消防設備應急電源設計

在民用建築電氣設計中，採用蓄電池為能源的應急電源裝置（EPS）多用作應急照明系統供電，消防水泵、防煙及排煙風機、消防電梯等消防設備的應急電源通常採用供電部門提供的第二路電源或者自備應急電源，如柴油發電機組等。

隨著電源技術的發展，出現了以蓄電池為能源、通過逆變器提供應急交流電源的大功率消防設備應急電源（FEPS），其額定輸出功率最高可達到400 kVA，可為消防水泵、防煙及排煙風機、消防電梯等消防設備供電。

例如：美國消防協會（NFPA）在規範NFPA 70中規定了可用於消防設備的應急電源主要有蓄電池、發電機、不間斷電源裝置（UPS）和燃料電池系統等，而在標準NFPA 110中僅明確了以發電機為電源的應急和備用電源系統（Emergency and Standby Power Systems）的性能要求。

英國標準BS 9999規定了可用於消防設備的備用電源（Secondary Power Supply）主要有發電機、另一變電站提供的獨立電源，並規定了這兩類備用電源需滿足的要求。

國際電工委員會（IEC）在標準IEC 60364 - 5 - 56：2009《Low-voltage electrical installations — Part 5 - 56：Selection and erection of electrical equipment — Safety services》中規定了為安全設施服務的供電系統選擇安裝的通用要求。該標準中提及的安全設施包括消防設備，而可為其供電的電源主要包括蓄電池、一次性電池、發電機和電網提供的獨立電源等，其中，蓄電池主要為應急照明系統供電。

國內FEPS的應用也正處於起步階段，其主要用於無法取得電網第二路電源且不便設置柴油發電機的場合。由於FEPS相關規範並不完善，規範中僅明確可採用FEPS為消防設備供電，並規定了FEPS產品性能的要求，而對於FEPS的選擇和設計並無過多涉及，導致在工程中設計FEPS時缺乏依據。

FEPS分類

目前，對FEPS進行分類的方法很多。

如按輸出電壓的相數分類，可分為單相FEPS和三相FEPS；

在設計時，可根據需求選擇合適的FEPS產品，尤其需注意後備式FEPS和雙轉換式FEPS的區別。

後備式FEPS電路結構如圖1所示。在正常運行狀態下，主電源通過轉換開關直接為消防設備供電；同時，主電源經充電器為蓄電池充電，在消防設備調試、檢修或火災時未失去主電源的情況下，通常工作於此方式。

當主電源中斷，按轉換時間要求啟動逆變器使裝置轉入應急運行狀態，轉換開關轉換到由蓄電池經逆變器為消防設備供電。

而雙轉換式FEPS的電路結構如圖2所示。在正常運行狀態下，主電源經充電器變換成直流電為蓄電池充電；同時，直流電經逆變器變換後為消防設備供電。當主電源中斷，轉入應急運行狀態，由蓄電池經逆變器為消防設備供電。

此外，雙轉換式FEPS還存在一種經濟運行方式（ECO）：在正常運行狀態下，按後備式FEPS運行，主電源通過旁路靜態開關直接為消防設備供電，逆變器空載熱備份；當主電源中斷，轉入應急運行狀態，由蓄電池經逆變器為消防設備供電。

消防設備供電系統中FEPS的設置方式

消防設備供電系統中FEPS的設置方式主要有兩類：

一類為集中型式，FEPS集中放置在變配電間，後設低壓開關櫃，開關櫃出線電纜引至現場各消防設備，其接線如圖3所示；

另一類為分散型式，FEPS分散放置在各消防設備附近，其接線如圖4所示。

由於消防水泵房、防煙和排煙風機房的消防用電設備及消防電梯等的供電，應在其配電線路的最末一級配電箱處設置自動切換裝置，因此，採用集中型式時，需從變壓器低壓配電櫃引出相同數量出線迴路至消防設備處，與FEPS出線迴路構成末端切換。

而採用分散型式時，由於FEPS內已包含自動切換裝置，可滿足末端切換要求，無需再從變壓器低壓配電櫃引出迴路。

消防設備供電系統中FEPS的設置方式對供電系統可靠性、FEPS容量的選擇均會產生較大影響，後文將對此進行具體分析。

FEPS容量選擇

消防水泵、防煙及排煙風機等消防設備均採用電動機拖動，電動機的啟動方式有全壓啟動和降壓啟動。由於消防設備要求啟動時間短、啟動可靠，因此，消防設備應優先採用全壓啟動。

但是，全壓啟動也存在啟動電流大、電壓降大等缺點。在設計中，選擇消防設備供電電源容量時，需滿足電動機全壓啟動時，端子電壓應能保證被拖動機械要求的啟動轉矩，且在配電系統中引起的電壓降不應妨礙其它用電設備的工作。

目前，在市場上很多FEPS產品自帶變頻啟動功能，在選擇FEPS容量時，僅需選擇與電動機相同容量的FEPS。在設計中，這種做法並不合適，在JGJ 16 - 2008 《民用建築電氣設計規範》第13. 9. 6條中已明確規定：消防設備的控制迴路不得採用變頻調速器作為控制裝置。

由於FEPS通常在過負荷20 % 時仍可正常運行，過負荷50 % 時保護立即動作。

而電動機啟動時間通常不超過10 s。因此，在電動機啟動時，FEPS過負荷不超過50 % 時，可滿足電動機啟動要求，如下式所示：

1. 5SF E P S ≥ Ss t M（5）

式中：SF E P S —— FEPS容量，kVA；

Ss t M —— 電動機額定啟動容量，其值為ks t S r M（ks t為電動機額定啟動電流倍數，S r M為電動機額定容量），kVA。

假設ks t = 7，電動機功率因數為0. 85，效率為0. 85，則：

SF E P S ≥ 4. 7S r M = 6. 5P r M（6）

式中：P r M —— 電動機額定功率，kW。

根據上述公式，在根據消防設備功率選擇FEPS容量時，需選擇較大容量的FEPS才能滿足消防設備啟動的要求。因此，在設計採用FEPS的消防設備供電系統時，可選擇採用集中型式。

FEPS容量可根據所有消防設備功率的總和進行選擇，因此，對於任一消防設備而言，FEPS的容量基本上都能滿足其單獨啟動時的需要。

此外，還需校驗電動機啟動時的電壓降。交流電動機啟動時，配電母線上未接照明或其他對電壓波動較敏感的負荷時，母線電壓不應低於額定電壓的80 %，即：

us t m ≥ 0. 8（7）

式中：us t m —— 電動機啟動時母線上的電壓相對值。

電動機啟動時，由FEPS供電的電動機啟動時電壓降計算電路如圖9所示，計算公式推導如下：

式中：Sk m —— 母線上的短路容量，kVA；

Qf h —— 預接負荷的無功功率，kvar；

Ur —— FEPS額定電壓，V；

該計算公式的原理是將系統各元件以電抗表示，電壓按各個串聯的電抗值進行分配，因此，可利用電壓分配公式計算電動機啟動時的母線電壓。

此方法的優點在於簡化了計算過程，但是，由於在計算過程中，假定電動機啟動時，FEPS輸出電壓保持不變，因此，該方法的計算精度不高。

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本文對工程中採用FEPS時可能存在的各種問題進行了探討，尤其是採用可靠性理論對含FEPS的消防設備供電系統的可靠性進行了計算，以及對FEPS容量的選擇進行了分析。

通過分析計算可知，在工程設計中，FEPS應盡量選擇集中型式，該方式的供電可靠性較高，雖然該可靠性低於分散型式，但根據消防設備所選擇的FEPS容量明顯低於分散型式，經濟性較好。此外，FEPS的低壓系統接地型式應選擇IT系統接地型式。

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本文有刪減，全文載於《建築電氣》2017年第2期，詳文請見雜誌。

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