2017.2|杨毅:消防设备应急电源设计

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在民用建筑电气设计中，采用蓄电池为能源的应急电源装置（EPS）多用作应急照明系统供电，消防水泵、防烟及排烟风机、消防电梯等消防设备的应急电源通常采用供电部门提供的第二路电源或者自备应急电源，如柴油发电机组等。

随着电源技术的发展，出现了以蓄电池为能源、通过逆变器提供应急交流电源的大功率消防设备应急电源（FEPS），其额定输出功率最高可达到400 kVA，可为消防水泵、防烟及排烟风机、消防电梯等消防设备供电。

目前，各个主要国家和组织的规范标准中并没有关于FEPS的相关规定。

例如：美国消防协会（NFPA）在规范NFPA 70中规定了可用于消防设备的应急电源主要有蓄电池、发电机、不间断电源装置（UPS）和燃料电池系统等，而在标准NFPA 110中仅明确了以发电机为电源的应急和备用电源系统（Emergency and Standby Power Systems）的性能要求。

英国标准BS 9999规定了可用于消防设备的备用电源（Secondary Power Supply）主要有发电机、另一变电站提供的独立电源，并规定了这两类备用电源需满足的要求。

国际电工委员会（IEC）在标准IEC 60364 - 5 - 56：2009《Low-voltage electrical installations — Part 5 - 56：Selection and erection of electrical equipment — Safety services》中规定了为安全设施服务的供电系统选择安装的通用要求。该标准中提及的安全设施包括消防设备，而可为其供电的电源主要包括蓄电池、一次性电池、发电机和电网提供的独立电源等，其中，蓄电池主要为应急照明系统供电。

国内FEPS的应用也正处于起步阶段，其主要用于无法取得电网第二路电源且不便设置柴油发电机的场合。由于FEPS相关规范并不完善，规范中仅明确可采用FEPS为消防设备供电，并规定了FEPS产品性能的要求，而对于FEPS的选择和设计并无过多涉及，导致在工程中设计FEPS时缺乏依据。

FEPS分类

目前，对FEPS进行分类的方法很多。

如按输出电压的相数分类，可分为单相FEPS和三相FEPS；

按输出功率分类，可分为小功率FEPS、中功率FEPS和大功率FEPS；

按负载分类，可分为照明FEPS、动力FEPS和混合型FEPS；

按不停电供电方式分类，可分为后备式FEPS和双转换式FEPS。

在设计时，可根据需求选择合适的FEPS产品，尤其需注意后备式FEPS和双转换式FEPS的区别。

后备式FEPS电路结构如图1所示。在正常运行状态下，主电源通过转换开关直接为消防设备供电；同时，主电源经充电器为蓄电池充电，在消防设备调试、检修或火灾时未失去主电源的情况下，通常工作于此方式。

当主电源中断，按转换时间要求启动逆变器使装置转入应急运行状态，转换开关转换到由蓄电池经逆变器为消防设备供电。

而双转换式FEPS的电路结构如图2所示。在正常运行状态下，主电源经充电器变换成直流电为蓄电池充电；同时，直流电经逆变器变换后为消防设备供电。当主电源中断，转入应急运行状态，由蓄电池经逆变器为消防设备供电。

此外，双转换式FEPS还存在一种经济运行方式（ECO）：在正常运行状态下，按后备式FEPS运行，主电源通过旁路静态开关直接为消防设备供电，逆变器空载热备份；当主电源中断，转入应急运行状态，由蓄电池经逆变器为消防设备供电。

上述两类FEPS的特点如表1所示。

消防设备供电系统中FEPS的设置方式

消防设备供电系统中FEPS的设置方式主要有两类：

一类为集中型式，FEPS集中放置在变配电间，后设低压开关柜，开关柜出线电缆引至现场各消防设备，其接线如图3所示；

另一类为分散型式，FEPS分散放置在各消防设备附近，其接线如图4所示。

由于消防水泵房、防烟和排烟风机房的消防用电设备及消防电梯等的供电，应在其配电线路的最末一级配电箱处设置自动切换装置，因此，采用集中型式时，需从变压器低压配电柜引出相同数量出线回路至消防设备处，与FEPS出线回路构成末端切换。

而采用分散型式时，由于FEPS内已包含自动切换装置，可满足末端切换要求，无需再从变压器低压配电柜引出回路。

消防设备供电系统中FEPS的设置方式对供电系统可靠性、FEPS容量的选择均会产生较大影响，后文将对此进行具体分析。

FEPS容量选择

消防水泵、防烟及排烟风机等消防设备均采用电动机拖动，电动机的启动方式有全压启动和降压启动。由于消防设备要求启动时间短、启动可靠，因此，消防设备应优先采用全压启动。

但是，全压启动也存在启动电流大、电压降大等缺点。在设计中，选择消防设备供电电源容量时，需满足电动机全压启动时，端子电压应能保证被拖动机械要求的启动转矩，且在配电系统中引起的电压降不应妨碍其它用电设备的工作。

目前，在市场上很多FEPS产品自带变频启动功能，在选择FEPS容量时，仅需选择与电动机相同容量的FEPS。在设计中，这种做法并不合适，在JGJ 16 - 2008 《民用建筑电气设计规范》第13. 9. 6条中已明确规定：消防设备的控制回路不得采用变频调速器作为控制装置。

由于FEPS通常在过负荷20 % 时仍可正常运行，过负荷50 % 时保护立即动作。

而电动机启动时间通常不超过10 s。因此，在电动机启动时，FEPS过负荷不超过50 % 时，可满足电动机启动要求，如下式所示：

1. 5SFEPS ≥ SstM（5）

式中：SFEPS —— FEPS容量，kVA；

SstM —— 电动机额定启动容量，其值为kstSrM（ks t为电动机额定启动电流倍数，S r M为电动机额定容量），kVA。

假设kst = 7，电动机功率因数为0. 85，效率为0. 85，则：

SFEPS ≥ 4. 7SrM = 6. 5PrM（6）

式中：P r M —— 电动机额定功率，kW。

根据上述公式，在根据消防设备功率选择FEPS容量时，需选择较大容量的FEPS才能满足消防设备启动的要求。因此，在设计采用FEPS的消防设备供电系统时，可选择采用集中型式。

FEPS容量可根据所有消防设备功率的总和进行选择，因此，对于任一消防设备而言，FEPS的容量基本上都能满足其单独启动时的需要。

此外，还需校验电动机启动时的电压降。交流电动机启动时，配电母线上未接照明或其他对电压波动较敏感的负荷时，母线电压不应低于额定电压的80 %，即：

ustm ≥ 0. 8（7）

式中：ustm —— 电动机启动时母线上的电压相对值。

电动机启动时，由FEPS供电的电动机启动时电压降计算电路如图9所示，计算公式推导如下：

式中：Skm —— 母线上的短路容量，kVA；

Qfh —— 预接负荷的无功功率，kvar；

Sst —— 电动机启动时启动回路的额定输入容量，kVA；

X1 —— 导线或电缆的线路电抗，Ω；

Ur —— FEPS额定电压，V；

Uav —— 平均额定电压，V；

XT —— 隔离变压器电抗，Ω。

该计算公式的原理是将系统各元件以电抗表示，电压按各个串联的电抗值进行分配，因此，可利用电压分配公式计算电动机启动时的母线电压。

此方法的优点在于简化了计算过程，但是，由于在计算过程中，假定电动机启动时，FEPS输出电压保持不变，因此，该方法的计算精度不高。

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本文对工程中采用FEPS时可能存在的各种问题进行了探讨，尤其是采用可靠性理论对含FEPS的消防设备供电系统的可靠性进行了计算，以及对FEPS容量的选择进行了分析。

通过分析计算可知，在工程设计中，FEPS应尽量选择集中型式，该方式的供电可靠性较高，虽然该可靠性低于分散型式，但根据消防设备所选择的FEPS容量明显低于分散型式，经济性较好。此外，FEPS的低压系统接地型式应选择IT系统接地型式。

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作者：

杨毅，华东建筑设计研究院有限公司华东都市建筑设计研究总院，工程师。

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