李张源 张 军，2

（1.泰国格乐大学国际学院工程技术管理系，泰国 曼谷 10220；2.滨州学院山东省黄河三角洲生态环境重点实验室，山东 滨州 256603）

0 引言

随着中国城市化进程的逐步推进，城市人口聚集效应加剧，城市内土地资源越来越紧张[1]。为提高土地使用率，采用超高层建筑成了城市解决土地危机最直接的方法，在一定程度上缓解城市的土地紧张问题。但是，超高层建筑中人员密集，商业、经济高度集中，各类型电气设备设施大量应用，其电气火灾也不容忽视[2-3]。超高层建筑的特殊性，影响超高层建筑的电气防火设计需要多个专业与系统通力配合，不仅需要确保各消防系统的可靠运行，也需要保障超高层建筑的安全用电需求。因此超高层建筑的电气防火设计，对高层建筑内的供电保障、消防应急照明、预警系统与应急预案都提出更高的要求[4-5]，使超高层建筑电气防火更科学是超高层建筑建设必须解决的问题。

由于超高层建筑及其电气防火的特殊性，因此该文以中国某超高层建筑为例，设计超高层建筑电气防火方案，并针对工程实践过程中所存在的问题，提出有针对性的建议，也为同类型超高层建筑的的电气防火设计提供借鉴。

1 超高层建筑电气火灾分析

在进行具体的超高层建筑防火设计前，先通过相关文献调研，了解相关领域的研究现状，为该文后续的研究打好理论基础。

1.1 电气火灾原理

电气火灾发生机理可归纳为电接触、弧光放电和电发热3种认证理论。

1.1.1 电接触理论

导体与导体、导体与元器件的接触点，因为短路电流高温熔化，接触电阻减少，短路回路导通，短路电流增大[6]。由于线路界面过小、断路器整定值过大等原因，因此，当短路保护电气动作时间过长时，短路电路接触产生高温，导致电路绝缘层等可燃物燃烧，引发电气火灾。

1.1.2 弧光放电理论

当导体接入电路或者从电路断开时，如果电路电压超20V，被断开电流超过0.25 A，就会在弧隙差中产生一团强光、高温气体（即电弧）。

空气的击穿场强为30 kV/cm，超高层建筑中的电路电压一般在400 V 以下[7]，正常情况下是不会产生空气间隙击穿导电的，但是在电路短路时，只需要电路电压超过12V，电流超过0.2A，就会产生足以产生局部击穿场强的高压，而产生电弧，并因为大量产热而造成电气火灾。

1.1.3 电发热理论

电气元件与电路都存在电阻，导致通电过程的损耗。而其中损耗的能源就有可能转换为热能，提高电气元件和电路的温度。当温度超过一定范围后，就会破坏绝缘强度，甚至产生巨大热效应与磁效应。当这些热能超过限定值时，导体温度上升，并导致可燃物燃烧。

1.2 建筑电气火灾的原因

建筑中由于电气故障所导致火灾的具体原因包括3 个方面[8]。

1.2.1 电路短路导致火灾

电路短路是导致电气火灾最常见的原因之一，建筑中由于电路老化，导致电路短路故障，进而导致电气火灾的概率非常高。这是由于电路短路回路的电流急速增加，在该过程中将产生大量热量，线路绝缘层等可燃物燃烧，由此产生建筑安全隐患。单相电路短路示意如图1 所示。

图1 单相电路短路示意图

在正常回路中，回路电流：I=U/（R+r），在回路短路后，相当于负载电阻被移除回路，使回路的电阻值急剧减少，此时回路电路：Id=U/r，由于r<>I。一般情况下，电路短路后的电流将增加数十倍，由此所产生的高温，将导致线路绝缘层等可燃物燃烧，从而导致建筑火灾。

1.2.2 接触不良导致火灾

电路回路是由相应导电元件构成的，元件间通过机械接触进行导电（电接触），也由此产生接触电阻，导电元件接触发热示意图如图2 所示。

图2 导电元件电接触发热示意图

式中：R 为负载电阻，r 为接触电阻。根据电热公式，计算电路的发热量QD，如公式（1）所示。

根据公式（1），计算QD对r的导数式，如公式（2）所示。

由公式（2）可知，当接触电阻与负载电阻相同时，电路发热量达到最高。通常状况下，电路中的负载电阻要明显大于接触电阻（即（R-r）>0）。因此，当线路中出现接触不良，导致接触电阻增大时，电路发热量会相应增大，从而引燃线路绝缘物德国材料，造成火灾事故。

1.2.3 线路漏电导致火灾

线路绝缘体由于老化等因素，线路绝缘体的绝缘性能下降，线路电流向外部泄露，电流流入接地物，产生电弧引发火灾。

图3 中，L1～L3 为火线，N为零线，If为漏电电流。当线路漏电时，除了漏电电弧产生火花，产生电气火灾威胁外，也会由于线路短路故障，产生电气火灾。

图3 线路漏电示意图

1.3 超高层电气火灾特点

超高层建筑电气火灾的灭火救援工作非常困难，主要包括以下两个方面：一方面，超高层建筑的电梯井、电缆井等竖向井道，在火灾发生时容易形成烟仓效应，极易引发火灾的快速扩散；另一方面，超高层建筑内的人员集中，垂直疏散距离长，增加了人员疏散难度；此外，可用于超高层建筑消防的外部救援设备。因此，超高层电气火灾只能通过消防系统进行防治。

2 超高层建筑电气防火案例设计

通过确定研究架构，选定合适的研究方法，选用实用的研究工具，确定该文的具体研究流程，制定研究方案。

2.1 案例对象分析

该文选用中国湖北省武汉市市某具体的超高层建筑作为研究对象，研究该超高层建筑的电气防火方案。该文选定的超高层建筑位于武汉市武昌区，建筑总面积29 万m2，建筑包括地下4 层，和两组分别为43 层公寓和49 层办公的塔楼，建筑最高205m，地下1 层为购物区，地下2、3、4 层为停车场。按照防火规范，该建筑楼为一类高层。

案例建筑集公寓住宅、办公、商业于一体，照明设备、自动扶梯、中央空调等用电设备大量使用，用电总负荷超2万kW·h。一方面，根据电发热理论，即使其中只有少部分电能转换为热能，也可能导致局部过热而导致火灾发生；另一方面，在导体接入电路或者从电路断开时，也存在因为局部击穿场强高压，产生电弧，并大量产热而造成电气火灾。同时，建筑内供电线路总长数十千米，集肤效应损耗和热阻线损现象明显，且住户、商家用电设备繁杂，供电线路管理困难，一旦出现线路短路情况，就容易因为短路电流产生高温，导致电路绝缘层等可燃物燃烧，引发电气火灾。

一旦在高层建筑内产生电气火灾，由于超高层建筑的特点，其电气火灾的灭火救援非常困难。一方面，超高层建筑的电梯井、电缆井等竖向井道，在火灾发生时容易形成烟仓效应，极易导致火势快速蔓延；另一方面，超高层建筑内的人员集中，垂直疏散距离长，极大加剧人员疏散难度；此外，可用于超高层建筑消防的外部救援设备。因此，超高层电气火灾只能通过自身消防系统进行防治。

由于超高层电气火灾发生的突发性，及其巨大的火灾救援难度，因此超高层的电气防火设计应该严格遵循《高层民用建筑设计防火规范》（GB 50045-95）中“预防为主，防消结合”的工作方针，基于超高层建筑电气火灾的原因及其特点，以“自防自救”为目标，从超高层的整体设计出发，设计相应的消防系统。

由于超高层建筑内的人员密度大，且有大量电器，导致超高层建筑火灾的辐射范围广、蔓延途径多，外力对超高层建筑电气火灾的控制难度较大。而且，世界最高的消防登高梯也只有100 m，即超高层电气火灾的外部救援难度大，为此超高层建筑的电气防火设计应该“以预防为主，防患于未然”，要求超高层建筑通过内部消防系统就可以迅速地控制火势。

2.2 电气防火总体设计

在负一楼西南角布设一个200m2的消防控制室与150m2的应急备用电源室。消防控制室用于监控超高层所有主要电路的安全情况，并负责超高层所有电气火灾的监控，以及消防设备/设施的联动；应急备用电源室负责在火灾发生时，作为应急备用电源为疏散照明、防烟排烟、防火门等消防子系统提供电源。

超高层电气防火的总体设计如图4 所示。

图4 超高层电气防火总体设计

在超高层的电气防火中，由消防控制室负责对建筑内主要电器的用电安全与电路安全进行检控，及时进行电气火灾预报。在通过烟感探测器、温度探测器检测到建筑物内火灾时，及时启动应急备用电源，并通过应急备用电路与消防通信网，与消火栓等消防设备/设施联动，引导人员撤离，隔离并迅速扑灭电气火灾。

防火系统及其相关设备设施的总体设计情况见表1。

表1 防火系统及相关设备设施

2.3 应急电源监控设计

正常供电电源中断后，应急电源应在 1.5 h 内保证应急备用照明的照度，并保证持续供电时间不小于60min。为保证电气火灾发生后，超高层建筑内的消防设备得到可靠供电，需要配置应急电源监控系统，以保证因为日常使用频率不高，所导致的管理和维护过程的疏忽。

应急电源监控系统通过设置多种信号传感器，实现消防设备电源状态的实时监控，反馈消防设备电源工作状态，自动判断是否存在短路、开路等故障，确保消防系统的可靠性，其具体工作流程设计如图5 所示。

图5 应急电源监控系统设计

消防设备供电电源与控制室之间采用RYSJ-2*1.5 进行通信，采用BYJ-2*2.5 供电，实时监控各主备回路的电流、开闭状态，以判断应急电源会否存在故障。

2.4 自动报警系统设计

采用烟感、温感火灾探测器，在火灾初期及时监测超高层建筑内的电气火灾，以降低电气火灾带来的巨大损失。

区域内的烟感、温感火灾探测器的设置数量计算如公式（3）所示。

式中：S为探测面积，A为探测器保护面积，K为修正参数，根据超高层建筑内不用区域的人员密度情况选择适当的修正参数。一般而言，容纳500～2000 人的建筑内区域内取值0.9～1.0，2000 人以上的建筑内区域取值0.8～0.9。

烟感、温感火灾探测器除了可以自动进行电气火灾的声光报警外，还通过网络在消防控制室内设置自动报警主机，对超高层建筑内布设的所有探测器进行火灾报警集中控制。

楼层内的电气火灾探测器布设情况如图6 所示。

图6 电气火灾探测器布设

2.5 应急备用照明设计

2.5.1 备用照明灯具设置

在监控机房、消防电梯机房、消防控制机房、发电机房等重要区域设置火灾备用照明，以保证电气火灾发生时，高层建筑内部消防系统的正常运行。

2.5.2 火灾疏散指示标志设置

在疏散通道、前室出口、楼梯间等设置火灾疏散指示灯。其中，整个建筑（包括公寓住宅、商场与办公区域）疏散通道的标志照度大于1.0 1x，楼梯间等区域的标志照度大于5.01x；商场内的营业厅、餐厅等区域的标志照度大于3.01x。

2.6 联动控制系统设计

在自动报警主机接收到火灾自动报警后，根据预定程序，首先切断非消防用电线路，强制启动应急照明；然后，自动喷洒、消火栓泵自动控制启动，并接受其反馈信息，控制相关层正压送风与排烟。

在消防控制室自动报警主机的集中控制下，联动控制系统的具体设计如下。

2.6.1 消火栓联动控制

采用8 根1.5 mm2铜芯软导线，连接消火栓泵与自动报警主机。自动报警主机在接收到火灾报警后，对消火栓的启动、运行、压力开关状态进行远程自动控制，实现消火栓与超高层建筑内其他消火装置的联动。

2.6.2 自动喷水灭火系统联动控制

报警阀压力动作信号直接控制设备的启动，同时通过8根1.5 mm2铜芯软导线，连接消火栓泵与自动报警主机，接受自动报警主机的远程控制启动，实现自动喷水灭火系统与其他消火装置的联动。

2.6.3 防烟排烟系统联动控制

当发生火灾时，防火分区内的加压送风口附近的火灾探测器发出联动触发信号，由控制器启动相应楼层送风口和加压送风机，加压送风口和加压送风机动作信号均反馈至消防控制器。

消防联动控制器上采用总线线路（4 根1.5 mm2线径铜芯软导线）控制送风口、排烟口（窗）（阀）的打开或密闭。在消防控制室采用专用线路（8 根1.5 mm2线径铜芯软导线）控制防烟风机、排烟风机等设备的启动或停止。

2.6.4 防火门联动控制

发生火灾时，防火分区内的感烟火灾探测器报警发出联动触发信号，联动现场的防火卷帘控制器。防火卷帘控制器控制防火卷帘下降至距楼板面1.8m 处，以方便人员从此处疏散逃离，之后控制防火卷帘下降到楼板面，关闭疏散通道。

2.6.5 应急疏散照明指示系统联动控制

除地下负一楼的集中应急备用电源外，超高层建筑的应急照明灯具均自带蓄电池组，供电时间大于60 min，电源转换时间小于5 s，平时由两路220 V 电压电源供电，蓄电池处于浮充状态，发生火灾时，由消防联动控制器（设于消防控制室）切断其两路供电电源，蓄电池组作为第三路备用电源自动投入使用，点亮照明灯具。

火灾确认后，从发生火灾所在的报警区域开始，按楼层远近，和防火分区的远近，这样依次自动启动建筑物内设于疏散通道上所有的消防应急疏散照明，应急疏散照明全部点亮的时间小于5s。

3 结语

由于超高层建筑土地利用率极高，因此在我国城镇化进程中发挥了巨大的作用。同时，超高层建筑中人员密集，商业、经济高度集中，各类型电气设备设施大量应用，其电气火灾风险也不容忽视。该文以国内某超高层建筑为例进行研究，不仅是超高层建筑电气防火研究的一次新的尝试，同时也为国内超高层建筑的电气防火设计提供借鉴。