民用建筑电气火灾简述及电气用房自动灭火系统设计_(完整版)

摘要：介绍了民用建筑电气火灾的起因和特点,结合新版《建筑设计防火规范》(GB50016-2014)讨论了开闭所、变电房和配电房,柴油发电机房,消防及安防控制中心,设备机房的控制室,各类弱电机房,强弱电竖井等民用建筑电气用房的自动灭火系统设计。

    关键词：电气火灾、自动灭火系统、水喷雾灭火系统、气体灭火系统

    1 民用建筑电气火灾简述

    电力系统是由发电、输电、变电、配电、用电的设备及相应的辅助系统组成的电能生产、输送、分配、使用的统一整体。现代民用建筑电气工程包括供配电系统(以下简称强电)和电子信息系统(以下简称弱电)。强电工程的处理对象是能源(电力),其特点是电压高、电流大、功率大、频率低,一般电压等级1KV及以上的电压即为高压,常用低压分为:单相电,俗称照明电,220V;三相电:俗称动力电,380V。弱电工程的处理对象主要是信息,即信息的传送和控制,其特点是电压低、电流小、功率小、频率高,弱电的电压等级一般在36V以下。一般来说,弱电工程包括电视工程、通信工程、消防工程、保安工程、影像工程等和为上述工程服务的综合布线工程。

    电能使用过程中可能产生的各类故障,容易引起火灾,据我国消防部门的统计,因电气事故引起的火灾约占火灾总数的一半。按火灾分类,物体带电燃烧的火灾属于E类火灾,《建筑灭火器配置规范》(GB50140-2005)3.1.2条条文解释:“E类(带电)火灾:指带电物体的火灾。如发电机房、变压器室、配电间、仪器仪表间和电子计算机房等在燃烧时仍旧带电的火灾,必须用能达到电绝缘性能要求的灭火器扑灭。对于那些仅有常规照明线路和普通照明灯具而且并无上述电气设备的普通建筑场所,可不按E类火灾的规定配置灭火器。”

    民用建筑电气设备如发电机、变压器、配电箱、柜和控制箱、控制台等,主体结构一般都是金属构架及金属外壳,电线电缆是强、弱电电气用房内引起火灾的主要物质。塑料开关及配件、电路板等,主体多为塑料制品,这些也是电气房间内可燃的物质。

    产生电气火灾主要原因有如下几种:

    (1)电气线路或设备过热。引起电气线路和设备过热主要原因有:短路、过载、接触不良、铁芯发热、散热不良。

    (2)电火花和电弧。电火花大体包括工作火花和事故火花两类,电弧则是一种气体放电现象,是电流通过某些绝缘介质(例如空气)所产生的瞬间火花。一般电火花和电弧的温度都很高,特别是电弧,温度可高达3000~6000℃,电火花和电弧不仅能引起可燃物燃烧,还能使金属熔化、飞溅,构成危险的火源。

    (3)感应电、雷电。雷击等过电压的作用,电气设备的绝缘可能遭到击穿。由于雷电流变化梯度很大,会产生强大的交变磁场,使得周围的金属构件产生感应电流,这种电流可能向周围物体放电,如附近有可燃物就会引发火灾和爆炸。

    2 民用建筑电气的火灾特点

    民用建筑强、弱电系统一般为长期连续不间断运行,电气火灾呈如下的特点。

    (1)火灾隐患隐蔽性强。民用建筑电中的各类强、弱电系统的电线电缆,通常在电缆沟、吊顶、设备柜体、桥架内和线管内等处隐蔽敷设,且长期持续运行,电线电缆火灾隐患的隐蔽性强,火灾初期往往不易发现,等到报警系统动作时,已经形成明火并快速蔓延。

    (2)火灾传播速度快、危害大。电气用房内电线电缆集中,一旦着火,可迅速点燃周围的可燃物,传播速度快,影响面大。塑料材质起火时除产生热和烟外,也释放出腐蚀性气体和有毒气体,而烟尘导电的随机性可能引起电路故障,导致运动部件的磨损,若沉积在储存介质如磁盘、磁带上时,可能会产生错误信息。

    (3)带电火灾扑救困难。电气设备发生火灾时,为了防止触电事故,一般都在切断电源后才进行扑救。电源切断后,扑救方法与一般火灾扑救相同。有时在危急的情况下,如等待切断电源后再进行扑救,就会有使火势蔓延扩大的危险,或者断电后会严重影响生产,这时为了取得扑救的主动权,扑救就需要在带电的情况下进行。若没有采用合适的灭火剂和正确的扑救方式,会使扑救人员触电和损坏设备。另外发电机、油开关等电气设备充有可燃油品,灭火的同时要注意防止油沿地面流动而引起的火灾蔓延。

    3 扑救民用建筑电气火灾灭火剂的选择

    考虑到电气火灾时电气设备带电的不确定性,如果使用能导电的灭火剂扑灭电气火灾,有可能造成电气设备更大的损伤,甚至火灾蔓延等更严重的事故,更有甚者,有可能造成灭火者的人身伤害。选择电气用房适用的灭火剂时,应根据该场所的特点和条件、系统的特性以及国家的相关政策确定,首先需要考虑灭火剂绝缘性能,同时也要减少灭火剂对电子设备、精密仪器设备、贵重仪器和磁介质材料信息载体的二次伤害,避免因灭火剂或自动灭火系统选择不当,而衍生更大的事故和人员及财产损失。在一座建筑内尽量采用同一种或同一类型的灭火系统,以便维护管理,简化系统的设计。

    电线电缆绝缘或护套材料等塑料制品引起的电气火灾,除具备E类带电火灾的特点外,还具有A类可燃固体火灾的特点。发电机房、变压器或油开关的火灾,除了有E类电气火灾的特点外,还兼有B类液体火灾的特性,在选择灭火剂时,除了要考虑灭火,还要防止因油类地面流淌造成的火灾蔓延。

    《建筑设计防火规范》(GB50016-2014,以下简称“新建规”)除第8章“消防设施的设置”对电气用房的灭火方式进行了规定外,在5.4节“平面布置”中也有多个条款规定了电气用房的灭火方式。“新建规”5.4.12条:“8应设置与锅炉、变压器、电容器和多油开关等的容量及建筑规模相适应的灭火设施,当建筑内其他部位设置自动喷水灭火系统时,应设置自动喷水灭火系统。”

    自动喷水灭火系统主要包括如下几种形式:普通闭式自动喷水灭火系统、水喷雾灭火系统、细水雾灭火系统。消防用水因含有自由移动离子和其他一些杂质,是可以导电的。考虑到火灾时,电气设备可能断电,也可能带电,因此喷出大滴水珠的普通闭式自动喷水灭火系统不能用于电气场所的火灾扑救。而水喷雾灭火系统是将高压水通过特殊构造的水雾喷头,呈雾状喷出,雾状水滴的平均粒径一般在100~700μm,水雾喷向燃烧物,通过冷却、窒息、稀释等作用扑灭火灾。水喷雾可以扑灭带电火灾,同时也可以扑灭可燃油类的火灾。因此“新建规”5.4.12条的“自动喷水灭火系统”准确讲应为“水喷雾自动喷水灭火系统”。

    “新建规”8.3.9条:“下列场所应设置自动灭火系统,并宜采用气体系统。8其他特殊重要设备室。”本条的条文说明“(2)特殊重要设备,主要指设置在重要部位和场所中,发生火灾后将严重影响生产和生活的关键设备。……高层民用建筑内火灾危险性大,发生火灾后对生产、生活产生严重影响的配电室等,也属于特殊重要设备室。”

    综合上所述,“新建规”规定的常用于扑救电气火灾的灭火剂有:水喷雾和气体,另外ABC干粉、超细干粉也是扑救电气火灾常用的灭火剂。扑灭电气火灾的灭火剂具体应根据电气用房条件的差异选用。

    4 民用建筑电气用房自动灭火方式的设计

    民用建筑强电主要用房有:10kV开闭所、变电房、配电房、柴油发电机房、设备机房控制间、强电竖井等。弱电(智能化系统)主要机房包括:消防控制室(消防值班室、消防控制中心)、安防控制中心、数据交换机房、电信机房、卫星接收及有线电视机房、有线广播及(厅堂)扩声机房、弱电竖井等。对于特定公共的建筑,如剧场建筑和体育建筑,电气用房还有监控室、声控室、投影室、硅控室、功放室、音响控制室、视频控制室等。

    民用电气用房多且较为分散,大多数电气用房的面积30~50m2,强弱电竖井才几个平方米。以下按电气用房建筑条件的差异、可燃物的不同以及是否有人长期驻守等因素,结合“新建规”的规定,给出各类电气用房采用灭火剂和自动灭火方式的建议。

4.1开闭所、变电房和配电房

图1 开闭所和变、配电房照片

    开闭所和变、配电房(见图1),相当于给水系统中的水泵房,其作用是将市电引入到建筑内,并按所需电压和用电区域供应电。“新建规”5.4.12条提到的“变压器”是变换电压等级的设备,也就是把高压变成动力、照明及其他负荷使用的电压。变压器的种类主要有油浸变压器、干式变压器和箱式变压器,一般民用建筑用干式和箱式变压器比较多,“电容器”是一种补偿功率因素的节能设备,一般放置在配电房内。“新建规”5.4.12条和8.3.8条提到对多油开关的保护,“油开关”又叫油断路器,是用来切断和接通电源的,油开关油主要起灭弧的作用,分为少油型和多油型,一般用少油型断路器,油开关主要用于高压系统,民用建筑较少运用。由此可见,“新建规”5.4.12条就是对于民用建筑开闭所和变、配电房的自动灭火方式提出的要求。

图2 湿式系统串联水喷雾示意

    “新建规”8.3.9条的条文说明具体指出了高层建筑配电房设置气体灭火的要求,而5.4.12条提到了变压器、油开关和电容器这3类放置在民用建筑的开闭所、变电房、配电房的具体设备采用自动喷水灭火系统保护,考虑到这3类电气用房是电源环节的不同部分,其作用类似,机房内设备可燃物性质和存放条件类似,且水喷雾和气体灭火2种方式均能保护上述场所。根据《自动喷水灭火系统设计手册》(以下简称“自喷设计手册”)3.2.10条湿式系统可以串联水喷雾灭火系统、细水雾灭火系统”。当采用水雾系统保护上述场所时,可采用在湿式系统中串接雨淋阀,阀后接水喷雾管网的方式,这种方式造价低,且运行可靠。见图2所示。

    当开闭所、变电房、配电房采用水喷雾保护,并串联到湿式系统时,这些房间应采用耐火极限不小于2h的防火墙分隔开,其门应采用耐火极限为1.2h的甲级防火门,采取这些措施是为了让水喷雾系统和湿式系统不同时动作,按水喷雾保护区计算流量与湿式系统设计流量的大值确定合用系统的设计水量。

    按《水喷雾灭火系统设计规范》(GB50219-2014,以下简称“雾规”)选择水喷雾设计参数:当保护油浸变压器和油开关时,设计喷雾强度为20L/(min·m2),持续喷雾时间0.4h;当保护干式变压器和配电房时,设计喷雾强度按保护电缆选项,即13L/(min·m2),持续喷雾时间0.4h。

    小结:建议开闭所、变电房、配电房的自动灭火方式优先采用串接到临近的普通闭式自动喷水灭火系统的水喷雾自动喷水灭火系统保护,如造价和土建条件允许,也可采用气体灭火方式保护。

    4.2柴油发电机房

    柴油发电机组主要由柴油发动机、交流发电机、油箱、控制屏、冷却风柜等组成,而日用油箱一般单独设置在油箱间内。“新建规”5.4.13条:“布置在民用建筑内的柴油发电机房应符合下列规定:4机房内设储油间时,其总储存量不应大于1m3,储油间应采用耐火极限不低于3h的防火墙与发电机间分隔,确需在防火墙上开门时,应设置甲级防火门。”如图3所示。

图3 发电机房平面

    民用建筑内的柴油发电机大多用0号柴油,“新建规”5.4.13条条文解释“需设置在建筑内的柴油设备或柴油储罐,柴油的闪点不应低于60℃”,查规范表3.1.1可知,柴油发电机房火灾危险性为丙类。

    柴油发电机房的火灾,其中发电机部位主要是电气类火灾,柴油机部位和日用储油间主要是液体火灾,冷却风柜及接出排风管处无可燃物且封闭,失火后需防护冷却。发电机房的火灾,除了有E类电气火灾的特点外,还兼有B类液体火灾的特性,在选择灭火剂时,除了要考虑灭火,还要防止因油类地面流淌造成的火灾蔓延。

    “新建规”5.4.13条:“布置在民用建筑内的柴油发电机房应符合下列规定:6应设置与柴油发电机容量和建筑规模相适应的灭火设施,当建筑内其他部位设置自动喷水灭火系统时,机房内应设置自动喷水灭火系统。”根据上一节的分析,本条提到的“自动喷水灭火系统”应为水喷雾或细水雾灭火系统。

    应该说水喷雾和气体灭火系统都适合发电机房火灾类型的保护。柴油发电机因为燃烧的需要要大量补充新鲜空气,发电机房一般都设置有大面积的新风百叶墙,见图3所示进风百叶墙。考虑到发电机运行的需要,即使是在事故状态下,也不宜完全关闭新风百叶,从这个角度来看,发电机房如采用气体灭火,不得设计成全淹没系统,而发电机一旦发生B类火灾,燃烧热值高,且燃烧猛烈,如采用局部保护系统,效果难以保证。因此在民用建筑中,当其他部位设喷淋系统保护时,柴油发电机房应采用水喷雾灭火系统保护,按图2所示系统串联接至同层普通湿式系统。

    日用储油间一般面积约5m2,并采用甲级防火门与发电机分开,对日用储油间可采用超细干粉灭火球或预制式气体等灭火方式保护。当日用储油间采用水喷雾保护时,宜同发电机房分设系统,并按图4所示系统串联接至同层普通湿式系统。   

图4 湿式系统串联简易水喷雾示意

    当安放发电机的建筑没有喷淋系统时,发电机房可采用气体灭火,此时应考虑新风百叶墙在灭火时不关闭的因素,发电机部位采用局部保护系统保护,日用储油间采用全淹没系统保护,并设泄压口。

    发电机房和日用储油间设水喷雾系统主要是为了灭火,当然也有冷却作用。按“雾规”选择水喷雾设计参数:柴油发电机房用的燃料0号柴油的闪点不应低于60℃,柴油发电机房和日用储油间的水喷雾设计喷雾强度为20L/(min·m2),持续喷雾时间0.5h。

    小结:对于民用建筑的柴油发电机房和日用储油间宜分设灭火系统。发电机房采用水喷雾灭火系统保护;日用储油间可采用超细干粉灭火球或预制式气体等相对独立的灭火方式保护,并设泄压口。

    4.3其他电气用房

    “新建规”除了对开闭所、变电房、配电房、发电机房4类电气用房的自动灭火方式有规定外,对水泵房和空调机房的控制室、消防控制中心、各种弱电机房、强弱电竖井等电气用房没有具体的规定,考虑到这些房间发生火灾后都是一定程度上“将严重影响生产和生活的关键设备”,从加强民用建筑的火灾防范和保护的角度考虑,这些电气房间都宜设置自动灭火系统。因这些电气用房使用功能和土建条件不同,具体采用何种形式的自动灭火的方式,需要具体情况具体分析。

    4.3.1消防及安防控制中心

    消防及安防控制室(见图5)是特别的一类电气用房,是一栋建筑或一个小区的消防和安全防范的中心。房间一般套内面积50m2以上,安放有大量监测控制的仪器仪表和显示器,并且24h有人值守,可燃物除了电线电缆外,还有可能有其他固体可燃物,如木质座椅等。虽然房间24h有人值守,且值守者多为进行过一定消防培训的人员,发生火灾时,可采用灭火器灭火,但考虑到灭火器的保护能力毕竟有限,宜设置自动灭火系统。

图5 消防控制室和安防中心

    建议:消防及安防控制中心可采用在湿式系统中串接雨淋阀,阀后接水喷雾管网的方式,这种方式造价低,且运行可靠。见图2。按“雾规”选择水喷雾设计参数:设计喷雾强度按保护电缆选项,即13L/(min·m2),持续喷雾时间0.4h。

    4.3.2设备机房的控制室、各类弱电机房

    生活及消防水泵房的控制室、空调机房的控制室,主要是安放电源柜和机械控制柜(见图6),主要可燃物是电缆电线,面积都在20~30m2;各类弱电机房安放有各种信息处理主机,其面积10~30m2不等,这些机房有大量电线电缆,一般无人值守。

    建议:可采用在湿式系统中串接一组电动阀,阀后接水喷雾管网的方式,当机房内火灾报警系统动作,联动打开电动阀,水雾喷头动作喷雾。见图4所示。

    按“雾规”选择水喷雾设计参数:设计喷雾强度按保护电缆选项,即13L/(min·m2),持续喷雾时间0.4h。  

图6 设备机房控制室、各类弱电机房图7 强弱电竖井

    4.3.3强弱电竖井

    强弱电竖井(见图7)敷设大量电线电缆,一般敷设在线槽内,火灾隐患不易发现。

    建议:在竖井内设超细干粉灭火球等自动灭火器,成本低,每个灭火球带有独立的火灾探测装置,适合保护常年没人值守、环境较为恶劣电气竖井。