大型民用建筑消防安全设备的供配电设计研究

林见丰

（中铁上海设计院集团有限公司南昌院，江西 南昌）

引言

大型民用建筑具有功能性强、建筑标准高、各类管线及机电设备多等特点，这也导致建筑物自身具有较强的火灾危险性。为保证消防安全设备的安全稳定使用，需要对其供配电进行优化设计，全面改善消防配电设计质量。

1 民用建筑消防安全设备负荷容量的确定

民用建筑中的消防安全设备又可称为消防负荷，根据建筑类别和建筑功能的不同实现防火和灭火功能。消防供配电系统的主要功能则是为消防安全设备运行提供动力，保证其可以在火灾事故中正常发挥作用。

在进行消防安全设备供配电审计之前，需要明确民用建筑的供电系统消防负荷，根据《民用建筑电气设计规范》规定，若消防用电计算有功功率超过出现火灾事故时可能切断的一般电力以及照明负荷计算有功功率，那么就应按一般电力、照明负荷、消防负荷之和对设备功率负荷进行计算。然而考虑到火灾事故中负荷切断的不确定性，在进行消防负荷计算时应遵循以下原则：（1）针对变压器进行计算的过程中，应选择三级负荷与消防负荷中较大负荷与一、二级负荷相加计算总负荷;（2）针对柴油机组进行计算的过程中，应选择消防负荷与一、二级总计算负荷较大负荷作为计算依据。按照这样的模式进行计算，既可以提升便利程度，也可以为民用建筑消防安全设备运行提供便利，满足其供电要求。

相关人员在进行计算的过程中，应采用需要系数法进行消防负荷计算，具体计算方法为配电干线计算负荷乘以同时系数，变电所或配电所计算负荷乘以同时系数。值得注意的是，在进行变电所高压侧负荷计算的时候还应考虑到变压器的功率损耗。采用需要系数法计算的主要步骤包括：（1）根据负荷对民用建筑消防安全设备进行分类，同时根据功能需求，划分为照明系统、防排烟风机、消防电梯等；（2）对各消防安全设备的计算负荷进行计算；（3）根据公式计算配电干线的计算负荷，其公式可以表示为

式中，Pjs为计算容量，单位kW；Kx为是需要系数；Pe为设备容量，单位kW。（4）对变电所以及配电站的计算负荷进行计算；（5）对变电所高压侧计算负荷进行计算。

2 大型民用建筑消防安全设备供配电主要设计方案

2.1 电气设备选择依据

针对大型民用建筑进行电气设备选择主要应遵循两点原则：（1）电气设备处于正常运行状态及故障切除状态均需要满足建筑运行需求，最大限度上提升设备的稳定性、可靠性与经济性。因此针对大型民用建筑选择相关电气设备时应先进行相应的试验工作，并保证试验数据的准确性；（2）对于工作电压来说，电气设备运行过程中产生的最高工作电压应确保低于设备铭牌上所允许的最高电压；对于额定电流来说，应做到额定电流（In）≥工作电流（Id）；对于短路水平来说，电气设备应满足短路动稳定及热稳定性要求。

2.2 消防负荷配电接线设计

结合当前对于民用建筑的消防负荷供电要求来看，可以通过双重电源供电完成一级消防负荷供电，通过10 kV电源变压器低压回路及最末一级配电箱自动切换完成二级消防负荷供电。然而考虑到不同建筑在进行消防负荷供配电系统设计时存在差异性，因此可以设计消防负荷与非消防负荷不分组与分组2 种方案。（如图1 所示）不分组设计的优势在于接线便利且成本较低，但其弊端也比较明显，若低压母线出现故障或起火不能对非消防线路进行有效切除，民用建筑的消防喷淋系统也会导致线路出现接地故障，进而出现越级跳闸等问题。而且不分组设计还会在很大程度上受到非消防负荷故障的影响，降低了整体消防负荷供电的可靠性，难以满足建筑的供配电需求[1]。

图1 消防负荷与非消防负荷不分组方案

对于这一问题，应针对消防电源进行专用供电回路设计（如图2 所示），保证消防用电与生产生活用电进行区分，避免消防供配电受非消防负荷的影响[2]。因此可以在大型民用建筑内设置变电所，将消防电源从低压侧母线引出；若独立变电所在建筑外部，则可以将消防电源分为独立系统并从低压侧母线引出。通过这样的设计，可以有效提升消防负荷的独立性，但同时也会存在低压母线较多，操作比较复杂的问题。

图2 消防负荷与非消防负荷分组方案

因此可以基于这种方案作出改善，通过在变电所低压出线侧设置隔离开关起到隔离消防电源和非消防电源的作用。

2.3 低压断路器

大型民用建筑内部若某一线路出现故障，为保证整体供电系统的正常工作，往往需要采用电路切断方式，并在开关操作下保证动作的灵敏性。为满足相关需求，可以应用低压断路器，并在线路短路过程中进行准确读数以保证低压断路器稳定运行。在额定电压与电流不变的情况下，因根据短路电流计算来选择合理的断路器，并保证其满足设计要求，其公式表示为

式中，KLZ为动作灵敏系数；Idmin为被保护线路电路最小值，单位A；Izd为瞬时过电流脱扣器整定电流，单位A。

综合来说，大型民用建筑低压主进线、母联以及In≧800 A 的开关等可选用框架断路器；动力设备可选用塑壳断路器；照明等设施可选用微型断路器。低压系统同一低压配电的两个变压器之间应设置母联开关，保证两台变压器的独立运行，一旦其中一台变压器出现故障，则可及时调节母联闭合，通过备用变压器为二级负荷用电设备供电；若两台变压器均出现故障，则可通过发电机组为一二级负荷用电设备进行紧急供电[3]。

2.4 电缆导线

大型民用建筑进行电缆导线的选择需要对电压等级、负荷电缆环境等要素进行综合考量。通常建筑内部的电源线、通讯线安装的均为燃烧性能B1 级的阻燃型电缆，消防控制装置安装耐火型电缆，在敷设电缆导线的时候需要安装封闭式金属保护管，并采取其他的消防安全措施。基于大型民用建筑消防需求来看，火灾其核心温度范围为650～900 ℃，因此应针对消防控制室、消防栓泵、消防风机等消防专用设备设计采用矿物绝缘电缆，满足建筑消防需求。

2.5 火灾自动报警联动控制系统

2.5.1 消防控制室系统设计

建筑火灾自动报警联动控制系统采用集中报警方式,消防控制室设置在综合办公楼一层。消控室设有火灾报警控制器、消防联动控制设备、火灾应急广播、消防专用电话、消控室图形显示装置、打印机等设备及可直拨“119”的直线电话。

2.5.2 火灾探测设计

民用建筑内部可采用智能式地址编码型报警系统，可由任何消防报警设备触发，进而通过灯光、声响等形式发出报警讯号。与此同时，火灾探测系统还可以通过报警主机显示火灾报警信号，完成相应的计算工作，其公式表示为

式中，N 为探测器个数；S 为探测区域面积，单位m2；K为修正系数；A 为探测器保护面积，单位m2。在对K 进行取值时，往往需要根据民用建筑容纳人数来确定，具体的K 取值范围见表1。

表1 区域面积中修正系数（K）取值范围

2.6 应急照明电源设计

民用建筑应急照明集中电源设计应按相关规定进行，输入为AC220V，输出为DC24V 和DC36V。针对应急照明进行集中控制可实现自动故障诊断、远程控制等功能，由集中电源对应急照明各回路的蓄电池充放电状态进行监控，若某一回路出现故障可及时进行切断与隔离，避免对其他电池组造成影响[4]。在此期间，应急照明控制器消防联动可应用RS232 协议，具体系统构建及协议接口模式见图3。

图3 应急照明集中电源

2.7 双电源自动转换开关设计

部分大型民用建筑会通过备用电源来提高消防供电可靠性，通过两个电源切换的方式保证各项消防工作的顺利进行。两个电源的转换操作需要通过双电源自动转换开关来实现，其主要功能是在正常运行线路出现故障后切换至另一线路电源[5]。不同的电源种类和结构形式其切换时间与相应的参数要求也存在差异，具体见表2。

表2 各类型双电源自动转换开关电气性能指标

结合当前的应用情况来看，现产品标准中双电源自动转换开关可分为专用型和派生型，根据不同场所对转换动作时间上的不同需求选择适合型号来对最大断电时间进行调整。例如民用建筑照明设备的允许断电时间为1.5 s，那么就需要选择转换时间≤1.5 s的产品满足其转换时间要求，切换时间＞1.5 s 的产品则不适用。双电源自动转换开关电路见图4。

图4 双电源自动转换开关信号检测电路设计

3 结论

综上所述，本文对大型民用消防安全设备的供配电设计展开研究，应结合现场实际情况选择合适的建筑消防安全设备配电方案。而在具体设计环节，需要重点对消防负荷配电接线、低压断路器、电缆导线、火灾自动报警联动控制系统、应急照明电源等环节的设计工作进行分析，保证以当前的建筑消防配电设计为基础，对上述内容进行完善与创新，保证相关消防安全设备的安全使用与高效率运行，为建筑电气消防安全提供保障。