电气火灾自动灭火装置在智慧医院中的应用

廖 述 龙

[同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海 200092]

0 引 言

随着我国人民生活水平的不断提高,经济化进程的迅猛发展,社会电气自动化程度的持续晋升,大家对电的依靠愈来愈强,应用电器的范畴日渐扩张,用电量也持续增加。因此,电气火灾也随之剧增。据调查,2012年至今,在查明原因的210万起火灾当中,电气火灾约占70.2万起,占总数的33%之多。由此可见,我国电气火灾问题尤为严重。

1 电气火灾现状

1.1 电气火灾原因

1.1.1 漏 电

配电线路的某处因为某种原因(自然或人为原因,如日晒雨淋、风吹雨打、碰撞、磨擦、潮湿、高温、腐蚀、虫咬等)使电线的绝缘能力下降,导致导线与导线、导线与大地之间有电流通过,这种现象就是漏电。当漏电发生时,泄漏电流在流入大地途中如遇电阻较大的部位时,会产生局部高温,致使附近的可燃物着火,从而引发火灾。此外,在漏电点产生的漏电火花也有较大概率引发火灾[1-2]。

1.1.2 短 路

电气线路中的绝缘护套的导线在绝缘体破损后,相线与中性线,或相线与接地线之间发生触碰,引起电流突增的现象称为短路。由于短路时电阻减少,电流突增,短路电流往往以kA计算,大大超过线路正常工作时的载流量,同时在短路点易产生强烈的火花和电弧,不仅能使绝缘层迅速燃烧,而且能使金属熔化,使周边的可燃物燃烧,造成火灾。

1.1.3 过负荷

过负荷是指当导线中通过电流超过其本身载流量,致使导线的温度不断升高的现象。当导线过负荷时,加快导线绝缘层老化变质。当严重过负荷时,导线的温度不断升高,甚至会引起导线的绝缘层发生燃烧,并引燃导线附近的可燃物,从而引发火灾。

1.1.4 接触电阻过大

导线与导线、导线与开关、导线与电气设备等连接的地方都有接头,在接头的接触面上形成的电阻称为接触电阻。当有电流通过接头时会发热,这是正常现象。如果接头处理良好,接触电阻不大,则接头处的发热就很少,可以保持正常温度。如果接头中有杂质,连接不牢靠或其他原因使接头接触不良,造成接触部位的接触电阻过大,当电流通过接头时,会在此处产生大量的热,形成高温,这种现象就是接触电阻过大。在有较大电流通过的电气线路上,如果在某处出现接触电阻过大时,会在接触电阻过大的局部范围内产生极大热量,使金属变色甚至熔化,引起导线绝缘层发生燃烧,并引燃附近的可燃物,从而造成火灾。

1.1.5 设备使用不当

由于电水壶、电炉、电熨斗、电热汀、电暖气等设备的炽热部件以及日光灯的镇流器、电动机的线圈或电阻等设备在通电情况下有电流流过时,设备就会发热并产生较大热量。如果上述设备使用不当,长时间通电并与可燃物接触时有可能引发火灾。早些年几起校园宿舍的火灾就是学生在宿舍内不正当使用热得快造成的,对建筑电气设计行业造成一定影响。

1.2 电气火灾防控措施

在电气火灾初期,一般情况下很难察觉,只有当可燃物冒烟或产生异味时才能感知,但是往往这个时候已经发展到火灾中期,容易造成较大的经济损失和人员伤亡。因此,防止电气火灾的关键在于前期的防控措施,及时消除电气故障。

1.2.1 剩余电流保护器的设置

对于容易产生漏电电流的配电线路,可以在上级采用带有漏电保护的剩余电流保护器,当线路上产生泄漏电流时,剩余电流保护器能够检测其大小,当漏电电流大于其设定值时,剩余电流保护器及时跳闸以切断配电线路。

1.2.2 保护断路器的选择

选择保护断路器时,首先要进行负荷计算,然后根据设备的计算电流选择断路器整定值,一般保护断路器整定值应大于负荷的计算电流并小于所选电线电缆在相应环境中敷设的载流量,在设计中一般按照负荷计算电流的1.15～1.25倍取值,同时要复核断路器的短路电流容量取值是否满足规范要求。

1.2.3 导体的选择

选择导体时,需要了解导体的载流量,选用线缆的载流量必须不小于设备上级保护开关的整定值。另外导体成束敷设时,需要根据规范要求对其降容处理,一般降容系数不大于0.7;当线缆单独穿管敷设或明敷设时,降容系数可取0.8～0.9。

1.2.4 加强专业施工人员的管理和培训

安装线路和施工过程中,要防止划伤、磨损、碰压导线绝缘,并注意导线连接接头质量及绝缘包扎质量。导线与导线之间,导线与建筑构件之间及固定导线用的绝缘子之间应符合规范要求的间距。

1.2.5 其他防控措施

在上述防空措施之外,同时通过一些自动化监控手段进行火灾防控,具体如下:在宿舍项目中设置能够识别恶性负载的集中式计量电表;设置火灾自动报警系统;设置电气火灾监控系统;设置限流保护器及具有故障电弧探测功能的电气火灾监控探测器。

上述防控措施在较大程度上减少电气火灾的发生,但是还存在一些不足之处。

(1) 电气系统的合理设计只是对电气火灾进行预防,但是预防措施做得再完善也会存在疏漏的情况,一旦发生电气火灾且无法及时灭火时,损坏电气设备,甚至会引起更大火灾,无法保障设备及人身安全。

(2) 烟感探测或者温感探测都需要火灾发展到一定程度才能够实现报警,如果火灾发生在电气用房内,这意味着火灾已经从机柜或配电柜内部蔓延到外部,已对设备造成无法挽回的损失。

(3) 安装电气火灾监控系统后,我们可以第一时间发现了漏电线路并发出警报,但是报警原因无法立即查明并同时消除隐患,等到隐患消除需要经过漫长过程,即监管人员接收警报、对报警位置进行确认、到达报警点、排查报警线路、消除报警等过程。这段过程通常需要耗费几十分钟甚至几天的时间,可能火情已发生并且已经蔓延开。同时需要考虑,有些监管人员擅离职守未能及时发现火灾警报的情况。

2 电气火灾自动灭火装置

电气火灾自动灭火装置是一种采用电气火灾探测方法自动检测电气火灾的发生,并在出现火灾危险时能够自动扑灭火头防止火灾蔓延的装置。电气火灾自动灭火装置通常通过测温或烟雾探测法检测密闭空间内的环境来判断火灾,适用于高低压柜、配电箱、电表箱和电缆分支箱等密闭箱体空间。当探测到温度超过预设的温度或者探测到烟雾时,判断有火灾发生,将灭火气体剂释放到保护区空间,以一种全淹没的方式进行灭火[3-4]。

2.1 无线电气火灾自动灭火系统

系统主要由自动报警灭火系统主机、自动报警灭火控制器和自动灭火装置三部分组成,是以异常预警、火灾报警、自动灭火、系统过程显示、消防记录管理为性能要求的一个完整电气火灾监测控制系统。无线电气火灾自动灭火系统工作原理如图1所示。系统主要应用于变电所或配电间内的高低压柜等。

2.2 导轨式电气火灾自动灭火装置

与无线电气火灾自动灭火系统相比,导轨式电气火灾自动灭火装置结构简单,其将逻辑控制单元、通信单元、自动灭火装置一体化,外置一个温度测量装置。装置体积小,启动可靠,稳定性高,可设置于配电箱(柜)或电表箱内。导轨式电气火灾自动灭火装置实物和结构示意图如图2所示。

2.3 与消防物联网的结合使用

消防物联网就是将大楼内所有消防设备或消防系统等集中在统一的平台上进行监控管理,在火灾自动报警系统的基础上,加上消防水源或水位的采集器/传感器、智慧用电安全探测器、智慧消防RFID标签、网络视频摄像头、排烟风机压力传感器等消防物联探测设备,通过有线或无线互联网上传至消防物联网云平台进行集中处理分析。

电气火灾自动灭火装置可以通过消防物联网模块接入系统,当自动灭火装置温度探测器探测到温度达到报警范围时,可立即派出物业管理人员对相应的配电箱进行检查,排除隐患;当探测到火源时,自动灭火装置直接动作,扑灭火源,并同时报警。将电气火灾自动灭火装置接入消防物联网,除了能够自动扑灭初期的火灾以外,还能同时预防电气火灾的发生。电气火灾自动灭火装置和消防物联网模块的作用方式如图3所示。

3 电气火灾自动灭火装置在智慧医院中应用

3.1 项目概况

宜宾市某智慧医院一期项目总建筑面积约(19.8万m2),其中地上建筑面积约13.4万m2,地下建筑面积约6.4万m2,总床位数为1 400床,包括一栋门诊综合楼、一栋急诊医技住院综合楼。门诊综合楼地上4层,地下2层;急诊医技住院综合楼地上14层,地下2层;项目建筑高度为59.8 m。

该项目共设置10台变压器,其中6台1 250 kVA,4台1 600 kVA,变压器总装机容量为13 900 kVA;另外本项目设置有3台1 308 kW的高压冷水机组。

3.2 项目上应用

3.2.1 在高低压柜中的应用

该项目高低压柜内设置无线电气火灾报警控制器及自动灭火装置,然后在高压配电室及变电所内设置灭火系统主机,通过本身内部集成的温度探测模块和烟雾探测模块实时检测每一台开关柜内火灾隐患信号,以温度和烟雾两种增量逻辑判断电气火灾情况,并通过无线模块将火灾信息传送出去。同样在发生电气火灾初始时,无线火灾报警灭火系统立即发出声光预警信息,提醒用户检测及维护相应故障点。当某个柜内发生电气火灾时,系统精准定位,并立即采取灭火措施,确保电气火灾发生的前期即可消除,不会使火灾扩大,同时灭火精准,不会影响到其他开关柜或现场工作人员的安全。电气火灾自动灭火系统布置图如图4所示。

3.2.2 在配电箱中的应用

该项目在楼层主配电箱及一些重要的分配电箱内设置电气火灾自动灭火装置,其中包含手术室配电箱、UPS配电箱、CT类配电箱、苏醒室配电箱、血透及ICU配电箱等。由于配电箱比较分散,因此与高压配电室及变电所内设置的装置不一样,配电箱内未采用无线型设备,需通过消防物联网模块将其采集信号上传至消控中心的消防物联网系统。如果项目上未设置消防物联网系统,也可将其上传至火灾自动报警系统或单独设置一套电气火灾自动灭火系统。

电气火灾自动灭火装置在配电箱中的安装示意图如5所示。电气火灾自动灭火装置在配电箱类安装系统图如图6所示。

3.3 不同位置电气火灾情况下的停电影响

该项目为三级甲等综合医院,采用双重10 kV高压电源进线,在地下一层设置高压配电室,高压进线电源经高压分配后分别引至各分区变电所;同时为满足一级负荷中的特别重要负荷的要求,另外设置2台1 340 kW常用型柴油发电机组。总体配电系统架构图(部分)如图7所示。

3.3.1 未设置电气火灾自动灭火装置情况下的停电影响

(1) 高压开关柜内任何一台高压柜电气故障并引发火灾时,同时会将火灾情况蔓延至其他高压开关柜,待产生较大明火并且伴有浓烟时,火灾自动报警系统报警并动作,待完成灭火动作后,高压配电室内大部分设备已不能正常工作,配电系统基本处于瘫痪状态。这种情况下,除柴油发电机组启动后所带的一级负荷中的特别重要负荷及消防负荷以外,基本处于停电状态,这种情况下停电影响范围最广,超过80%。

(2) 变电所内某低压柜内电气故障起火,则与高压配电柜起火情况基本相同,这种情况下整个变电所所带负荷均处于停电状态。该项目共设置5处变电所,其中一处变电所故障停电的情况下,停电范围大概为20%左右。

(3) 楼层某一强电间内配电箱电气故障起火时,严重情况下强电间内的配电箱基本均会起火并无法正常工作,考虑电线电缆均为低压无卤类电线电缆,因此暂不考虑火灾蔓延至垂直主干电缆的情况。此种情况下,强电间所在防火分区会故障停电,本防火分区面积按照4 000 m2计算,停电范围大概为2%左右。

3.3.2 设置电气火灾自动灭火装置情况下的停电影响

(1) 高压总开关柜电气故障起火时,由于电气火灾自动灭火装置的及时保护,故障被限制在本柜内。不考虑高压联络开关的投入,此种情况下停电范围在50%以内。

(2) 高压出线柜电气故障起火时,同样道理,故障被限制在本柜内。此种情况下,仅某变电所内一台变压器所带负荷处于停电状态,相对于该项目10台变压器,停电范围在10%左右。

(3) 变电所内低压柜电气故障起火时,由于电气火灾自动灭火装置的动作,仅故障低压柜内的出线处于停电状态,其余各低压出线均完好无损,考虑平均每台变压器所带低压出线柜数量为8个,则总计80台低压出线柜,此种情况下停电范围在1.25%左右。

(4) 楼层某一强电间内配电箱电气故障起火时,仅起火配电箱故障无法正常供电,考虑强电内设置有普通照明配电箱、应急照明配电箱、公共照明配电箱、一般动力配电箱等,结合3.3.1节第(3)条的说明,其中一个配电箱故障停电影响的范围应在0.5%左右。

3.3.3 故障分析对比

在电气火灾自动灭火装置设置与否的情况下,各不同故障起火位置的停电影响范围如表1所示。

3.3.4 对于电气火灾自动灭火装置的设置建议

由表1可以看出,当设置电气火灾自动灭火装置后,可以大大地减小因高低压柜或配电箱电气故障起火以后的停电影响范围,电压等级越高的柜体,由于其烧毁后的影响范围更大,因此其安装电气火灾自动灭火装置的优先级应更高。不仅仅是针对智慧医院这种特殊的项目,其他类型的项目同样有安装的必要性。

表1 各不同故障起火位置的停电影响范围

4 结 语

电气火灾自动灭火装置可有效降低建筑的停电范围,同时对电气火灾的预防也有较明显的效果,反映电气火灾自动灭火装置设置的必要性。但是由于现阶段国家还未出台相关的政策法规或标准,因此实际项目上的实施较少。希望这类产品能够得到较为广泛的应用,对电气火灾的发生进行有效预防,同时在电气火灾发生后进行及时的有效治理。