消防水泵配电控制系统可靠性分析

　　消防水泵(简称消防泵)是指室外消火栓系统加压泵(简称室外消火栓泵)、室内消火栓系统加压泵(简称消火栓泵)和喷淋系统加压泵(简称喷淋泵)。消防水泵是最重要的灭火设备之一。确保对消防泵的可靠供电和控制是确保火灾时消防水泵可靠工作基础之一。笔者想通过对自己多年设计的总结和对相关规范的理解，来分析消防水泵配电控制系统可靠性。
　　 1 供电系统可靠性
　　1.1 负荷等级
　　根据《建筑设计防火规范》(GB50016-2006，以下简称《建规》)第11.1.1条、《高层民用建筑设计防火规范》(GB50045-95/2005版，以下简称《高规》)第9.1.1条和《汽车库修车库停车场设计防火规范》(GB50067-97，以下简称《汽车库规范》)第9.0.1条规定，除粮食仓库及粮食筒仓工作塔外，建筑高度大于50m的乙丙类厂房和丙类仓库、Ⅰ类汽车库以及一类高层建筑的消防泵为一级负荷;室外消防用水量大于30L/s的工厂、仓库、室外消防用水量大于的可燃材料堆场可燃气体储罐(区)和甲乙类液体储罐(区)、座位数超过1500个的电影院、剧院、座位数超3000个的体育馆、任意一层建筑面积大于3000m2的商店、展览建筑、省(市)级及以上的广播电视大楼、电信大楼和财贸金融楼、室外消防用水量大于25L/s的其他公共建筑、Ⅱ、Ⅲ类汽车库和Ⅰ类修车库以及二类高层建筑的消防泵为二级负荷;其它建筑的消防水泵为三级负荷。
　　1.2 供电电源
　　按《供配电系统计规范》(GB50052-2009)第3.0.2和3.0.7的规定，一级负荷应由双重电源供电，当一电源发生故障时，另一电源不应同时受到损坏，二级负荷宜由两回路供电，在负荷较小或地区供电条件困难时，可由一回6kV及以上专用的架空线路供电。笔者对此条的理解是：①为满足不同负荷等级用电设备供电可靠性要求，一级负荷强调的是电源和线路的可靠性，二级负荷强调的是线路的可靠性，不强调电源的可靠性;②‘当一电源发生故障时’应包含线缆或设备检修时，另一电源和线路不受影响，正常供电。因此，电源和线路均是相对用户而言的，对于用户为配电变压器(通常为10kV/0.4kV配电变压器)，变电站的降压电力变压器则为电源，对于用户为消防水泵，则配电变压器或自备发电机则为电源。对一级负荷的消防水泵，应有2路相对独立的10kV电源和线路通过2台相对独立的配电变压器，或1路市电和自备发电机组，才能满足供电电源可靠性的要求;对二级负荷的消防水泵，只需要1个10kV电源，由2路独立的电缆回路或1路架空线回路，通过2台相对独立的配电变压器，即满足要求。若无法满足2路独立的电缆回路或1路架空线回路或2台相对独立的配电变压器，则应设自备发电机组，才能满足规范要求，当然，这样的设置已高于二级负荷供电可靠性要求。本文特别强调‘2台相对独立的配电变压器’，是因为尽管配电变压器出现故障和检修的概率比较低，但它是配电回路中一个必不可少的组成部分。对三级负荷的消防水泵，供电电源无要求。
　　1.3 供电线路
　　消防设备供电线路由配电设备、保护电器、线缆等组成，对配电设备、保护电器的要求，在我国的规范里均有比较明确的要求，本文重点讨论线缆的防火性能对供电可靠性的影响。对消防水泵供电线缆的防火性能则应根据消防水泵的工作特点来确定。
　　首先是消防水泵的连续工作时间。在《建规》第11.1.6条和《高规》第9.1.4条均明确：消防用电设备的配电线路应满足火灾时连续供电的需要，却没有规定连续供电的时间。因此，设计时必须要确定消防水泵连续工作的最短时间，以便于确定供电线缆和敷设方式。按《建规》第8.6.3条和《高规》第7.3.3条的要求，多层民用建筑火灾延续时间均为2小时，高层民用建筑，除商业楼、展览楼、综合楼、重要的档案楼、科研楼、高级旅馆和一类高层建筑的财贸金融楼、图书馆、书库的火灾延时时间为3小时外，其它的火灾延续时间为2小时，同时还规定：自动喷水灭火系统可按火灾延续时间1小时计算。即消火栓泵的连续工作时间不得小于2小时和3小时，喷淋泵的连续工作时间不得小于1小时，对消火栓泵供电线路必须保证连续供电2小时和3小时，对喷淋泵供电线路必须保证连续供电2小时。因此，消防水泵供电线路也需保证耐火时间不小于火灾延续时间。
　　其次是供电线缆的选择和敷设(保护)。现行《高规》和《建规》对消防设备供电线缆的选用无明确规定，选用普通线缆采用一定的保护措施即可。《民规》第13.10.4条对民用建筑有较为明确的规定，即按火灾自动报警系统保护对象分级原则确定线缆的选用。对特级保护对象的消防水泵供电线缆，采用矿物绝缘电缆，无需采用任何防火保护措施即能完全满足3小时火灾延续时间连续供电的要求，更多高层建筑为一级保护对象，其消防水泵连续供电时间仍需满足3小时的要求，采用有机绝缘耐火电缆要达到3小时火灾延续时间连续供电的耐火要求是困难的。通常情况下，消防水泵的功率比较大，供电线缆截面都不会小于10mm2，其保护管的管径不会小于40mm，且不宜长距离暗敷，主要采用电缆沟、耐火线槽内敷设或穿管明敷。采用电缆沟敷设，比较容易满足满足耐火时间要求，当采用Ⅰ级耐火线槽敷设时，普通有机绝缘线缆的耐火时间为60分钟，Ⅱ级和Ⅲ级分别为45分钟和30分钟，均不能满足3小时的耐火要求。当采用Ⅰ级耐火线槽保护有机绝缘A级阻燃耐火电缆时，电缆的耐火时间为90分钟，总的耐火时间为150分钟，不能满足180分钟要求。当采用外壁应涂刷防火涂料金属管保护明敷时，因防火涂料的种类、涂刷施工过程及质量均无法保证，很难满足3小时的耐火要求。因此，选用有机绝缘A级阻燃耐火线缆对消防水泵供电是最低要求，而是否满足连续供电要求还要视敷设方式确定。对于要求满足火灾延续时间不小于3小时的消防水泵供电电缆，应采用矿物绝缘耐火电缆。
1.4 末端自动切换
　　《建规》第11.1.5条、《高规》第9.1.2条和《汽车库规范》第9.0.2条均规定：消防水泵应在其配电线路的最末一级配电箱处设置自动切换装置。对此规定，看似很明确，其实不然。(1)对一级、二级负荷的消防水泵，其要求是毫无异议的，但三级负荷的消防水泵是否也必须满足‘最末一级配电箱处设置自动切换装置’的要求值得商榷，笔者认为，既然确定为三级负荷，说明建筑的规模、重要性以及发生火灾后的扑救难度以及造成的损失和影响均较小，只要满足一定的可靠性即可，不必末端切换(见图1)。(2)满足‘最末一级配电箱处设置自动切换装置’要求的供电系统就一定比未按要求设置的配电系统供电可靠性高?结论是否定的。我们知道，配电级数越少，供电可靠性越高，满足‘最末一级配电箱处设置自动切换装置’要求的前提是配电系统必须要有末级配电，就仅有2台消防水泵，一用一备的情况时，不设末端配电箱，采用变电所放射式对每台水泵供电，减少一级配电，电源切换在变电所完成，减少一次电源转换，系统更简单，因配电系统发生故障而中断供电的概率更低，供电更可靠，投资也更省(见图2)。当有多组消防水泵或泵的台数较多时，从经济的角度考虑，从变电所低压配电柜一对一放射式对每台水泵供电是不合适的，应设置有电源自动转换功能的最末一级配电箱(如图3和4所示)，是目前最常用的末端配电箱切换系统图，此系统最大的问题就是所有水泵均接于一段母线，当一台断路器出线故障需要更换或维修维护时，所有水泵均处于失电状态，安全隐患大。图5是图4系统的改良，将一段母线分为二段，将主泵和备泵分别接至不同的母线段，因此克服了图4系统的不足，可靠性有较大的提高，而付出的代价仅仅是设置2台隔离开关。根据已建成工程运行情况，消防水泵供电回路发生故障最多的是自动切换装置，对特别重要工程的消防泵，如超高层建筑的消防转输泵，系统设计时应克服自动切换装置可靠性较低的问题，笔者提供一套方案供大家参考(如图5)，即双切换装置并列运行，当检修或更换其中一台自动切换装置时，不会中断供电。
　　2 控制系统可靠性
　　控制系统的可靠性是消防水泵是否可靠工作的最后一环。每台水泵的控制系统均有成熟可靠的方案，本文主要讨论以下两个问题。
　　2.1 主回路可靠性
　　要保证主回路可靠，首先每台水泵应有独立可靠的隔离电器、短路保护电器、控制电气等电气元件，其次，每台主回路之间应相互隔离，以保证运行、维护、检修、故障等任何状况时都不会相互影响。在现有的设计中，为“节约”，常常把一用一备两台水泵的所有控制元件安装于一台控制柜(箱)内，特别是水泵功率不大时，这可能带来一台水泵控制系统故、障检修时，另一台也会断电，否则就会给检修维护人员带来安全隐患(如图3中的控制箱)。因此主备泵的主回路必须有相互独立的控制箱、柜或小室。
　　2.2 控制回路可靠性
　　消防水泵的控制系统到目前已非常成熟、经典，但对控制电源的可靠性重视不够，《通用用电设备配电设计规范》(GB50055-2011)已提出了明确的要求。笔者认为做到以下几点可有效提高控制电源可靠性。①每台水泵应有相互独立的控制电源及保护和隔离电器，避免控制回路故障、检修、维护时对其它控制回路造成影响，保证正常状态;②消火栓启泵按钮或喷淋泵压力开关启泵信号控制电源应与水泵控制电源相互独立，以保证消火栓启泵按钮线缆或喷淋泵压力开关启泵线路短路、电源故障时，消防控制室能够正常启动每台水泵;③所有控制回路均应由隔离变压器供电，即局部IT电源系统，保证发生控制系统接地故障时，不影响水泵正常启动和运行;④控制电源宜接自不同相序(如图7和用8)，避免可能出现的局部缺相或低电压带来的所有控制电源瘫痪。最后，还应考虑到，当水泵运行中，如果出现较大电压波动(低于接触器线圈释放电压)或主备用电源转换时(特别是市电与自备发电机供电转换时)，均会有短时的欠压或失压，特别是供电系统电源转换时，所有控制元件均会失电，所有水泵可能同时停运，给灭火工作带来较大影响。电源恢复正常后，需逐台手动启动水泵，会耽误宝贵的灭火时间，若所有水泵处于自动启动状态是，可能所有水泵同时得电启动，对配电系统造成较大冲击，甚至可能造成保护电器动作或发电机组停车。因此，对特别重要工程的消防泵，采用不间断电源或直流电源作控制电源，毫无疑问是最可靠的，详细的控制原理图不在本文中进行讨论。
　　3 结束语
　　消防水泵可靠运行，必须由供电电源、供电线路、控制系统可靠来保证。设计时应根据建筑类别、防火等级、负荷等级等因素确定供电电源、供电线路、控制系统设计，做到可靠性与建筑相适应。