电源总线干线截面计算及供电方案探讨——基于火灾自动报警系统

张文辉

(福建省建筑设计研究院 福建福州 350001)

电源总线干线截面计算及供电方案探讨
——基于火灾自动报警系统

张文辉

(福建省建筑设计研究院 福建福州 350001)

火灾自动报警系统的可靠性很大程度上取决于系统供电的可靠性。为工程设计提供计算依据，避免因选择的电缆截面积过小，造成电压降过大，而导致消防设备在火灾发生时无法可靠动作以及工程建设成本控制，文章推导了在每层均为独立防火分区的典型公共建筑情况下电源总线干线截面积的计算方法，并对比了实际工程中两种不同供电设计方案。

火灾自动报警系统；供电线路电压损失；导线截面选择

1 火灾自动报警系统线路的常见问题

随着《火灾自动报警系统设计规范》50016-2013[1]的实施，人们对火灾自动报警系统的可靠性有了更高的要求，而系统的高可靠性首先是要建立在线路供电可靠的基础上。火灾自动报警系统线路的组成主要包括报警信号总线、联动信号总线、DC24V的电源线路、控制线路等。设计师往往根据经验选择火灾自动报警系统线路的线径，而无经过详细的计算，如报警总线一般选择1.5mm2，电源线一般选择2.5mm2。此方式对小型建筑可能合适，但是随着现在建筑规模的不断扩大，大型建筑群及高层建筑越来越高，传统的线径选择经验已不适用，需要进一步验证。

通常报警总线的电流比较小，根据国内专业厂家样本一般采用1.0mm2～1.5mm2线径，传输距离不小于500m，所以一般不用校验。供电电源干线则比较复杂，尤其是竖向电源干线，其通过的电流与接入设备的种类、数量等有关，如果接入设备较多，工作电流大，线路较长，线路的电压降就会增大，有可能导致消防设备在火灾发生时无法可靠动作。为了避免这种情况发生，必须在设计时采取适当的措施将电源线电压降控制在合理的范围内。

2 火灾自动报警系统线路电压损失的原因

通常火灾自动报警系统电源线路的电压为直流24V，由于传输线路存在电阻，必然存在电压损失，如图1所示。

图1 线路电压损失电路示意图

根据欧姆定律可知线路电压损失为：

(1)

其中：

Δu%——线路电压损失百分数，%；

I——线路电流，A；

R1——线路电阻，Ω；

ρ——为电阻率，10-6Ω·cm；

L——线路长度，m；

S——线芯标称截面积，mm2；

RL——负载电阻，Ω；

U——电源电压，V；

cj——绞入系数，单股导线为1，多股导线为1.02[2]。

根据公式，对于火灾自动报警电源线路，线路电压损失大小与线路长度成正比，与线芯截面积成反比，与线路电流成正比。

3 电源线路截面的计算

根据《火灾自动报警系统设计规范》50016-2013[1]第4.1.2条条文解释，当线路压降超过5%时，其直流24V电源应由现场提供。为简化计算，取电压损失的极限值为5%，由此得出：

(2)

式(2)中各符号的含义及单位同公式(1)

即S=cjρLI/0.6

设常数C1=cjρ/0.6，得S=C1LI。若导体温度暂按60℃考虑[3]，此时铜的电阻率ρ为1.995×10-6Ω·cm[2]，同时干线一般为多股绝缘导线，cj=1.02则S=0.034LI。若电压损失值为10%，则S=0.017LI。

3.1 电源总线线路长度计算分析

线路长度L为电源端到用电设备的实际线路敷设距离。以一栋n层单体建筑为例，本楼有n条电源支线引接自电源干线，电源干线总电流为I，假设每层布局一样每条支线电流均相同，为I/n，每层电源干线电阻为R，如图2所示。

图2 楼层电源回路分支图

(1)在不考虑每条分支电流分流的情况下，本条电源干线电压降:U1=I×R×n。

(3)

根据等差数列求和公式：

(4)

(5)

(3)计算此电压比:

(6)

表1 电源支线数量与电压降的关系

对于竖向的电源干线，由于电源支线的分流作用，实际的竖向干线电压损失可根据表1进行相应的折算。

3.2 电源总线线路电流计算分析

电源总线线路电流由输入输出模块的工作电流及外控设备电流组成。外控设备电流包括声光警报器，应急照明强制接通中间继电器，加压送风阀等外控设备电流。其中声光警报器和应急照明强制接通中间继电器电流为持续性电流，加压送风阀电流为瞬时性电流，本文讨论不考虑瞬时性电流的影响。根据某产品样本，可知声光警报器及输入输出模块的参数如表2所示。

表2 部分火灾自动报警产品参数表

由表2可知，声光警报器的监视电流最大为2mA，启动工作电流最大为50mA，输入输出模块的监视电流最大为3mA，启动工作电流最大为15mA，且电源电压最大压降可以达到12.5%。根据暖通专业样本，加压送风阀工作电压范围为24V±10%。当火灾发生时应急照明强制接通，中间继电器连续工作，根据中间继电器样本可知，中间继电器线圈工作电流为50mA。

综合考虑规范及产品样本的要求，电源电压降应满足：

(1)正常监视状态时，不超过5%；

(2)发生火灾时，不超过10%。

4 实际工程案例分析

结合工程实例，对电源总线截面进行计算分析。

某项目由一层地下室及上部4栋一类高层办公楼组成，消控中心设置在某楼一层。由于该工程面积较大，考虑两种电源总线布置方案：①电源集中设置在消控中心，各楼火灾自动报警系统电源由消控中心统一供给；②电源就近分散设置，每栋楼底层设置1个消防电源，为本楼火灾自动报警系统供电。下文就两种方案分别进行计算分析。

4.1 电源集中设置

以4#楼为例，本楼共计24层，消控中心距离本楼一层电源总线水平敷设长度为220m，本楼竖向电源干线长度为99m，由表1可得L=(220+99×0.52)m=271.5m。平时需要由电源总线供电的有声光警报器，输入输出模块。其中包括每层声光警报器数量为5个，共120个，每层输入输出模块数量为12个，共计288个，故可得正常监视状态时I1=(0.002×120+0.003×288)A=1.1A,可得S1=C1LI1=(0.034×271.5×1.1)mm2=10.2mm2。

火灾时需要由电源总线供电的有声光警报器以及为应急照明强制接通服务可持续工作的输入输出模块和中间继电器等装制。每层声光警报器数量为5个，共120个，每层火灾时持续工作的输入输出模块数量为1个，共计24个，每层应急照明强制接通的中间继电器数量为1个，共计24个。根据规范要求，当发生火灾时整个大楼全部声光报警器和应急照明应全部接通，虽然个别层声光报警器有可能比标准层数量多，为简化计算，可以认为每层支线电流均相同以便计算出电源干线的最小截面积。因此发生火灾时，I2=(0.05×120+0.015×24+0.05×24)A=7.56A,可得S2= 0.5C1L I2=(0.017×271.5×7.56)mm2=34.9mm2，则本楼电源总线的截面应选择35mm2，才能满足电压降的要求。

4.2 电源就近设置

同样以4#楼为例，由于电源就近设置在本楼底层，故L=(99×0.52)m=51.5m，则S1=C1LI1=(0.034×51.5×1.1)mm2=1.93mm2,S2= 0.5C1LI2=(0.017×51.5×7.56)mm2=13.2mm2，则本楼电源总线截面选择16mm2即可满足规范要求。

4.3 两种供电方案的对比分析

两种不同的供电方案各有利弊。方案一的供电方式虽然会增加电源线的造价，但是更便于统一管理、集中控制，因此适用于规模相对较小的工程。相反，当消控中心距离太远，线缆造价超过就地设置电源的造价时，方案二的供电方式显然更合适，但在电源管理和维护上没有方案一方便，且需就近设置蓄电池备用电源及消防交流电源，因此方案二更适用于规模相对较大的工程。

实际情况中，有些工程设置了火灾自动报警系统，而并未设置须强制接通的应急照明系统，而是通过采用智能照明模块接通应急照明，在计算电源总线电流时不应考虑与需强制接通的应急照明系统相关的模块和中间继电器。

另根据火灾自动报警系统相关厂家提供资料，目前火灾自动报警电源总线输出电压一般均高于DC24V，有的甚至高达DC28V。相关截面计算，可参考本文计算过程进行计算。

5 结语

通过上述计算分析可知，电源总线的截面仅统一按2.5mm2选择，或仅凭经验设计并不完全可靠的。这也是消防设备在火灾发生时无法可靠动作的最根本原因之一。在实际工程中，应针对工程的实际情况采用合理的电源供电方式，并校验电源总线截面，以避免由于电压损失太大而导致消防设备无法可靠工作的问题。

[1]GB50116-2013 火灾自动报警系统设计规范[S].北京：中国计划出版社，2013.

[2] 工业与民用配电设计手册[M].北京：中国电力出版社,2005.

[3] 秦万城.建筑电气常用数据手册[Z].北京：中国建筑工业出版社，2002.

Calculation of Power Bus Trunk and Discussion on Power Supply Scheme of Automatic Fire Alarm System

ZHANGWenhui

(Fujian Provincial Institute of Architectural Design and Research,Fuzhou 350001)

The reliability of the automatic fire alarm system depends largely on the reliability of the power supply. If the selected cable cross-section was too small, which resulted in excessive voltage drop, fire-fighting equipment could not be started timely when the fire broke out. To avoid this consequence, the present paper provided a calculation basis for engineering designs through deducing the calculation method for main cable cross-section of power buses in a typical building in which every layer was corresponding to one independent fire compartment, and two different power supply designs in practical projects were compared.

Automatic fire alarm system;Voltage loss of power supply line;Conductor section selection

张文辉(1990.2- ),男,助理工程师。

E-mail:zwh@fjadi.com.cn

2017-02-17

TU855

A

1004-6135(2017)05-0100-03