城市地下綜合管廊工程消防應(yīng)急照明直流配電設(shè)計(jì)探討

張克雋

（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司廣東分院，廣東廣州 510000）

1 背景

白銀城區(qū)地下綜合管廊工程位于甘肅省白銀市，全長(zhǎng)26.25km，總投資22.38億元，是全國(guó)第一批綜合管廊試點(diǎn)項(xiàng)目，于2017年完成施工圖設(shè)計(jì)，目前一期工程已經(jīng)竣工投運(yùn)。由7段管廊組成的綜合管廊群，每段橫向按功能組合為三或四個(gè)艙室，縱向沿里程按200m標(biāo)準(zhǔn)段分隔為140個(gè)防火分區(qū)；為匹配消防總線最優(yōu)傳輸距離，共劃分14個(gè)監(jiān)控分控區(qū)域，受控制中心集中管控。

該工程消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)為集中控制型，與管廊集中型火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警器的保護(hù)范圍一致；共設(shè)14臺(tái)應(yīng)急照明控制器在不同分控室；設(shè)1臺(tái)應(yīng)急照明控制器在控制中心，對(duì)其余控制器集中控制。

各防火分區(qū)各艙所有燈具組成同一回路。燈具采用LED光源，是被普遍認(rèn)為光效高且節(jié)能的設(shè)備；設(shè)計(jì)應(yīng)急照明燈具功率統(tǒng)一為5W，吸頂安裝；設(shè)計(jì)疏散指示燈具功率統(tǒng)一為1W，布置在應(yīng)急照明燈具位置下方通道側(cè)壁；要求燈具均有通信接口，與控制器實(shí)時(shí)通信。

設(shè)計(jì)集中電源為燈具供電，安裝在每個(gè)防火分區(qū)的設(shè)備夾層內(nèi)，主電源是AC220V消防電源專用回路，備用電源為內(nèi)置的蓄電池；主電源與蓄電池經(jīng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換后，由應(yīng)急照明分配電裝置分回路直流配電至燈具。

以四艙的大斷面尺寸，以200m標(biāo)準(zhǔn)段綜合管廊及附屬逃生節(jié)點(diǎn)為例，設(shè)計(jì)每臺(tái)集中電源分為4回路，每回配接應(yīng)急照明燈具11只、疏散指示燈具14只，計(jì)0.3kW；供電回路與通信回路分開且沿同路徑敷設(shè)，工作電壓在24V。

2019年3月，《消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》頒布，關(guān)于應(yīng)急照明系統(tǒng)的研究文獻(xiàn)主要關(guān)注具體條文理解；對(duì)SELV直流供電線路應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的電壓等級(jí)、壓降計(jì)算、短路電流等方面不多。因此本文結(jié)合《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)條款與《應(yīng)急照明設(shè)計(jì)與安裝圖集》計(jì)算方法，對(duì)該工程進(jìn)一步研究與思考。

2 潮濕場(chǎng)所應(yīng)急照明直流系統(tǒng)工作電壓

2.1 新標(biāo)準(zhǔn)下A型集中電源型應(yīng)急照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該工程設(shè)計(jì)應(yīng)急照明直流系統(tǒng)模型滿足《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求，如圖1所示，集中電源主要器件為AC/DC恒壓開關(guān)電源，將AC220V轉(zhuǎn)為Udc。應(yīng)急照明燈具運(yùn)用LED照明技術(shù)，非線性元件LED光源受DC/DC恒流驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。

圖1 A型應(yīng)急照明集中電源直流配電系統(tǒng)

《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第3.3.9條提議與疏散方向平行的疏散指示燈具布置間距不大于10m[1]，結(jié)合該項(xiàng)目回訪情況，緊急情況下視覺不連續(xù)，引起人體不舒服感覺，恐降低逃生能力，因此，燈具按10m間距布置，200m標(biāo)準(zhǔn)段至少有應(yīng)急照明燈具21盞，疏散指示燈具24盞，每回負(fù)荷為共計(jì)129W。

第3.3.6條對(duì)直流配電回路要求限值，根據(jù)上文應(yīng)優(yōu)化的設(shè)計(jì)在DC24V工作電壓下的每回計(jì)算電流為5.3A，雖滿足額定電流要求，但功率總和已超上限，達(dá)額定值89%。

考慮第3.6節(jié)明確應(yīng)急照明燈具為非持續(xù)型燈具，平時(shí)狀態(tài)不亮，應(yīng)急狀態(tài)下點(diǎn)亮；疏散指示燈具為持續(xù)型燈具，平時(shí)狀態(tài)節(jié)電點(diǎn)亮，應(yīng)急狀態(tài)恢復(fù)點(diǎn)亮；可將燈具分回路敷設(shè)，按功能控制到回路亦減少安裝工程施工工序。第3.3.8條亦明確集中電源輸出回路不超過8路，該工程最大斷面為4艙，優(yōu)化方案最多需要8路，其優(yōu)化方向可行。

根據(jù)《常用數(shù)據(jù)》表3.25、表3.26關(guān)于同一工作電壓下負(fù)荷矩、電壓損失百分?jǐn)?shù)、導(dǎo)線截面的聯(lián)系，可知增大導(dǎo)線截面可以提高直流線路的供電能力，但照明燈具之間采用2.5mm2以上截面線路不利于施工。

另有一種優(yōu)化方向即提高直流系統(tǒng)工作電壓，第3.2.1條明確A型消防應(yīng)急燈具占主導(dǎo)地位，其主電源和蓄電池電源額定工作電壓要求不大于DC36V。該工程設(shè)計(jì)直流工作電壓為DC24V，目前A型集中電源與A型燈具產(chǎn)品的工作電壓有DC36V與DC24V兩類規(guī)格。

根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，直流線路的供電能力用負(fù)荷矩衡量，如式（1）所示：

在環(huán)境溫度、線路截面、允許壓降確定的情況下，負(fù)荷距與電壓的平方成正比。電壓翻倍，負(fù)荷距增至4倍，工作電壓對(duì)負(fù)荷距的影響是十分顯著的。下文首先從安全性對(duì)直流配電工作電壓進(jìn)行分析。

2.2 安全特低電壓

《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》3.2.1條文說明解釋采用A型燈具，其工作電壓低于DC36V，屬安全電壓，避免火災(zāi)救援過程中發(fā)生電擊事故。

安全特低電壓（SELV）是防間接接觸電擊的措施之一，原理是降低設(shè)備工作電壓[2]。

我國(guó)遵循IEC標(biāo)準(zhǔn)，交流體系下的低壓配電系統(tǒng)工頻50Hz特低電壓用電設(shè)備的額定電壓規(guī)定為干燥環(huán)境為48V，潮濕環(huán)境為24V，水下為12V或6V，以隔離型降壓變壓器作為電源與電氣分隔。

《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》主要起草人分析GB/T 13870.5—2016對(duì)人員電擊防護(hù)接觸電壓閾值的規(guī)定，對(duì)消防應(yīng)急燈具電擊防護(hù)的安全電壓做更嚴(yán)格的限制，得出消防應(yīng)急燈具電擊防護(hù)的安全電壓閾值限定為DC36V[3]。

干燥環(huán)境下，直流電壓36V滿足安全特低電壓要求；對(duì)地下綜合管廊等潮濕場(chǎng)所，需要進(jìn)一步分析。

2.3 潮濕場(chǎng)所直流系統(tǒng)安全工作電壓

直流電流的心室纖維顫動(dòng)閾值比交流電流高得多[4]。電壓限值的確定與環(huán)境狀況、電流通過的路徑和電流的電流大小與持續(xù)時(shí)間有極大的關(guān)系。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出一種估算接觸電壓閾值的方法。以人體阻抗與電流-時(shí)間曲線的關(guān)系為基礎(chǔ)，考慮影響人體阻抗的變化因素、影響電壓閾值的其他因素等，推導(dǎo)出接觸電壓閾值-時(shí)間曲線圖，確定了10s長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間接觸電壓閾值。其數(shù)據(jù)了利用5th數(shù)字，能覆蓋95%以上的人口，較為合理。

地下綜合管廊正常情況下為潮濕環(huán)境，最極端的情況是管廊地面被水覆蓋，考慮水濕潤(rùn)與水淹沒兩種情況，可觸及導(dǎo)電零件的面積可包括大（整只手）、中（掌心接觸）、小（手指接觸）三種情況。

結(jié)合操作電器相關(guān)動(dòng)作，對(duì)應(yīng)可能的觸電路徑主要選取左手至腳、雙手至腳、手至手的情況。左手至腳人體內(nèi)電阻的百分率為74.4%，雙手至腳人體內(nèi)電阻的百分率為50.65%，由雙手至腳電流通路人體內(nèi)電阻估算左手至腳電流通路人體內(nèi)電阻，Rlh-f=因電流通路左手至腳與雙手至腳的心臟電流因素F均為1[2]，則左手至腳的接觸電壓為雙手至腳的1.47倍。整理得出地下綜合管廊環(huán)境下各級(jí)直流電壓閾值，如表1所示，DC36V在極端情況，可能使人員發(fā)生強(qiáng)烈的不自覺肌肉收縮反應(yīng)；水淹沒的情況下不能引起心室纖維性顫動(dòng)。因此DC36V是可應(yīng)用于地下綜合管廊工程應(yīng)急照明直流配電系統(tǒng)的安全電壓。

表1 市政地下空間工程環(huán)境下討論的直流電壓閾值

《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》另要求設(shè)置在隧道、潮濕場(chǎng)所的燈具及其連接附件的防護(hù)等級(jí)不低于IP65，意在降低水介質(zhì)使設(shè)備外殼發(fā)生導(dǎo)電現(xiàn)象的可能。

3 直流線路電壓損失計(jì)算

理想情況下，負(fù)載為恒功率工作方式，根據(jù)歐姆定律，在線路上有電壓損失。圖集提出的簡(jiǎn)化計(jì)算法將沿線路均勻分布的全部負(fù)荷nP0等效在線路全長(zhǎng)l線路末端，計(jì)算的結(jié)果偏大[5]，下文另提出2種計(jì)算法。

3.1 線路電壓損失允許值

《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》沒有對(duì)末端燈具電壓偏差的規(guī)定，圖集提到燈具端子處的直流電壓偏差允許值為±20%，分析負(fù)荷特性，LED燈具由燈珠混聯(lián)而成，選用較多的1W大功率LED光源，正向?qū)▔航档湫椭礥f=3.42V，使用LED時(shí)，為降低LED的發(fā)熱，延長(zhǎng)使用壽命，減少光衰現(xiàn)象，用300mA的恒流驅(qū)動(dòng)，允許電壓在2.79～3.99V浮動(dòng)。LED驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)允許寬范圍輸入電壓，消防應(yīng)急燈具產(chǎn)品輸入電壓上下限為±20%仍能達(dá)到發(fā)光效能且安全。

3.2 精細(xì)計(jì)算法

設(shè)某一回路n盞燈具等距布置，每一間距直流線路電阻為R0，長(zhǎng)度為l0，電壓降為ΔUk（k=1，2，3，…，n）。

設(shè)工作在恒功率模式下的每盞燈具功率為P0，最末段長(zhǎng)度L0的線路電壓降第n-1段長(zhǎng)度L0的線路電壓降遞推至第1段線路電壓降該回路直流線路電壓降：

根據(jù)電壓降限值要求Un≥0.8U，得出：

精細(xì)計(jì)算法只需要代入導(dǎo)線電阻率、等間距l(xiāng)0分布的功率P0，得出電壓降百分?jǐn)?shù)的上下限，更為準(zhǔn)確。

3.3 迭代計(jì)算法

如圖2所示，已知供電點(diǎn)電壓為Udc和各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的功率P0，確定各負(fù)荷點(diǎn)的電壓與功率分布，通過迭代計(jì)算可滿足一定精度。

圖2 直流回路及其等值電路

第一步，從電源點(diǎn)最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)n開始，利用線路額定電壓，逆著功率傳送的方向依次計(jì)算各段線路阻抗的功率損耗與分布，對(duì)于第n段線路，對(duì)于第n-1段線路，直至算出第1段線路的功率P′1，即電源點(diǎn)發(fā)出功率。

第二步，利用上步求得的功率分布，從電源點(diǎn)開始，順著功率傳送方向，依次計(jì)算各段線路的電壓降，求出各節(jié)點(diǎn)電壓。

以上兩步即完成第一輪計(jì)算，為了提高計(jì)算精度，可重復(fù)計(jì)算，之后的第一步可以利用上一輪第二步求得的節(jié)點(diǎn)電壓。

該方法計(jì)算公式很簡(jiǎn)單，尤其是工程設(shè)計(jì)工作采用Excel表格迭代3次即可收斂，準(zhǔn)確度高，十分實(shí)用。

采用以上三種電壓降計(jì)算法，得出該工程優(yōu)化方案電壓降分別為24.63%、12.93%～16.1%、14.55%，簡(jiǎn)化精細(xì)計(jì)算結(jié)果誤差較大，迭代計(jì)算結(jié)果在精細(xì)計(jì)算法得出的范圍之內(nèi)較為準(zhǔn)確。

4 熔斷器保護(hù)

分配電裝置產(chǎn)品輸出回路帶6A熔斷器，36V工作電壓下該工程每回路預(yù)期短路電流為10.9A。

《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》認(rèn)為，應(yīng)急照明系統(tǒng)采用安全電壓供電，即使線路對(duì)地故障，不能對(duì)人體造成電擊危險(xiǎn)；緊急情況下，即使出現(xiàn)對(duì)地故障，系統(tǒng)仍然保持工作狀態(tài)。查詢某6A熔斷器熔斷時(shí)間-電流特性曲線可知，6A熔斷器動(dòng)作時(shí)間在1.5h以上，大于系統(tǒng)的持續(xù)工作時(shí)間。

5 結(jié)語

本文介紹了綜合管廊應(yīng)急照明直流配電系統(tǒng)的設(shè)置，從工作電壓、線路電壓降計(jì)算方法、LED照明原理等方面進(jìn)行了闡述。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是把握直流線路供電負(fù)荷矩與工作電壓、線芯截面、壓降損耗、負(fù)荷特性的關(guān)性。相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)在充分理解技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，結(jié)合地下綜合管廊環(huán)境情況，選擇合適的燈具、供電方式及控制方式，提升綜合管廊建設(shè)工程運(yùn)維可靠性。