消防设备配电设计探讨

知识点：通用用电设备配电设计

消防配电历来都是建筑电气设计中一个颇有争议性的话题，多次在各地审图问答中出现。消防配电的争议主要集中在以下几个方面：

a. 消防配电线路过负荷不应切断线路，需要从哪个配电级别开始？

b. 消防配电线路需要考虑何种程度的过负荷？

c. 消防水泵、消防风机的电动机在取消了过载保护后，是否还需要考虑堵转保护？

d. 消防配电线路采用长延时和无长延时的断路器保护时，导体截面如何考虑？

1  异步电动机、消防水泵、消防风机的特性

民用建筑中，消防水泵和消防风机一般采用异步电动机来驱动，图1是典型异步电动机的特性图，反映了电磁转矩、定子电流随转速的变化。

图1  异步电动机特性图

不同类型和功率的电动机的特性是不同的，图1反映的电动机在最大转矩点时转矩为额定转矩的2. 2倍左右、转速为额定转速的80 % 左右、电流为额定电流的2. 8倍左右、功率（与转矩、转速的积成正比）为额定功率的1. 7倍左右的电动机特性。即使不考虑发热引起的设备损坏，异步电动机可稳定运行的最大运行电流在最大转矩点，远小于启动电流（堵转电流）。此时电动机转速相对额定转速有明显下降，对水泵和风机工况都会有比较大的影响。

GB 50974 - 2014《消防给水及消火栓系统技术规范》第5. 1. 6条第2款要求：消防水泵所配驱动器的功率应满足所选水泵流量扬程性能曲线上任何一点运行所需功率的要求；第5款要求：当出流量为设计流量的150 % 时，其出口压力不应低于设计工作压力的65 %。国标图集15S909《消防给水及消火栓系统技术规范图示》第30页的消防泵特性曲线要求清晰表达了规范条文的要求，如图2所示。

图2 消防泵特性曲线要求

在规范考虑消防泵的整个运行工况内，其功率均应低于电动机的功率，且即使在150 % 流量右侧的区域，流量增加后的功率与选取功率比也仅略大。GB 6245 - 2006《消防泵》第9. 8. 2条要求：流量为1. 5 Qn（Qn为额定流量）、不低于0. 65 Pn（Pn为额定压力）工况下电动机输出功率宜不超过5 % 的额定功率。可见，消防泵在选择电动机的时候不仅是按额定工况考虑的，还考虑了不利工况，即使超出规范要求的工况，功率的上升也极其有限。

消防风机一般采用离心风机或轴流式风机，后倾式离心风机（后弯叶片）、轴流式风机、前倾式离心风机在恒定转速下的性能曲线如图3 ~ 图5所示。

图3 后倾式离心风机性能曲线

图4  轴流式风机性能曲线

图5 前倾式离心风机性能曲线

风机的工作点一般在高效率区附近，如按工作点选择电动机，则在流量增大时前倾式离心风机有容易过载的风险，而轴流风机总是安全的，后倾式离心风机考虑系数后也可以满足安全要求。风机的运行点受管网系统影响，如图6所示。

图6 系统曲线和风机曲线的相互影响

对于前倾式离心风机，如果可以规定在设计时考虑风机运行工况的范围，也可以选到合适的电动机使其在运行工况区间不过载或有限度地过载。从工程实施角度，让消防风机的电动机像消防水泵电动机那样考虑不利工况下不过负荷或仅轻微过负荷也是可以实现的。

电动机选型时充分考虑运行工况，可以避免实际出现不利工况时的电动机过载。电动机稳定运行在最大转矩点右侧的稳定区内时，最大运行电流在额定电流的2. 8倍左右。当电动机运行在最大转矩点左侧的非稳定区时，转速下降明显，对水泵、风机运行效果影响大，这种情况下坚持运行的意义已经不大。而当电动机堵转时，坚持运行更是毫无意义，反而会产生其他危害。

2  消防水泵过载和堵转保护

消防水泵是一种比较重要和特殊的电动机应用。由于消防水泵长期不投入使用，容易发生水泵生锈现象，从而引起电动机过载和堵转，因此其保护也有特殊要求。国内及国际上主要标准规范规定如下：

a. GB 50055 - 2011《通用用电设备配电设计规范》第2. 3. 7条及条文说明规定：没有备用机组的消防水泵应在过载情况下坚持工作，应使过载保护动作于信号。

b. GB / T 21208 - 2007《低压开关设备和控制设备  固定式消防泵驱动器的控制器》（修改采用IEC/ TS 62091：2003，部分参考NFPA 20 - 1996）第8. 4. 4. 3条、第8. 4. 4. 4条要求：断路器额定电流不低于115 % 电动机额定电流，应提供瞬动短路保护；堵转过电流保护器应是延时型，在7. 2倍额定电流或启动电流下脱扣延时时间在8 ～ 20 s之间，在3倍电动机额定电流情况下，3 min内不脱扣；断路器及堵转过电流保护器的过电流感应元件应是电流感应型，其脱扣特性对温度不敏感，脱扣后应能立即复位运行，其后脱扣特性保持不变；不应再配置其他过电流保护器。GB / T 21208 - 2007第8. 7. 1. 1条、第8. 7. 1. 2条要求：住宅用单相消防水泵应采用可复位、反时限和不可调的脱扣器来实现过电流保护；电源保护器的额定值应不低于150 % 电动机满负荷电流，不高于250 %电动机满负荷电流；电动机堵转时在8 ～ 20 s脱扣。

c. NFPA 20 - 2019《Standard forthe Installation of Stationary Pumps for Fire Protection》第10. 4. 3条、第10. 4. 4条：断路器额定电流不低于115% 电动机额定电流，应提供瞬动保护，整定值不超过20倍的额定电流，过电流感应元件应是电流敏感型；对鼠笼电动机，堵转过电流保护器应是延时型，在堵转电流下脱扣延时时间在8 ～ 20 s之间，在最少3倍电动机额定电流下3 min不脱扣。

堵转时电动机不转动，水泵没法工作，且在短时间内会烧毁，所以上文b、c中对堵转和过载进行不同处理，均要求不再装设除短路保护与堵转保护外的其他过电流保护（过载保护），均要求装设可以切断供电电源的堵转保护，堵转保护延时时间均为8 ~ 20 s，并考虑堵转后尝试多次启动，对最少3倍电动机额定电流的保护要求3 min内不动作。在采用这种保护方式后，虽然没有装设普通电动机的过载保护，但是堵转电流持续的时间是有限制的，8 ～ 20 s动作切断电源。根据电动机机械特性，超过3倍电动机额定电流时电动机处于不稳定运行区，上述做法允许持续时间为3 min，超过3 min不保证运行。

3  消防风机过载和堵转保护

消防风机在美国标准体系中并没有得到与消防水泵同样的待遇。在NFPA 70 - 2017《National Electrical Code》中，仅有对消防水泵配电的特殊要求，没有对消防风机配电提出特殊要求，在第700节应急系统中，也没提及过负荷保护的取消。NFPA 92 - 2018《Standard for Smoke Control Systems》附录H中提到消防员烟雾控制台拥有最高控制权限，但不能旁路和越过对电气过负荷、人身安全、主系统损坏的保护。从笔者接触到的按美国要求设计的项目看，里面的烟雾控制（防排烟）需要有空调处理器和VAVBOX（变风量空调系统的末端装置）参与补风，其配电断路器与普通设备没有明显的区别。

在消防风机配电的连续性考虑方面，新加坡的规定与国内的规定更为接近，唯一的区别在于明确了对堵转电流的考核。新加坡《Fire Code 2013》提到：①应选用HRC限流熔断器和带有磁脱扣的MCCB来保护与电动机连接的电缆，过电流保护器需要承受堵转电流至不低于堵转电流引起电机绕组损坏时间的75 %；②不允许使用热过载脱扣。

国标图集16D303 - 2《常用风机控制电路图》中消防风机主元件按电动机2类配合选择，利用热继电器报警不动作切断供电。笔者认为，这里用2类配合达不到预期效果。“2型”协调配合在GB 14048. 4 - 2010《低压开关设备和控制设备第4 - 1部分：接触器和电动机起动器　机电式接触器和电动机起动器（含电动机保护器）》中除了要求短路条件下的性能（8. 2. 5. 1条），还要求了起动器和短路保护电器在交点电流（表征过载继电器和相应短路保护电器的时间 - 电流特性的平均曲线或规定曲线的交点处的电流）上的协调配合（8. 2. 5. 2条）。短路条件下的性能要求在短路情况下，允许接触器、启动器的触头熔焊，且应能继续使用，但不应危及操作人员的安全和不应损坏其他器件。而交点电流上的协调配合则是要求故障电流在交点电流附近时，保证接触器等主回路元器件在过电流后的性能。

消防风机没有像消防水泵那样要求考虑堵转后尝试多次启动，堵转保护的切断时间也没有明确，设备也没有备用，其重要性和消防水泵相比略低，建议参考GB / T 21208 - 2007中住宅用单相消防水泵的方案，采用不低于150 % 电动机满负荷电流，不高于250 % 电动机满负荷电流的反时限断路器 + 接触器 + 热继电器的做法：反时限断路器实现短路保护、堵转保护，动作于切断电源，热继电器实现过载报警或在两用风机平时运行时通过接触器切断电源。这个方案既可以实现堵转保护，又可以实现过载不切断电源报警。但保护曲线与电动机破坏曲线对比过程比较繁琐复杂，需要产品实际数据甚至要试验确认，最好由制造商给出方案，产品交由相关机构认证，设计选用通过认证的产品即可。当然，采用消防水泵过载和堵转保护的做法也是可以的，但成本会高些。

4  消防配电线路过负荷保护

配电线路的过电流保护是建筑低压配电系统必不可少的保护，一般包括短路保护和过负荷保护。短路保护的作用是电线电缆绝缘损坏后，相与相之间或相与地（或中性线）之间发生非正常连接时，切断故障回路，以减少短路电流对已故障回路及附近设备的损害，确保其他回路不受影响正常运行。过负荷保护通过将回路电流限制在超过导体最大工作电流一定范围下，使导体温度限制在超过最高工作温度的一定范围内，减少电缆电线绝缘寿命老化的速度，减少电缆在下次维护检修前故障的概率。在某些特定情况下，由于设备的运行连续性十分重要，影响到安全，配电线路发生过负荷甚至短路不进行保护切断供电是允许的或者是强制的。在这个问题上，国内及国际上主要有以下的规范条文要求：

a. GB 50054 - 2011《低压配电设计规范》第6.2. 7条、第6. 3. 6条及条文说明中指出，消防水泵、旋转电机的励磁回路、起重电磁铁的供电回路过负荷不应切断线路，旋转电机的励磁回路、起重电磁铁的供电回路允许在布线有机械保护及不靠近可燃物时可不装设短路保护。

b. GB 16895. 5 - 2012 / IEC 60364 - 4 - 43：2008《低压电气装置 第4 - 43部分：安全防护 过电流保护》第433.3. 3条、第434. 3条指出：灭火设备、旋转电机的励磁回路、起重电磁铁的供电回路过负荷允许不切断线路，短路保护也不需要。

c. NFPA 70 - 2017中消防水泵的供电作为一种特例在 695节要求。由于内容比较复杂，这里简要总结几点较为接近中国实际应用的内容：①当电源能承受大堵转电流时，过电流保护可以长期通过消防主泵的堵转电流加上辅助设备的额定电流。当堵转电流值不是一个标准的过电流保护器额定值时，可根据240. 6条选用大一级的值。②当电源能承受大堵转电流时，过电流保护6倍额定电流2 min，3倍额定电流10 min不动作。③由备用发电机供电时，过电流保护按照可以瞬时带所有消防水泵房负荷并不超过430. 62条规定只进行短路保护的电动机干线整定值。

以上条文要求均指出消防水泵（IEC中为灭火设备）供电回路的过电流保护装置在过负荷时不应切断线路。GB、IEC对过负荷电流的大小没有明确，而NFPA根据电源对大堵转电流的承受能力进行区分。

配电干线断路器的额定电流比消防水泵控制箱处的断路器“额定电流不低于115 % 电动机额定电流”大了近6倍，也比堵转过电流保护器“3倍电动机额定电流下不脱扣”大了近2倍。这种做法在NFPA 70 - 2008中已经存在，容易实现配电干线断路器和消防水泵断路器的上下级选择性，而且万一消防水泵控制箱故障不能切断堵转电流，电动机损坏后干线断路器还可以在长期承受堵转电流的情况下保证功能，并在发生短路时正常动作或人工操作切断电源。

从美国规范对消防水泵配电干线断路器的设置可以看出，配电干线是带长延时保护的，但不属于设置了过负荷保护，长延时保护整定使断路器本身不被过电流破坏，从而保证供电系统的安全性，并在可能的情况下实现上下级配合。在电源不能承受大堵转电流时，允许断路器动作切除过电流，即使电源能承受大堵转电流时，对过电流允许的大小和时间有下降的趋势。

国内的消防干线配电做法主要有2种：一种是《工程建设标准强制性条文（房屋建筑部分）实施导则》第261页中对排烟风机和消防泵主电路的断路器长延时脱扣器整定值加大至计算电流的1. 5 ~ 2倍，将过负荷保护整定放大1. 5 ～ 2倍；另一种是采用只带短路保护的断路器直接取消过负荷保护。相比之下，笔者认为不带长延时只带短路保护的断路器不能保证供电系统的安全，而长延时保护整定放大1. 5 ～ 2倍的做法对于单台设备有可能先于设备的堵转保护动作，对一用一备消防水泵的上下级配合也不好实现。

结合上文消防水泵和消防风机过载和堵转保护的分析，干线配电建议采用长延时的断路器：消防水泵干线配电保护长延时建议按电动机的3倍额定电流加上其它电流整定；消防风机干线配电保护长延时建议按1 ~ 2台最大电动机的2. 5倍额定电流加上其它电流整定。采用带长延时的断路器后，可保证断路器本体的安全，从而保证配电系统的安全不影响其它重要负荷的供电，与上级断路器的选择性配合也很容易分析比较。只要断路器的长延时满足上述条件，就可认为满足“过负荷不应切断线路”的要求。在配电变压器的低压出线断路器处，由于消防负荷的比例较少，在发生火灾时适当切除非消防负荷后断路器的长延时也容易满足“过负荷不应切断线路”的要求。

5  消防线路导体设置

NFPA 70 - 2017 695. 6条要求，为消防泵、稳压泵及相关附属设备供电的导体，其载流量不应低于消防泵、稳压泵额定电流总和的125 % 加上附属设备额定电流总和的100 %。虽然干线配电断路器的长延时整定在2 ~ 6倍，但干线导体的载流量只须1. 25倍。《工程建设标准强制性条文（房屋建筑部分）实施导则》在断路器设置长延时脱扣器整定值时按此整定值选择线、缆截面，而仅带短路瞬动保护的脱扣器时对导体载流量无要求。笔者认为，干线配电断路器的长延时不是干线导体的过负荷保护，所以也不需要按干线配电断路器的长延时选择导体的载流量。

NFPA 70 - 2017  695. 7条要求，消防水泵控制箱处的电压降在启动时不大于15 %，在115 % 额定电流时电压降不大于5 %。其对运行电压降比普通负荷要求略高一点，对启动电压降提出了要求，对保证启动转矩有一定作用。

相关推荐链接：

1、GB 50055-2011 通用用电设备配电设计规范

2、通用用电设备配电设计规范