消防终端配电箱火灾响应特性研究

(哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院,黑龙江哈尔滨15_)
摘要:针对目前配电箱内断路器在火灾热影响下，由于脱扣机构动作引起跳闸，不能保证消 防设备持续供电的问题，利用传热学理论，对实际建筑中广泛使用的低压配电箱在火灾条件下的传 热过程进行了分析，采取加装隔热板的办法降低箱内溫度，在一定程度上保护了内部电路，并依据 双金属片热弯曲理论，推导出了热脱扣机构动作力与端部位移成正比的关系.得出了消防终端设备 供电装置应该采取隔热保护措施，需增加消防负栽供电时间的结论，并且对断路器进行技术改进.

关键词：配电箱；火灾；消防负栽；断路器；脱扣机构

中图分类号：X934 文献标志码：A 文章编号：1007- 2683(2009)04- 0064- 03
i引言

低压配电箱在建筑中大量被使用，其安全性是 保障电力系统安全运行的基础环节.大型建筑物内 如果发生火灾,消防灭火设备应保证正常工作，在火
场高温的恶劣环境下，消防终端供电装置应能满足 维持消防设备持续运行的要求.一般断路器性能要 求符合GB14048. 2和GB14048.4《低压开关设备和 控制设备、低压机电式接触器和起动器》标准，即 “时间、电流特性与规定的周围空气温度有关,并且 是过载继电器在冷态条件下做出的.推荐值为20
401”，标准中还根据不同脱扣级别确定了超过规 定使用条件下的脱扣时间，最大不超过30s_以上断 路器的性能要求不能够适应火灾条件下对消防负载 的连续供电要求,整个消防终端配电系统回路中，配 电箱一般不采取防火措施，一旦装配区域受到明火 或高温烟气的影响，配电箱则不能在火场初期消防 自救时的高温恶劣环境下正常工作.如何采取措施 保证配电箱及内部断路器的可靠工作，提供充足的 消防设备供电时间，是一个值得思考的问题.本文从 消防配电箱防护和改进内部断路器两方面进行研 究，证明了在建筑消防系统设计时，对消防负载配电 箱采取一定的隔热措施，并且对断路器采取技术改 进，可以减少火灾条件下高温烟气对消防终端设备 配电箱的影响,保证消防设备供电回路正常运行，是 消防设备可靠供电的有效措施.

1火灾环境下配电箱的热响应分析

对于构件的耐火性研究,传统上采用标准的温 度曲线进行试验环境加温⑴，对构件的温度升高和 耐火时间进行测定.可是构件处于实际火灾条件下 与在标准试验炉中经受的情况往往存在很大差 别[2]，另外目前主要集中于对电器开关、电线电缆 等具体构件进行耐火实验,并制定了相关行业 规范+6]，而对消防终端配电箱在火灾环境下的响 应特征还没有深入研究.普通配电箱是由钢板压制 成型的，箱体的热传导性能很好，内部断路器等电气 元件被封闭在一个高温热环境中，很难保证其安全 可靠地供电，因此消防终端配电箱应该进行隔热保 护设计.已经有设计院对消防负载配电箱的箱体进 行了耐火设计,由于建筑消防设计时已经考虑到配 电箱的安装位置应该没有易燃物，因此发生火灾是 由于高温烟气的对流和辐射,使得箱体外表面温度 升高造成的.设箱体外表面温度条件为270T ,对消 防终端配电箱采取双层钢板内衬厚度为20mm的隔 热板处理，对其热响应特性进行分析.

如上所述,热传导是由箱体外壳到内部热传递 的主要途径，认为热传导的过程是稳定的，假定其截 面温度均匀分布.文[7-8]对普通钢板的热传递过 程有详细分析，普通配电箱的热响应过程符合其规 律.对于加了隔热板的配电箱，设火场温度稳定，由 于隔热板的长度和宽度远大于其厚度,将热量在隔 热板内的传导简化为一维问题，则配电箱面板中的 无量纲过余温度H与三个无量纲数有关，即以

逐渐接近.因此,加装隔热措施，可以作为今后消防 专用配电箱的发展思路.但是由于火灾发生条件不 同，不可能根据火场温度来设计不同隔热措施的消 防专用配电箱，因此进行隔热措施的配电箱不能从 根本上解决消防负载的供电可靠性问题，应该进一 步从消防配电箱内部断路器的耐高温使用角度来寻 求更好的途径.

2消防负载断路器热响应分析

消防负载配电箱选用断路器的热脱扣机构为双 金属片悬臂梁形式，其动作力是根据本身直热式双 金属片的通电长度和开关带负载大小来产生不同的 双金属片变形和推力的.根据以下假设条件:设消防 负载较均匀,不考虑断路器的短路保护功能动作，无 短路瞬时跳闸.并且回路在工作中不发生短路现象， 负荷电流不可能超过消防设备的限定范围，过载延 时保护功能不是由于本身电流引起发热而动作.则 火灾条件下,外界热源温度远远大于器件本身加载 后的温升，所以认为热脱扣机构的动作力是双金属 片受到外界热源温度影响产生变形的推力.

以目前消防终端配电柜常用的C65n型断路器 为例,其内部双金属片材料为FPA223 -40,长度 35mm,宽度8mm，厚度0.6mm.在没有负载的情况 下，文[10]中给出了双金属片的弯曲位移4与脱扣 力F的测量方法和计算公式，即

式中:>1为弯曲位移(™n);f为脱扣力（N);A：为材料 的比弯曲为材料的弹性模量 165(GPa);r为温度差（ti为力臂长度（nun); A 为金属片厚度(mm) ;b为金属片宽度(mm).

C65n型断路器的双金属片，工作温度在150T 以下，由于焊接质量、导电回路设计、金属片本身的 发热功率等影响,可能达到ZOOT .取170尤情况 下断路器动作，切断消防负载供电回路，则由图1 知，采取隔热保护的配电箱，可以在温度不超过 214T的环境下稳定供电.一旦超过该温度值，断路 器的过载延时保护功能由于过热引起动作,消防负 载断电.设初始环境温度为20T ,由式(2)和式（3) 可知,环境温度达到214tC时双金属片端部位移为 3.45mm，产生10. 2N的推力.
建筑火灾发生的原因十分复杂，火场温度也很 难估计，因此,不能无限制地增加配电箱耐火隔热材 料的厚度，以防止断路器受热而跳闸.通过以上分析 可知，适当调整断路器内部热脱扣机构结构可以解 决当前断路器的耐高温保护功能跳闸问题.

脱扣力的大小与金属片宽度成正比，与厚度和 长度比的三次方成正比，在材料和尺寸相同的情况 下,如图3所示，在调整范围内，端部每上翘limn, 则产生2. 96N的推九又4 oc A?1，考虑弯曲比X、弹 性模量£、力臂长度L、宽度6、厚度h在火灾状态下 均不受温度影响，可知弯曲位移和脱扣推力与温度 上升量成正比.即温度越高，越容易脱扣，越不能保 证消防设备的供电.因为断路器的脱扣杠杆形状比 较复杂，结构调整闲难,相对来说调整悬臂式双金属 片要显得比较容易，但是要保证对双金属片的调整 不会影响脱扣机构的结构和脱扣力F的大小.如果 使双金属片的初始倾斜度增大，则可以增加行程,使 端部向下预倾斜一定角度，由式(2)可知：

AT = tm-t0 = 173. 9X. ,tm = 193. 9°C 所以=227.41，既同样火灾条件下,调整金属片 预倾斜为0. 55rmn，该断路器可以工作到227. 4^才 跳闸，这样就能够使普通断路器在较高温度的条件 下延长工作时间.

值更准确；

2)已知失效次数一样而权值不同时，由表4与 表3优化结果比较,采用LMS算法几乎不受初始权 值设置影响，而采用EM算法结果受影响较大；

3)已知数据较少时，由表1、表2可知,采用变 步长LMS算法进行模型优化，训练结果比采用EM 算法好；

4)随着失效数据增多，最优模型其优势更明 显，其他模型被门网抑制.

最后根据模型权值,很容易选出DUANE模型 为最优模型，适合该软件可靠性预测，充分验证了该 算法在进行模型优选时的有效性，同时具有很好预 测能力.

5结语

本文基于变步长LMS算法解决ME网络模型 优选问题，在数据优化过程中,较小的权值变化使得 模型稳定性有保障;通过实例验证’该方法具有预测 稳定性好，预测能力强，收敛速度快，模型与实际数 据拟合度好的特点，尤其适合于在不知如何设置初 始权值合适以及非稳定软件失效数预测模型优选， 工程应用较方便.
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坏，使整个消防终端供电中断;消防配电箱采用隔热 保护后，Bi为0. 56，增大了火灾环境下的内外温差， 延长了断路器工作时间，但是单纯采取隔热措施，对 由环境温度升高导致的断路器动作并不能起到根本 的预防作用.

2)对于C65W等普通断路器,可以通过结构的 简单调整，使双金属片的初始倾斜度增加，提高脱扣 机构行程，增加消防负荷的供电时间.每增加端部行 程0. lmm，可提高8. 7七使用温度•

3)因小型断路器内部空间狭小，动作机构较 多，故上、下级断路器的保护特性应协调配合，下级 的保护特性应位于上级保护特性的下方且不相交-应该保证断路器的长延时脱扣电流小于导线允许的 持续电流.