張文輝

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001)

電源總線干線截面計(jì)算及供電方案探討
——基于火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)

張文輝

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001)

火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的可靠性很大程度上取決于系統(tǒng)供電的可靠性。為工程設(shè)計(jì)提供計(jì)算依據(jù)，避免因選擇的電纜截面積過(guò)小，造成電壓降過(guò)大，而導(dǎo)致消防設(shè)備在火災(zāi)發(fā)生時(shí)無(wú)法可靠動(dòng)作以及工程建設(shè)成本控制，文章推導(dǎo)了在每層均為獨(dú)立防火分區(qū)的典型公共建筑情況下電源總線干線截面積的計(jì)算方法，并對(duì)比了實(shí)際工程中兩種不同供電設(shè)計(jì)方案。

火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)；供電線路電壓損失；導(dǎo)線截面選擇

1 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)線路的常見(jiàn)問(wèn)題

隨著《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》50016-2013[1]的實(shí)施，人們對(duì)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的可靠性有了更高的要求，而系統(tǒng)的高可靠性首先是要建立在線路供電可靠的基礎(chǔ)上?；馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)線路的組成主要包括報(bào)警信號(hào)總線、聯(lián)動(dòng)信號(hào)總線、DC24V的電源線路、控制線路等。設(shè)計(jì)師往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)線路的線徑，而無(wú)經(jīng)過(guò)詳細(xì)的計(jì)算，如報(bào)警總線一般選擇1.5mm2，電源線一般選擇2.5mm2。此方式對(duì)小型建筑可能合適，但是隨著現(xiàn)在建筑規(guī)模的不斷擴(kuò)大，大型建筑群及高層建筑越來(lái)越高，傳統(tǒng)的線徑選擇經(jīng)驗(yàn)已不適用，需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

通常報(bào)警總線的電流比較小，根據(jù)國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)廠家樣本一般采用1.0mm2～1.5mm2線徑，傳輸距離不小于500m，所以一般不用校驗(yàn)。供電電源干線則比較復(fù)雜，尤其是豎向電源干線，其通過(guò)的電流與接入設(shè)備的種類(lèi)、數(shù)量等有關(guān)，如果接入設(shè)備較多，工作電流大，線路較長(zhǎng)，線路的電壓降就會(huì)增大，有可能導(dǎo)致消防設(shè)備在火災(zāi)發(fā)生時(shí)無(wú)法可靠動(dòng)作。為了避免這種情況發(fā)生，必須在設(shè)計(jì)時(shí)采取適當(dāng)?shù)拇胧㈦娫淳€電壓降控制在合理的范圍內(nèi)。

2 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)線路電壓損失的原因

通?；馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)電源線路的電壓為直流24V，由于傳輸線路存在電阻，必然存在電壓損失，如圖1所示。

圖1 線路電壓損失電路示意圖

根據(jù)歐姆定律可知線路電壓損失為：

(1)

其中：

Δu%——線路電壓損失百分?jǐn)?shù)，%；

I——線路電流，A；

R1——線路電阻，Ω；

ρ——為電阻率，10-6Ω·cm；

L——線路長(zhǎng)度，m；

S——線芯標(biāo)稱(chēng)截面積，mm2；

RL——負(fù)載電阻，Ω；

U——電源電壓，V；

cj——絞入系數(shù)，單股導(dǎo)線為1，多股導(dǎo)線為1.02[2]。

根據(jù)公式，對(duì)于火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警電源線路，線路電壓損失大小與線路長(zhǎng)度成正比，與線芯截面積成反比，與線路電流成正比。

3 電源線路截面的計(jì)算

根據(jù)《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》50016-2013[1]第4.1.2條條文解釋?zhuān)?dāng)線路壓降超過(guò)5%時(shí)，其直流24V電源應(yīng)由現(xiàn)場(chǎng)提供。為簡(jiǎn)化計(jì)算，取電壓損失的極限值為5%，由此得出：

(2)

式(2)中各符號(hào)的含義及單位同公式(1)

即S=cjρLI/0.6

設(shè)常數(shù)C1=cjρ/0.6，得S=C1LI。若導(dǎo)體溫度暫按60℃考慮[3]，此時(shí)銅的電阻率ρ為1.995×10-6Ω·cm[2]，同時(shí)干線一般為多股絕緣導(dǎo)線，cj=1.02則S=0.034LI。若電壓損失值為10%，則S=0.017LI。

3.1 電源總線線路長(zhǎng)度計(jì)算分析

線路長(zhǎng)度L為電源端到用電設(shè)備的實(shí)際線路敷設(shè)距離。以一棟n層單體建筑為例，本樓有n條電源支線引接自電源干線，電源干線總電流為I，假設(shè)每層布局一樣每條支線電流均相同，為I/n，每層電源干線電阻為R，如圖2所示。

圖2 樓層電源回路分支圖

(1)在不考慮每條分支電流分流的情況下，本條電源干線電壓降:U1=I×R×n。

(3)

根據(jù)等差數(shù)列求和公式：

(4)

(5)

(3)計(jì)算此電壓比:

(6)

表1 電源支線數(shù)量與電壓降的關(guān)系

對(duì)于豎向的電源干線，由于電源支線的分流作用，實(shí)際的豎向干線電壓損失可根據(jù)表1進(jìn)行相應(yīng)的折算。

3.2 電源總線線路電流計(jì)算分析

電源總線線路電流由輸入輸出模塊的工作電流及外控設(shè)備電流組成。外控設(shè)備電流包括聲光警報(bào)器，應(yīng)急照明強(qiáng)制接通中間繼電器，加壓送風(fēng)閥等外控設(shè)備電流。其中聲光警報(bào)器和應(yīng)急照明強(qiáng)制接通中間繼電器電流為持續(xù)性電流，加壓送風(fēng)閥電流為瞬時(shí)性電流，本文討論不考慮瞬時(shí)性電流的影響。根據(jù)某產(chǎn)品樣本，可知聲光警報(bào)器及輸入輸出模塊的參數(shù)如表2所示。

表2 部分火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警產(chǎn)品參數(shù)表

由表2可知，聲光警報(bào)器的監(jiān)視電流最大為2mA，啟動(dòng)工作電流最大為50mA，輸入輸出模塊的監(jiān)視電流最大為3mA，啟動(dòng)工作電流最大為15mA，且電源電壓最大壓降可以達(dá)到12.5%。根據(jù)暖通專(zhuān)業(yè)樣本，加壓送風(fēng)閥工作電壓范圍為24V±10%。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)應(yīng)急照明強(qiáng)制接通，中間繼電器連續(xù)工作，根據(jù)中間繼電器樣本可知，中間繼電器線圈工作電流為50mA。

綜合考慮規(guī)范及產(chǎn)品樣本的要求，電源電壓降應(yīng)滿(mǎn)足：

(1)正常監(jiān)視狀態(tài)時(shí)，不超過(guò)5%；

(2)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，不超過(guò)10%。

4 實(shí)際工程案例分析

結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)電源總線截面進(jìn)行計(jì)算分析。

某項(xiàng)目由一層地下室及上部4棟一類(lèi)高層辦公樓組成，消控中心設(shè)置在某樓一層。由于該工程面積較大，考慮兩種電源總線布置方案：①電源集中設(shè)置在消控中心，各樓火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)電源由消控中心統(tǒng)一供給；②電源就近分散設(shè)置，每棟樓底層設(shè)置1個(gè)消防電源，為本樓火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)供電。下文就兩種方案分別進(jìn)行計(jì)算分析。

4.1 電源集中設(shè)置

以4#樓為例，本樓共計(jì)24層，消控中心距離本樓一層電源總線水平敷設(shè)長(zhǎng)度為220m，本樓豎向電源干線長(zhǎng)度為99m，由表1可得L=(220+99×0.52)m=271.5m。平時(shí)需要由電源總線供電的有聲光警報(bào)器，輸入輸出模塊。其中包括每層聲光警報(bào)器數(shù)量為5個(gè)，共120個(gè)，每層輸入輸出模塊數(shù)量為12個(gè)，共計(jì)288個(gè)，故可得正常監(jiān)視狀態(tài)時(shí)I1=(0.002×120+0.003×288)A=1.1A,可得S1=C1LI1=(0.034×271.5×1.1)mm2=10.2mm2。

火災(zāi)時(shí)需要由電源總線供電的有聲光警報(bào)器以及為應(yīng)急照明強(qiáng)制接通服務(wù)可持續(xù)工作的輸入輸出模塊和中間繼電器等裝制。每層聲光警報(bào)器數(shù)量為5個(gè)，共120個(gè)，每層火災(zāi)時(shí)持續(xù)工作的輸入輸出模塊數(shù)量為1個(gè)，共計(jì)24個(gè)，每層應(yīng)急照明強(qiáng)制接通的中間繼電器數(shù)量為1個(gè)，共計(jì)24個(gè)。根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)整個(gè)大樓全部聲光報(bào)警器和應(yīng)急照明應(yīng)全部接通，雖然個(gè)別層聲光報(bào)警器有可能比標(biāo)準(zhǔn)層數(shù)量多，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可以認(rèn)為每層支線電流均相同以便計(jì)算出電源干線的最小截面積。因此發(fā)生火災(zāi)時(shí)，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，則本樓電源總線的截面應(yīng)選擇35mm2，才能滿(mǎn)足電壓降的要求。

4.2 電源就近設(shè)置

同樣以4#樓為例，由于電源就近設(shè)置在本樓底層，故L=(99×0.52)m=51.5m，則S1=C1LI1=(0.034×51.5×1.1)mm2=1.93mm2,S2= 0.5C1LI2=(0.017×51.5×7.56)mm2=13.2mm2，則本樓電源總線截面選擇16mm2即可滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4.3 兩種供電方案的對(duì)比分析

兩種不同的供電方案各有利弊。方案一的供電方式雖然會(huì)增加電源線的造價(jià)，但是更便于統(tǒng)一管理、集中控制，因此適用于規(guī)模相對(duì)較小的工程。相反，當(dāng)消控中心距離太遠(yuǎn)，線纜造價(jià)超過(guò)就地設(shè)置電源的造價(jià)時(shí)，方案二的供電方式顯然更合適，但在電源管理和維護(hù)上沒(méi)有方案一方便，且需就近設(shè)置蓄電池備用電源及消防交流電源，因此方案二更適用于規(guī)模相對(duì)較大的工程。

實(shí)際情況中，有些工程設(shè)置了火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，而并未設(shè)置須強(qiáng)制接通的應(yīng)急照明系統(tǒng)，而是通過(guò)采用智能照明模塊接通應(yīng)急照明，在計(jì)算電源總線電流時(shí)不應(yīng)考慮與需強(qiáng)制接通的應(yīng)急照明系統(tǒng)相關(guān)的模塊和中間繼電器。

另根據(jù)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)相關(guān)廠家提供資料，目前火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警電源總線輸出電壓一般均高于DC24V，有的甚至高達(dá)DC28V。相關(guān)截面計(jì)算，可參考本文計(jì)算過(guò)程進(jìn)行計(jì)算。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述計(jì)算分析可知，電源總線的截面僅統(tǒng)一按2.5mm2選擇，或僅憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)并不完全可靠的。這也是消防設(shè)備在火災(zāi)發(fā)生時(shí)無(wú)法可靠動(dòng)作的最根本原因之一。在實(shí)際工程中，應(yīng)針對(duì)工程的實(shí)際情況采用合理的電源供電方式，并校驗(yàn)電源總線截面，以避免由于電壓損失太大而導(dǎo)致消防設(shè)備無(wú)法可靠工作的問(wèn)題。

[1]GB50116-2013 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2013.

[2] 工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社,2005.

[3] 秦萬(wàn)城.建筑電氣常用數(shù)據(jù)手冊(cè)[Z].北京：中國(guó)建筑工業(yè)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

張文輝(1990.2- ),男,助理工程師。

E-mail:zwh@fjadi.com.cn

2017-02-17

TU855

A

1004-6135(2017)05-0100-03