電源總線干線截面計算及供電方案探討
——基于火災自動報警系統

張文輝

(福建省建筑設計研究院 福建福州 350001)

電源總線干線截面計算及供電方案探討
——基于火災自動報警系統

張文輝

(福建省建筑設計研究院 福建福州 350001)

火災自動報警系統的可靠性很大程度上取決于系統供電的可靠性。為工程設計提供計算依據，避免因選擇的電纜截面積過小，造成電壓降過大，而導致消防設備在火災發生時無法可靠動作以及工程建設成本控制，文章推導了在每層均為獨立防火分區的典型公共建筑情況下電源總線干線截面積的計算方法，并對比了實際工程中兩種不同供電設計方案。

火災自動報警系統；供電線路電壓損失；導線截面選擇

1 火災自動報警系統線路的常見問題

隨著《火災自動報警系統設計規范》50016-2013[1]的實施，人們對火災自動報警系統的可靠性有了更高的要求，而系統的高可靠性首先是要建立在線路供電可靠的基礎上。火災自動報警系統線路的組成主要包括報警信號總線、聯動信號總線、DC24V的電源線路、控制線路等。設計師往往根據經驗選擇火災自動報警系統線路的線徑，而無經過詳細的計算，如報警總線一般選擇1.5mm2，電源線一般選擇2.5mm2。此方式對小型建筑可能合適，但是隨著現在建筑規模的不斷擴大，大型建筑群及高層建筑越來越高，傳統的線徑選擇經驗已不適用，需要進一步驗證。

通常報警總線的電流比較小，根據國內專業廠家樣本一般采用1.0mm2～1.5mm2線徑，傳輸距離不小于500m，所以一般不用校驗。供電電源干線則比較復雜，尤其是豎向電源干線，其通過的電流與接入設備的種類、數量等有關，如果接入設備較多，工作電流大，線路較長，線路的電壓降就會增大，有可能導致消防設備在火災發生時無法可靠動作。為了避免這種情況發生，必須在設計時采取適當的措施將電源線電壓降控制在合理的范圍內。

2 火災自動報警系統線路電壓損失的原因

通?；馂淖詣訄缶到y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%——線路電壓損失百分數，%；

I——線路電流，A；

R1——線路電阻，Ω；

ρ——為電阻率，10-6Ω·cm；

L——線路長度，m；

S——線芯標稱截面積，mm2；

RL——負載電阻，Ω；

U——電源電壓，V；

cj——絞入系數，單股導線為1，多股導線為1.02[2]。

根據公式，對于火災自動報警電源線路，線路電壓損失大小與線路長度成正比，與線芯截面積成反比，與線路電流成正比。

3 電源線路截面的計算

根據《火災自動報警系統設計規范》50016-2013[1]第4.1.2條條文解釋，當線路壓降超過5%時，其直流24V電源應由現場提供。為簡化計算，取電壓損失的極限值為5%，由此得出：

(2)

式(2)中各符號的含義及單位同公式(1)

即S=cjρLI/0.6

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

3.1 電源總線線路長度計算分析

線路長度L為電源端到用電設備的實際線路敷設距離。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)

根據等差數列求和公式：

(4)

(5)

(3)計算此電壓比:

(6)

表1 電源支線數量與電壓降的關系

對于豎向的電源干線，由于電源支線的分流作用，實際的豎向干線電壓損失可根據表1進行相應的折算。

3.2 電源總線線路電流計算分析

電源總線線路電流由輸入輸出模塊的工作電流及外控設備電流組成。外控設備電流包括聲光警報器，應急照明強制接通中間繼電器，加壓送風閥等外控設備電流。其中聲光警報器和應急照明強制接通中間繼電器電流為持續性電流，加壓送風閥電流為瞬時性電流，本文討論不考慮瞬時性電流的影響。根據某產品樣本，可知聲光警報器及輸入輸出模塊的參數如表2所示。

表2 部分火災自動報警產品參數表

由表2可知，聲光警報器的監視電流最大為2mA，啟動工作電流最大為50mA，輸入輸出模塊的監視電流最大為3mA，啟動工作電流最大為15mA，且電源電壓最大壓降可以達到12.5%。根據暖通專業樣本，加壓送風閥工作電壓范圍為24V±10%。當火災發生時應急照明強制接通，中間繼電器連續工作，根據中間繼電器樣本可知，中間繼電器線圈工作電流為50mA。

綜合考慮規范及產品樣本的要求，電源電壓降應滿足：

(1)正常監視狀態時，不超過5%；

(2)發生火災時，不超過10%。

4 實際工程案例分析

結合工程實例，對電源總線截面進行計算分析。

某項目由一層地下室及上部4棟一類高層辦公樓組成，消控中心設置在某樓一層。由于該工程面積較大，考慮兩種電源總線布置方案：①電源集中設置在消控中心，各樓火災自動報警系統電源由消控中心統一供給；②電源就近分散設置，每棟樓底層設置1個消防電源，為本樓火災自動報警系統供電。下文就兩種方案分別進行計算分析。

4.1 電源集中設置

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

火災時需要由電源總線供電的有聲光警報器以及為應急照明強制接通服務可持續工作的輸入輸出模塊和中間繼電器等裝制。每層聲光警報器數量為5個，共120個，每層火災時持續工作的輸入輸出模塊數量為1個，共計24個，每層應急照明強制接通的中間繼電器數量為1個，共計24個。根據規范要求，當發生火災時整個大樓全部聲光報警器和應急照明應全部接通，雖然個別層聲光報警器有可能比標準層數量多，為簡化計算，可以認為每層支線電流均相同以便計算出電源干線的最小截面積。因此發生火災時，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選擇35mm2，才能滿足電壓降的要求。

4.2 電源就近設置

同樣以4#樓為例，由于電源就近設置在本樓底層，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即可滿足規范要求。

4.3 兩種供電方案的對比分析

兩種不同的供電方案各有利弊。方案一的供電方式雖然會增加電源線的造價，但是更便于統一管理、集中控制，因此適用于規模相對較小的工程。相反，當消控中心距離太遠，線纜造價超過就地設置電源的造價時，方案二的供電方式顯然更合適，但在電源管理和維護上沒有方案一方便，且需就近設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模相對較大的工程。

實際情況中，有些工程設置了火災自動報警系統，而并未設置須強制接通的應急照明系統，而是通過采用智能照明模塊接通應急照明，在計算電源總線電流時不應考慮與需強制接通的應急照明系統相關的模塊和中間繼電器。

另根據火災自動報警系統相關廠家提供資料，目前火災自動報警電源總線輸出電壓一般均高于DC24V，有的甚至高達DC28V。相關截面計算，可參考本文計算過程進行計算。

5 結語

通過上述計算分析可知，電源總線的截面僅統一按2.5mm2選擇，或僅憑經驗設計并不完全可靠的。這也是消防設備在火災發生時無法可靠動作的最根本原因之一。在實際工程中，應針對工程的實際情況采用合理的電源供電方式，并校驗電源總線截面，以避免由于電壓損失太大而導致消防設備無法可靠工作的問題。

[1]GB50116-2013 火災自動報警系統設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2013.

[2] 工業與民用配電設計手冊[M].北京：中國電力出版社,2005.

[3] 秦萬城.建筑電氣常用數據手冊[Z].北京：中國建筑工業出版社，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