管線及機電設備多等特點，這也導致建筑物自身具有較強的火災危險性。為保證消防安全設備的安全穩定使用，需要對其供配電進行優化設計，全面改善消防配電設計質量。

1 民用建筑消防安全設備負荷容量的確定

民用建筑中的消防安全設備又可稱為消防負荷，根據建筑類別和建筑功能的不同實現防火和滅火功能。消防供配電系統的主要功能則是為消防安全設備運行提供動力，保證其可以在火災事故中正常發揮作用。

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

相關人員在進行計算的過程中，應采用需要系數法進行消防負荷計算，具體計算方法為配電干線計算負荷乘以同時系數，變電所或配電所計算負荷乘以同時系數。值得注意的是，在進行變電所高壓側負荷計算的時候還應考慮到變壓器的功率損耗。采用需要系數法計算的主要步驟包括：（1）根據負荷對民用建筑消防安全設備進行分類，同時根據功能需求，劃分為照明系統、防排煙風機、消防電梯等；（2）對各消防安全設備的計算負荷進行計算；（3）根據公式計算配電干線的計算負荷，其公式可以表示為

式中，Pjs為計算容量，單位kW；Kx為是需要系數；Pe為設備容量，單位kW。（4）對變電所以及配電站的計算負荷進行計算；（5）對變電所高壓側計算負荷進行計算。

2 大型民用建筑消防安全設備供配電主要設計方案

2.1 電氣設備選擇依據

針對大型民用建筑進行電氣設備選擇主要應遵循兩點原則：（1）電氣設備處于正常運行狀態及故障切除狀態均需要滿足建筑運行需求，最大限度上提升設備的穩定性、可靠性與經濟性。因此針對大型民用建筑選擇相關電氣設備時應先進行相應的試驗工作，并保證試驗數據的準確性；（2）對于工作電壓來說，電氣設備運行過程中產生的最高工作電壓應確保低于設備銘牌上所允許的最高電壓；對于額定電流來說，應做到額定電流（In）≥工作電流（Id）；對于短路水平來說，電氣設備應滿足短路動穩定及熱穩定性要求。

2.2 消防負荷配電接線設計

結合當前對于民用建筑的消防負荷供電要求來看，可以通過雙重電源供電完成一級消防負荷供電，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荷供電。然而考慮到不同建筑在進行消防負荷供配電系統設計時存在差異性，因此可以設計消防負荷與非消防負荷不分組與分組2 種方案。（如圖1 所示）不分組設計的優勢在于接線便利且成本較低，但其弊端也比較明顯，若低壓母線出現故障或起火不能對非消防線路進行有效切除，民用建筑的消防噴淋系統也會導致線路出現接地故障，進而出現越級跳閘等問題。而且不分組設計還會在很大程度上受到非消防負荷故障的影響，降低了整體消防負荷供電的可靠性，難以滿足建筑的供配電需求[1]。

圖1 消防負荷與非消防負荷不分組方案

對于這一問題，應針對消防電源進行專用供電回路設計（如圖2 所示），保證消防用電與生產生活用電進行區分，避免消防供配電受非消防負荷的影響[2]。因此可以在大型民用建筑內設置變電所，將消防電源從低壓側母線引出；若獨立變電所在建筑外部，則可以將消防電源分為獨立系統并從低壓側母線引出。通過這樣的設計，可以有效提升消防負荷的獨立性，但同時也會存在低壓母線較多，操作比較復雜的問題。

圖2 消防負荷與非消防負荷分組方案

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設置隔離開關起到隔離消防電源和非消防電源的作用。

2.3 低壓斷路器

大型民用建筑內部若某一線路出現故障，為保證整體供電系統的正常工作，往往需要采用電路切斷方式，并在開關操作下保證動作的靈敏性。為滿足相關需求，可以應用低壓斷路器，并在線路短路過程中進行準確讀數以保證低壓斷路器穩定運行。在額定電壓與電流不變的情況下，因根據短路電流計算來選擇合理的斷路器，并保證其滿足設計要求，其公式表示為

式中，KLZ為動作靈敏系數；Idmin為被保護線路電路最小值，單位A；Izd為瞬時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線、母聯以及In≧800 A 的開關等可選用框架斷路器；動力設備可選用塑殼斷路器；照明等設施可選用微型斷路器。低壓系統同一低壓配電的兩個變壓器之間應設置母聯開關，保證兩臺變壓器的獨立運行，一旦其中一臺變壓器出現故障，則可及時調節母聯閉合，通過備用變壓器為二級負荷用電設備供電；若兩臺變壓器均出現故障，則可通過發電機組為一二級負荷用電設備進行緊急供電[3]。

2.4 電纜導線

大型民用建筑進行電纜導線的選擇需要對電壓等級、負荷電纜環境等要素進行綜合考量。通常建筑內部的電源線、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，在敷設電纜導線的時候需要安裝封閉式金屬保護管，并采取其他的消防安全措施。基于大型民用建筑消防需求來看，火災其核心溫度范圍為650～900 ℃，因此應針對消防控制室、消防栓泵、消防風機等消防專用設備設計采用礦物絕緣電纜，滿足建筑消防需求。

2.5 火災自動報警聯動控制系統

2.5.1 消防控制室系統設計

建筑火災自動報警聯動控制系統采用集中報警方式,消防控制室設置在綜合辦公樓一層。消控室設有火災報警控制器、消防聯動控制設備、火災應急廣播、消防專用電話、消控室圖形顯示裝置、打印機等設備及可直撥“119”的直線電話。

2.5.2 火災探測設計

民用建筑內部可采用智能式地址編碼型報警系統，可由任何消防報警設備觸發，進而通過燈光、聲響等形式發出報警訊號。與此同時，火災探測系統還可以通過報警主機顯示火災報警信號，完成相應的計算工作，其公式表示為

式中，N 為探測器個數；S 為探測區域面積，單位m2；K為修正系數；A 為探測器保護面積，單位m2。在對K 進行取值時，往往需要根據民用建筑容納人數來確定，具體的K 取值范圍見表1。

表1 區域面積中修正系數（K）取值范圍

2.6 應急照明電源設計

民用建筑應急照明集中電源設計應按相關規定進行，輸入為AC220V，輸出為DC24V 和DC36V。針對應急照明進行集中控制可實現自動故障診斷、遠程控制等功能，由集中電源對應急照明各回路的蓄電池充放電狀態進行監控，若某一回路出現故障可及時進行切斷與隔離，避免對其他電池組造成影響[4]。在此期間，應急照明控制器消防聯動可應用RS232 協議，具體系統構建及協議接口模式見圖3。

圖3 應急照明集中電源

2.7 雙電源自動轉換開關設計

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，通過兩個電源切換的方式保證各項消防工作的順利進行。兩個電源的轉換操作需要通過雙電源自動轉換開關來實現，其主要功能是在正常運行線路出現故障后切換至另一線路電源[5]。不同的電源種類和結構形式其切換時間與相應的參數要求也存在差異，具體見表2。

表2 各類型雙電源自動轉換開關電氣性能指標

結合當前的應用情況來看，現產品標準中雙電源自動轉換開關可分為專用型和派生型，根據不同場所對轉換動作時間上的不同需求選擇適合型號來對最大斷電時間進行調整。例如民用建筑照明設備的允許斷電時間為1.5 s，那么就需要選擇轉換時間≤1.5 s的產品滿足其轉換時間要求，切換時間＞1.5 s 的產品則不適用。雙電源自動轉換開關電路見圖4。

圖4 雙電源自動轉換開關信號檢測電路設計

3 結論

綜上所述，本文對大型民用消防安全設備的供配電設計展開研究，應結合現場實際情況選擇合適的建筑消防安全設備配電方案。而在具體設計環節，需要重點對消防負荷配電接線、低壓斷路器、電纜導線、火災自動報警聯動控制系統、應急照明電源等環節的設計工作進行分析，保證以當前的建筑消防配電設計為基礎，對上述內容進行完善與創新，保證相關消防安全設備的安全使用與高效率運行，為建筑電氣消防安全提供保障。