城市地下综合管廊工程消防应急照明直流配电设计探讨

张克隽

（北京市市政工程设计研究总院有限公司广东分院，广东广州 510000）

1 背景

白银城区地下综合管廊工程位于甘肃省白银市，全长26.25km，总投资22.38亿元，是全国第一批综合管廊试点项目，于2017年完成施工图设计，目前一期工程已经竣工投运。由7段管廊组成的综合管廊群，每段横向按功能组合为三或四个舱室，纵向沿里程按200m标准段分隔为140个防火分区；为匹配消防总线最优传输距离，共划分14个监控分控区域，受控制中心集中管控。

该工程消防应急照明和疏散指示系统为集中控制型，与管廊集中型火灾自动报警器的保护范围一致；共设14台应急照明控制器在不同分控室；设1台应急照明控制器在控制中心，对其余控制器集中控制。

各防火分区各舱所有灯具组成同一回路。灯具采用LED光源，是被普遍认为光效高且节能的设备；设计应急照明灯具功率统一为5W，吸顶安装；设计疏散指示灯具功率统一为1W，布置在应急照明灯具位置下方通道侧壁；要求灯具均有通信接口，与控制器实时通信。

设计集中电源为灯具供电，安装在每个防火分区的设备夹层内，主电源是AC220V消防电源专用回路，备用电源为内置的蓄电池；主电源与蓄电池经内部转换后，由应急照明分配电装置分回路直流配电至灯具。

以四舱的大断面尺寸，以200m标准段综合管廊及附属逃生节点为例，设计每台集中电源分为4回路，每回配接应急照明灯具11只、疏散指示灯具14只，计0.3kW；供电回路与通信回路分开且沿同路径敷设，工作电压在24V。

2019年3月，《消防应急照明和疏散指示系统技术标准》颁布，关于应急照明系统的研究文献主要关注具体条文理解；对SELV直流供电线路应重点关注的电压等级、压降计算、短路电流等方面不多。因此本文结合《技术标准》相关条款与《应急照明设计与安装图集》计算方法，对该工程进一步研究与思考。

2 潮湿场所应急照明直流系统工作电压

2.1 新标准下A型集中电源型应急照明系统结构

该工程设计应急照明直流系统模型满足《技术标准》要求，如图1所示，集中电源主要器件为AC/DC恒压开关电源，将AC220V转为Udc。应急照明灯具运用LED照明技术，非线性元件LED光源受DC/DC恒流驱动器驱动。

图1 A型应急照明集中电源直流配电系统

《技术标准》第3.3.9条提议与疏散方向平行的疏散指示灯具布置间距不大于10m[1]，结合该项目回访情况，紧急情况下视觉不连续，引起人体不舒服感觉，恐降低逃生能力，因此，灯具按10m间距布置，200m标准段至少有应急照明灯具21盏，疏散指示灯具24盏，每回负荷为共计129W。

第3.3.6条对直流配电回路要求限值，根据上文应优化的设计在DC24V工作电压下的每回计算电流为5.3A，虽满足额定电流要求，但功率总和已超上限，达额定值89%。

考虑第3.6节明确应急照明灯具为非持续型灯具，平时状态不亮，应急状态下点亮；疏散指示灯具为持续型灯具，平时状态节电点亮，应急状态恢复点亮；可将灯具分回路敷设，按功能控制到回路亦减少安装工程施工工序。第3.3.8条亦明确集中电源输出回路不超过8路，该工程最大断面为4舱，优化方案最多需要8路，其优化方向可行。

根据《常用数据》表3.25、表3.26关于同一工作电压下负荷矩、电压损失百分数、导线截面的联系，可知增大导线截面可以提高直流线路的供电能力，但照明灯具之间采用2.5mm2以上截面线路不利于施工。

另有一种优化方向即提高直流系统工作电压，第3.2.1条明确A型消防应急灯具占主导地位，其主电源和蓄电池电源额定工作电压要求不大于DC36V。该工程设计直流工作电压为DC24V，目前A型集中电源与A型灯具产品的工作电压有DC36V与DC24V两类规格。

根据设计手册，直流线路的供电能力用负荷矩衡量，如式（1）所示：

在环境温度、线路截面、允许压降确定的情况下，负荷距与电压的平方成正比。电压翻倍，负荷距增至4倍，工作电压对负荷距的影响是十分显著的。下文首先从安全性对直流配电工作电压进行分析。

2.2 安全特低电压

《技术标准》3.2.1条文说明解释采用A型灯具，其工作电压低于DC36V，属安全电压，避免火灾救援过程中发生电击事故。

安全特低电压（SELV）是防间接接触电击的措施之一，原理是降低设备工作电压[2]。

我国遵循IEC标准，交流体系下的低压配电系统工频50Hz特低电压用电设备的额定电压规定为干燥环境为48V，潮湿环境为24V，水下为12V或6V，以隔离型降压变压器作为电源与电气分隔。

《技术标准》主要起草人分析GB/T 13870.5—2016对人员电击防护接触电压阈值的规定，对消防应急灯具电击防护的安全电压做更严格的限制，得出消防应急灯具电击防护的安全电压阈值限定为DC36V[3]。

干燥环境下，直流电压36V满足安全特低电压要求；对地下综合管廊等潮湿场所，需要进一步分析。

2.3 潮湿场所直流系统安全工作电压

直流电流的心室纤维颤动阈值比交流电流高得多[4]。电压限值的确定与环境状况、电流通过的路径和电流的电流大小与持续时间有极大的关系。有关标准给出一种估算接触电压阈值的方法。以人体阻抗与电流-时间曲线的关系为基础，考虑影响人体阻抗的变化因素、影响电压阈值的其他因素等，推导出接触电压阈值-时间曲线图，确定了10s长持续时间接触电压阈值。其数据了利用5th数字，能覆盖95%以上的人口，较为合理。

地下综合管廊正常情况下为潮湿环境，最极端的情况是管廊地面被水覆盖，考虑水湿润与水淹没两种情况，可触及导电零件的面积可包括大（整只手）、中（掌心接触）、小（手指接触）三种情况。

结合操作电器相关动作，对应可能的触电路径主要选取左手至脚、双手至脚、手至手的情况。左手至脚人体内电阻的百分率为74.4%，双手至脚人体内电阻的百分率为50.65%，由双手至脚电流通路人体内电阻估算左手至脚电流通路人体内电阻，Rlh-f=因电流通路左手至脚与双手至脚的心脏电流因素F均为1[2]，则左手至脚的接触电压为双手至脚的1.47倍。整理得出地下综合管廊环境下各级直流电压阈值，如表1所示，DC36V在极端情况，可能使人员发生强烈的不自觉肌肉收缩反应；水淹没的情况下不能引起心室纤维性颤动。因此DC36V是可应用于地下综合管廊工程应急照明直流配电系统的安全电压。

表1 市政地下空间工程环境下讨论的直流电压阈值

《技术标准》另要求设置在隧道、潮湿场所的灯具及其连接附件的防护等级不低于IP65，意在降低水介质使设备外壳发生导电现象的可能。

3 直流线路电压损失计算

理想情况下，负载为恒功率工作方式，根据欧姆定律，在线路上有电压损失。图集提出的简化计算法将沿线路均匀分布的全部负荷nP0等效在线路全长l线路末端，计算的结果偏大[5]，下文另提出2种计算法。

3.1 线路电压损失允许值

《技术标准》没有对末端灯具电压偏差的规定，图集提到灯具端子处的直流电压偏差允许值为±20%，分析负荷特性，LED灯具由灯珠混联而成，选用较多的1W大功率LED光源，正向导通压降典型值Uf=3.42V，使用LED时，为降低LED的发热，延长使用寿命，减少光衰现象，用300mA的恒流驱动，允许电压在2.79～3.99V浮动。LED驱动电路技术允许宽范围输入电压，消防应急灯具产品输入电压上下限为±20%仍能达到发光效能且安全。

3.2 精细计算法

设某一回路n盏灯具等距布置，每一间距直流线路电阻为R0，长度为l0，电压降为ΔUk（k=1，2，3，…，n）。

设工作在恒功率模式下的每盏灯具功率为P0，最末段长度L0的线路电压降第n-1段长度L0的线路电压降递推至第1段线路电压降该回路直流线路电压降：

根据电压降限值要求Un≥0.8U，得出：

精细计算法只需要代入导线电阻率、等间距l0分布的功率P0，得出电压降百分数的上下限，更为准确。

3.3 迭代计算法

如图2所示，已知供电点电压为Udc和各负荷节点的功率P0，确定各负荷点的电压与功率分布，通过迭代计算可满足一定精度。

图2 直流回路及其等值电路

第一步，从电源点最远的节点n开始，利用线路额定电压，逆着功率传送的方向依次计算各段线路阻抗的功率损耗与分布，对于第n段线路，对于第n-1段线路，直至算出第1段线路的功率P′1，即电源点发出功率。

第二步，利用上步求得的功率分布，从电源点开始，顺着功率传送方向，依次计算各段线路的电压降，求出各节点电压。

以上两步即完成第一轮计算，为了提高计算精度，可重复计算，之后的第一步可以利用上一轮第二步求得的节点电压。

该方法计算公式很简单，尤其是工程设计工作采用Excel表格迭代3次即可收敛，准确度高，十分实用。

采用以上三种电压降计算法，得出该工程优化方案电压降分别为24.63%、12.93%～16.1%、14.55%，简化精细计算结果误差较大，迭代计算结果在精细计算法得出的范围之内较为准确。

4 熔断器保护

分配电装置产品输出回路带6A熔断器，36V工作电压下该工程每回路预期短路电流为10.9A。

《技术标准》认为，应急照明系统采用安全电压供电，即使线路对地故障，不能对人体造成电击危险；紧急情况下，即使出现对地故障，系统仍然保持工作状态。查询某6A熔断器熔断时间-电流特性曲线可知，6A熔断器动作时间在1.5h以上，大于系统的持续工作时间。

5 结语

本文介绍了综合管廊应急照明直流配电系统的设置，从工作电压、线路电压降计算方法、LED照明原理等方面进行了阐述。设计的重点是把握直流线路供电负荷矩与工作电压、线芯截面、压降损耗、负荷特性的关性。相关设计人员应在充分理解技术标准的前提下，结合地下综合管廊环境情况，选择合适的灯具、供电方式及控制方式，提升综合管廊建设工程运维可靠性。