摘要：介紹了民用建筑電氣火災的起因和特點,結合新版《建筑設計防火規范》(GB50016-2014)討論了開閉所、變電房和配電房,柴油發電機房,消防及安防控制中心,設備機房的控制室,各類弱電機房,強弱電豎井等民用建筑電氣用房的自動滅火系統設計。

    關鍵詞：電氣火災、自動滅火系統、水噴霧滅火系統、氣體滅火系統

    1 民用建筑電氣火災簡述

    電力系統是由發電、輸電、變電、配電、用電的設備及相應的輔助系統組成的電能生產、輸送、分配、使用的統一整體。現代民用建筑電氣工程包括供配電系統(以下簡稱強電)和電子信息系統(以下簡稱弱電)。強電工程的處理對象是能源(電力),其特點是電壓高、電流大、功率大、頻率低,一般電壓等級1KV及以上的電壓即為高壓,常用低壓分為:單相電,俗稱照明電,220V;三相電:俗稱動力電,380V。弱電工程的處理對象主要是信息,即信息的傳送和控制,其特點是電壓低、電流小、功率小、頻率高,弱電的電壓等級一般在36V以下。一般來說,弱電工程包括電視工程、通信工程、消防工程、保安工程、影像工程等和為上述工程服務的綜合布線工程。

    電能使用過程中可能產生的各類故障,容易引起火災,據我國消防部門的統計,因電氣事故引起的火災約占火災總數的一半。按火災分類,物體帶電燃燒的火災屬于E類火災,《建筑滅火器配置規范》(GB50140-2005)3.1.2條條文解釋:“E類(帶電)火災:指帶電物體的火災。如發電機房、變壓器室、配電間、儀器儀表間和電子計算機房等在燃燒時仍舊帶電的火災,必須用能達到電絕緣性能要求的滅火器撲滅。對于那些僅有常規照明線路和普通照明燈具而且并無上述電氣設備的普通建筑場所,可不按E類火災的規定配置滅火器。”

    民用建筑電氣設備如發電機、變壓器、配電箱、柜和控制箱、控制臺等,主體結構一般都是金屬構架及金屬外殼,電線電纜是強、弱電電氣用房內引起火災的主要物質。塑料開關及配件、電路板等,主體多為塑料制品,這些也是電氣房間內可燃的物質。

    產生電氣火災主要原因有如下幾種:

    (1)電氣線路或設備過熱。引起電氣線路和設備過熱主要原因有:短路、過載、接觸不良、鐵芯發熱、散熱不良。

    (2)電火花和電弧。電火花大體包括工作火花和事故火花兩類,電弧則是一種氣體放電現象,是電流通過某些絕緣介質(例如空氣)所產生的瞬間火花。一般電火花和電弧的溫度都很高,特別是電弧,溫度可高達3000~6000℃,電火花和電弧不僅能引起可燃物燃燒,還能使金屬熔化、飛濺,構成危險的火源。

    (3)感應電、雷電。雷擊等過電壓的作用,電氣設備的絕緣可能遭到擊穿。由于雷電流變化梯度很大,會產生強大的交變磁場,使得周圍的金屬構件產生感應電流,這種電流可能向周圍物體放電,如附近有可燃物就會引發火災和爆炸。

    2 民用建筑電氣的火災特點

    民用建筑強、弱電系統一般為長期連續不間斷運行,電氣火災呈如下的特點。

    (1)火災隱患隱蔽性強。民用建筑電中的各類強、弱電系統的電線電纜,通常在電纜溝、吊頂、設備柜體、橋架內和線管內等處隱蔽敷設,且長期持續運行,電線電纜火災隱患的隱蔽性強,火災初期往往不易發現,等到報警系統動作時,已經形成明火并快速蔓延。

    (2)火災傳播速度快、危害大。電氣用房內電線電纜集中,一旦著火,可迅速點燃周圍的可燃物,傳播速度快,影響面大。塑料材質起火時除產生熱和煙外,也釋放出腐蝕性氣體和有毒氣體,而煙塵導電的隨機性可能引起電路故障,導致運動部件的磨損,若沉積在儲存介質如磁盤、磁帶上時,可能會產生錯誤信息。

    (3)帶電火災撲救困難。電氣設備發生火災時,為了防止觸電事故,一般都在切斷電源后才進行撲救。電源切斷后,撲救方法與一般火災撲救相同。有時在危急的情況下,如等待切斷電源后再進行撲救,就會有使火勢蔓延擴大的危險,或者斷電后會嚴重影響生產,這時為了取得撲救的主動權,撲救就需要在帶電的情況下進行。若沒有采用合適的滅火劑和正確的撲救方式,會使撲救人員觸電和損壞設備。另外發電機、油開關等電氣設備充有可燃油品,滅火的同時要注意防止油沿地面流動而引起的火災蔓延。

    3 撲救民用建筑電氣火災滅火劑的選擇

    考慮到電氣火災時電氣設備帶電的不確定性,如果使用能導電的滅火劑撲滅電氣火災,有可能造成電氣設備更大的損傷,甚至火災蔓延等更嚴重的事故,更有甚者,有可能造成滅火者的人身傷害。選擇電氣用房適用的滅火劑時,應根據該場所的特點和條件、系統的特性以及國家的相關政策確定,首先需要考慮滅火劑絕緣性能,同時也要減少滅火劑對電子設備、精密儀器設備、貴重儀器和磁介質材料信息載體的二次傷害,避免因滅火劑或自動滅火系統選擇不當,而衍生更大的事故和人員及財產損失。在一座建筑內盡量采用同一種或同一類型的滅火系統,以便維護管理,簡化系統的設計。

    電線電纜絕緣或護套材料等塑料制品引起的電氣火災,除具備E類帶電火災的特點外,還具有A類可燃固體火災的特點。發電機房、變壓器或油開關的火災,除了有E類電氣火災的特點外,還兼有B類液體火災的特性,在選擇滅火劑時,除了要考慮滅火,還要防止因油類地面流淌造成的火災蔓延。

    《建筑設計防火規范》(GB50016-2014,以下簡稱“新建規”)除第8章“消防設施的設置”對電氣用房的滅火方式進行了規定外,在5.4節“平面布置”中也有多個條款規定了電氣用房的滅火方式。“新建規”5.4.12條:“8應設置與鍋爐、變壓器、電容器和多油開關等的容量及建筑規模相適應的滅火設施,當建筑內其他部位設置自動噴水滅火系統時,應設置自動噴水滅火系統。”

    自動噴水滅火系統主要包括如下幾種形式:普通閉式自動噴水滅火系統、水噴霧滅火系統、細水霧滅火系統。消防用水因含有自由移動離子和其他一些雜質,是可以導電的。考慮到火災時,電氣設備可能斷電,也可能帶電,因此噴出大滴水珠的普通閉式自動噴水滅火系統不能用于電氣場所的火災撲救。而水噴霧滅火系統是將高壓水通過特殊構造的水霧噴頭,呈霧狀噴出,霧狀水滴的平均粒徑一般在100~700μm,水霧噴向燃燒物,通過冷卻、窒息、稀釋等作用撲滅火災。水噴霧可以撲滅帶電火災,同時也可以撲滅可燃油類的火災。因此“新建規”5.4.12條的“自動噴水滅火系統”準確講應為“水噴霧自動噴水滅火系統”。

    “新建規”8.3.9條:“下列場所應設置自動滅火系統,并宜采用氣體系統。8其他特殊重要設備室。”本條的條文說明“(2)特殊重要設備,主要指設置在重要部位和場所中,發生火災后將嚴重影響生產和生活的關鍵設備。……高層民用建筑內火災危險性大,發生火災后對生產、生活產生嚴重影響的配電室等,也屬于特殊重要設備室。”

    綜合上所述,“新建規”規定的常用于撲救電氣火災的滅火劑有:水噴霧和氣體,另外ABC干粉、超細干粉也是撲救電氣火災常用的滅火劑。撲滅電氣火災的滅火劑具體應根據電氣用房條件的差異選用。

    4 民用建筑電氣用房自動滅火方式的設計

    民用建筑強電主要用房有:10kV開閉所、變電房、配電房、柴油發電機房、設備機房控制間、強電豎井等。弱電(智能化系統)主要機房包括:消防控制室(消防值班室、消防控制中心)、安防控制中心、數據交換機房、電信機房、衛星接收及有線電視機房、有線廣播及(廳堂)擴聲機房、弱電豎井等。對于特定公共的建筑,如劇場建筑和體育建筑,電氣用房還有監控室、聲控室、投影室、硅控室、功放室、音響控制室、視頻控制室等。

    民用電氣用房多且較為分散,大多數電氣用房的面積30~50m2,強弱電豎井才幾個平方米。以下按電氣用房建筑條件的差異、可燃物的不同以及是否有人長期駐守等因素,結合“新建規”的規定,給出各類電氣用房采用滅火劑和自動滅火方式的建議。

4.1開閉所、變電房和配電房

圖1 開閉所和變、配電房照片

    開閉所和變、配電房(見圖1),相當于給水系統中的水泵房,其作用是將市電引入到建筑內,并按所需電壓和用電區域供應電。“新建規”5.4.12條提到的“變壓器”是變換電壓等級的設備,也就是把高壓變成動力、照明及其他負荷使用的電壓。變壓器的種類主要有油浸變壓器、干式變壓器和箱式變壓器,一般民用建筑用干式和箱式變壓器比較多,“電容器”是一種補償功率因素的節能設備,一般放置在配電房內。“新建規”5.4.12條和8.3.8條提到對多油開關的保護,“油開關”又叫油斷路器,是用來切斷和接通電源的,油開關油主要起滅弧的作用,分為少油型和多油型,一般用少油型斷路器,油開關主要用于高壓系統,民用建筑較少運用。由此可見,“新建規”5.4.12條就是對于民用建筑開閉所和變、配電房的自動滅火方式提出的要求。

圖2 濕式系統串聯水噴霧示意

    “新建規”8.3.9條的條文說明具體指出了高層建筑配電房設置氣體滅火的要求,而5.4.12條提到了變壓器、油開關和電容器這3類放置在民用建筑的開閉所、變電房、配電房的具體設備采用自動噴水滅火系統保護,考慮到這3類電氣用房是電源環節的不同部分,其作用類似,機房內設備可燃物性質和存放條件類似,且水噴霧和氣體滅火2種方式均能保護上述場所。根據《自動噴水滅火系統設計手冊》(以下簡稱“自噴設計手冊”)3.2.10條濕式系統可以串聯水噴霧滅火系統、細水霧滅火系統”。當采用水霧系統保護上述場所時,可采用在濕式系統中串接雨淋閥,閥后接水噴霧管網的方式,這種方式造價低,且運行可靠。見圖2所示。

    當開閉所、變電房、配電房采用水噴霧保護,并串聯到濕式系統時,這些房間應采用耐火極限不小于2h的防火墻分隔開,其門應采用耐火極限為1.2h的甲級防火門,采取這些措施是為了讓水噴霧系統和濕式系統不同時動作,按水噴霧保護區計算流量與濕式系統設計流量的大值確定合用系統的設計水量。

    按《水噴霧滅火系統設計規范》(GB50219-2014,以下簡稱“霧規”)選擇水噴霧設計參數:當保護油浸變壓器和油開關時,設計噴霧強度為20L/(min·m2),持續噴霧時間0.4h;當保護干式變壓器和配電房時,設計噴霧強度按保護電纜選項,即13L/(min·m2),持續噴霧時間0.4h。

    小結:建議開閉所、變電房、配電房的自動滅火方式優先采用串接到臨近的普通閉式自動噴水滅火系統的水噴霧自動噴水滅火系統保護,如造價和土建條件允許,也可采用氣體滅火方式保護。

    4.2柴油發電機房

    柴油發電機組主要由柴油發動機、交流發電機、油箱、控制屏、冷卻風柜等組成,而日用油箱一般單獨設置在油箱間內。“新建規”5.4.13條:“布置在民用建筑內的柴油發電機房應符合下列規定:4機房內設儲油間時,其總儲存量不應大于1m3,儲油間應采用耐火極限不低于3h的防火墻與發電機間分隔,確需在防火墻上開門時,應設置甲級防火門。”如圖3所示。

圖3 發電機房平面

    民用建筑內的柴油發電機大多用0號柴油,“新建規”5.4.13條條文解釋“需設置在建筑內的柴油設備或柴油儲罐,柴油的閃點不應低于60℃”,查規范表3.1.1可知,柴油發電機房火災危險性為丙類。

    柴油發電機房的火災,其中發電機部位主要是電氣類火災,柴油機部位和日用儲油間主要是液體火災,冷卻風柜及接出排風管處無可燃物且封閉,失火后需防護冷卻。發電機房的火災,除了有E類電氣火災的特點外,還兼有B類液體火災的特性,在選擇滅火劑時,除了要考慮滅火,還要防止因油類地面流淌造成的火災蔓延。

    “新建規”5.4.13條:“布置在民用建筑內的柴油發電機房應符合下列規定:6應設置與柴油發電機容量和建筑規模相適應的滅火設施,當建筑內其他部位設置自動噴水滅火系統時,機房內應設置自動噴水滅火系統。”根據上一節的分析,本條提到的“自動噴水滅火系統”應為水噴霧或細水霧滅火系統。

    應該說水噴霧和氣體滅火系統都適合發電機房火災類型的保護。柴油發電機因為燃燒的需要要大量補充新鮮空氣,發電機房一般都設置有大面積的新風百葉墻,見圖3所示進風百葉墻。考慮到發電機運行的需要,即使是在事故狀態下,也不宜完全關閉新風百葉,從這個角度來看,發電機房如采用氣體滅火,不得設計成全淹沒系統,而發電機一旦發生B類火災,燃燒熱值高,且燃燒猛烈,如采用局部保護系統,效果難以保證。因此在民用建筑中,當其他部位設噴淋系統保護時,柴油發電機房應采用水噴霧滅火系統保護,按圖2所示系統串聯接至同層普通濕式系統。

    日用儲油間一般面積約5m2,并采用甲級防火門與發電機分開,對日用儲油間可采用超細干粉滅火球或預制式氣體等滅火方式保護。當日用儲油間采用水噴霧保護時,宜同發電機房分設系統,并按圖4所示系統串聯接至同層普通濕式系統。   

圖4 濕式系統串聯簡易水噴霧示意

    當安放發電機的建筑沒有噴淋系統時,發電機房可采用氣體滅火,此時應考慮新風百葉墻在滅火時不關閉的因素,發電機部位采用局部保護系統保護,日用儲油間采用全淹沒系統保護,并設泄壓口。

    發電機房和日用儲油間設水噴霧系統主要是為了滅火,當然也有冷卻作用。按“霧規”選擇水噴霧設計參數:柴油發電機房用的燃料0號柴油的閃點不應低于60℃,柴油發電機房和日用儲油間的水噴霧設計噴霧強度為20L/(min·m2),持續噴霧時間0.5h。

    小結:對于民用建筑的柴油發電機房和日用儲油間宜分設滅火系統。發電機房采用水噴霧滅火系統保護;日用儲油間可采用超細干粉滅火球或預制式氣體等相對獨立的滅火方式保護,并設泄壓口。

    4.3其他電氣用房

    “新建規”除了對開閉所、變電房、配電房、發電機房4類電氣用房的自動滅火方式有規定外,對水泵房和空調機房的控制室、消防控制中心、各種弱電機房、強弱電豎井等電氣用房沒有具體的規定,考慮到這些房間發生火災后都是一定程度上“將嚴重影響生產和生活的關鍵設備”,從加強民用建筑的火災防范和保護的角度考慮,這些電氣房間都宜設置自動滅火系統。因這些電氣用房使用功能和土建條件不同,具體采用何種形式的自動滅火的方式,需要具體情況具體分析。

    4.3.1消防及安防控制中心

    消防及安防控制室(見圖5)是特別的一類電氣用房,是一棟建筑或一個小區的消防和安全防范的中心。房間一般套內面積50m2以上,安放有大量監測控制的儀器儀表和顯示器,并且24h有人值守,可燃物除了電線電纜外,還有可能有其他固體可燃物,如木質座椅等。雖然房間24h有人值守,且值守者多為進行過一定消防培訓的人員,發生火災時,可采用滅火器滅火,但考慮到滅火器的保護能力畢竟有限,宜設置自動滅火系統。

圖5 消防控制室和安防中心

    建議:消防及安防控制中心可采用在濕式系統中串接雨淋閥,閥后接水噴霧管網的方式,這種方式造價低,且運行可靠。見圖2。按“霧規”選擇水噴霧設計參數:設計噴霧強度按保護電纜選項,即13L/(min·m2),持續噴霧時間0.4h。

    4.3.2設備機房的控制室、各類弱電機房

    生活及消防水泵房的控制室、空調機房的控制室,主要是安放電源柜和機械控制柜(見圖6),主要可燃物是電纜電線,面積都在20~30m2;各類弱電機房安放有各種信息處理主機,其面積10~30m2不等,這些機房有大量電線電纜,一般無人值守。

    建議:可采用在濕式系統中串接一組電動閥,閥后接水噴霧管網的方式,當機房內火災報警系統動作,聯動打開電動閥,水霧噴頭動作噴霧。見圖4所示。

    按“霧規”選擇水噴霧設計參數:設計噴霧強度按保護電纜選項,即13L/(min·m2),持續噴霧時間0.4h。  

圖6 設備機房控制室、各類弱電機房圖7 強弱電豎井

    4.3.3強弱電豎井

    強弱電豎井(見圖7)敷設大量電線電纜,一般敷設在線槽內,火災隱患不易發現。

    建議:在豎井內設超細干粉滅火球等自動滅火器,成本低,每個滅火球帶有獨立的火災探測裝置,適合保護常年沒人值守、環境較為惡劣電氣豎井。