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

隨著電源技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以蓄電池為能源、通過逆變器提供應(yīng)急交流電源的大功率消防設(shè)備應(yīng)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(shè)備供電。

目前，各個主要國家和組織的規(guī)范標準中并沒有關(guān)于FEPS的相關(guān)規(guī)定。

例如：美國消防協(xié)會(NFPA)在規(guī)范NFPA 70中規(guī)定了可用于消防設(shè)備的應(yīng)急電源主要有蓄電池、發(fā)電機、不間斷電源裝置(UPS)和燃料電池系統(tǒng)等，而在標準NFPA 110中僅明確了以發(fā)電機為電源的應(yīng)急和備用電源系統(tǒng)(Emergency and Standby Power Systems)的性能要求。

英國標準BS 9999規(guī)定了可用于消防設(shè)備的備用電源(Secondary Power Supply)主要有發(fā)電機、另一變電站提供的獨立電源，并規(guī)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(guī)定了為安全設(shè)施服務(wù)的供電系統(tǒng)選擇安裝的通用要求。該標準中提及的安全設(shè)施包括消防設(shè)備，而可為其供電的電源主要包括蓄電池、一次性電池、發(fā)電機和電網(wǎng)提供的獨立電源等，其中，蓄電池主要為應(yīng)急照明系統(tǒng)供電。

國內(nèi)FEPS的應(yīng)用也正處于起步階段，其主要用于無法取得電網(wǎng)第二路電源且不便設(shè)置柴油發(fā)電機的場合。由于FEPS相關(guān)規(guī)范并不完善，規(guī)范中僅明確可采用FEPS為消防設(shè)備供電，并規(guī)定了FEPS產(chǎn)品性能的要求，而對于FEPS的選擇和設(shè)計并無過多涉及，導(dǎo)致在工程中設(shè)計FEPS時缺乏依據(jù)。

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(shù)分類，可分為單相FEPS和三相FEPS;

按輸出功率分類，可分為小功率FEPS、中功率FEPS和大功率FEPS;

按負載分類，可分為照明FEPS、動力FEPS和混合型FEPS;

按不停電供電方式分類，可分為后備式FEPS和雙轉(zhuǎn)換式FEPS。

在設(shè)計時，可根據(jù)需求選擇合適的FEPS產(chǎn)品，尤其需注意后備式FEPS和雙轉(zhuǎn)換式FEPS的區(qū)別。

后備式FEPS電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。在正常運行狀態(tài)下，主電源通過轉(zhuǎn)換開關(guān)直接為消防設(shè)備供電;同時，主電源經(jīng)充電器為蓄電池充電，在消防設(shè)備調(diào)試、檢修或火災(zāi)時未失去主電源的情況下，通常工作于此方式。

當主電源中斷，按轉(zhuǎn)換時間要求啟動逆變器使裝置轉(zhuǎn)入應(yīng)急運行狀態(tài)，轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換到由蓄電池經(jīng)逆變器為消防設(shè)備供電。

而雙轉(zhuǎn)換式FEPS的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。在正常運行狀態(tài)下，主電源經(jīng)充電器變換成直流電為蓄電池充電;同時，直流電經(jīng)逆變器變換后為消防設(shè)備供電。當主電源中斷，轉(zhuǎn)入應(yīng)急運行狀態(tài)，由蓄電池經(jīng)逆變器為消防設(shè)備供電。

此外，雙轉(zhuǎn)換式FEPS還存在一種經(jīng)濟運行方式(ECO)：在正常運行狀態(tài)下，按后備式FEPS運行，主電源通過旁路靜態(tài)開關(guān)直接為消防設(shè)備供電，逆變器空載熱備份;當主電源中斷，轉(zhuǎn)入應(yīng)急運行狀態(tài)，由蓄電池經(jīng)逆變器為消防設(shè)備供電。

上述兩類FEPS的特點如表1所示。

消防設(shè)備供電系統(tǒng)中FEPS的設(shè)置方式

消防設(shè)備供電系統(tǒng)中FEPS的設(shè)置方式主要有兩類：

一類為集中型式，F(xiàn)EPS集中放置在變配電間，后設(shè)低壓開關(guān)柜，開關(guān)柜出線電纜引至現(xiàn)場各消防設(shè)備，其接線如圖3所示;

另一類為分散型式，F(xiàn)EPS分散放置在各消防設(shè)備附近，其接線如圖4所示。

由于消防水泵房、防煙和排煙風機房的消防用電設(shè)備及消防電梯等的供電，應(yīng)在其配電線路的最末一級配電箱處設(shè)置自動切換裝置，因此，采用集中型式時，需從變壓器低壓配電柜引出相同數(shù)量出線回路至消防設(shè)備處，與FEPS出線回路構(gòu)成末端切換。

而采用分散型式時，由于FEPS內(nèi)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柜引出回路。

消防設(shè)備供電系統(tǒng)中FEPS的設(shè)置方式對供電系統(tǒng)可靠性、FEPS容量的選擇均會產(chǎn)生較大影響，后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(shè)備均采用電動機拖動，電動機的啟動方式有全壓啟動和降壓啟動。由于消防設(shè)備要求啟動時間短、啟動可靠，因此，消防設(shè)備應(yīng)優(yōu)先采用全壓啟動。

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

目前，在市場上很多FEPS產(chǎn)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(shè)計中，這種做法并不合適，在JGJ 16 - 2008 《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》第13. 9. 6條中已明確規(guī)定：消防設(shè)備的控制回路不得采用變頻調(diào)速器作為控制裝置。

由于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，F(xiàn)EPS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(shù)，S r M為電動機額定容量)，kVA。

假設(shè)ks t = 7，電動機功率因數(shù)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(jù)上述公式，在根據(jù)消防設(shè)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(shè)備啟動的要求。因此，在設(shè)計采用FEPS的消防設(shè)備供電系統(tǒng)時，可選擇采用集中型式。

FEPS容量可根據(jù)所有消防設(shè)備功率的總和進行選擇，因此，對于任一消防設(shè)備而言，F(xiàn)EPS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(yīng)低于額定電壓的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(dǎo)如下：

式中：Sk m —— 母線上的短路容量，kVA;

Qf h —— 預(yù)接負荷的無功功率，kvar;

Ss t —— 電動機啟動時啟動回路的額定輸入容量，kVA;

X1 —— 導(dǎo)線或電纜的線路電抗，Ω;

Ur —— FEPS額定電壓，V;

Ua v —— 平均額定電壓，V;

XT —— 隔離變壓器電抗，Ω。

該計算公式的原理是將系統(tǒng)各元件以電抗表示，電壓按各個串聯(lián)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(yōu)點在于簡化了計算過程，但是，由于在計算過程中，假定電動機啟動時，F(xiàn)EPS輸出電壓保持不變，因此，該方法的計算精度不高。

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本文對工程中采用FEPS時可能存在的各種問題進行了探討，尤其是采用可靠性理論對含F(xiàn)EPS的消防設(shè)備供電系統(tǒng)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(shè)計中，F(xiàn)EPS應(yīng)盡量選擇集中型式，該方式的供電可靠性較高，雖然該可靠性低于分散型式，但根據(jù)消防設(shè)備所選擇的FEPS容量明顯低于分散型式，經(jīng)濟性較好。此外，F(xiàn)EPS的低壓系統(tǒng)接地型式應(yīng)選擇IT系統(tǒng)接地型式。