在民用建筑電氣設(shè)計中，采用蓄電池為能源的應急電源裝置(EPS)多用作應急照明系統(tǒng)供電，消防水泵、防煙及排煙風機、消防電梯等消防設(shè)備的應急電源通常采用供電部門提供的第二路電源或者自備應急電源，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、通過逆變器提供應急交流電源的大功率消防設(shè)備應急電源(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，蓄電池主要為應急照明系統(tǒng)供電。

國內(nèi)FEPS的應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，計算公式推導如下：

式中：Sk m —— 母線上的短路容量，kVA;

Qf h —— 預接負荷的無功功率，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)接地型式應選擇IT系統(tǒng)接地型式。