消防疏散照明用集中电源容量计算分析

2022/5/13 20:02:23 人评论 次浏览 分类:电工基础  文章地址:http://yunrun.com.cn/tech/4237.html

《消防应急照明与疏散指示系统技术标准》GB51309-2018第3.2.4条第6款规定:系统应急启动后,在蓄电池电源供电时的持续工作时间应满足“集中电源的蓄电池组......达到使用寿命周期后标称的剩余容量应保证放电时间满足本条第1~5款规定的持续工作时间” 。由于《消防应急照明与疏散指示系统技术标准》应用起步时,对如何选择集中电源容量来满足上款规定尚无把握,所以很多工程施工图只好在设计说明中引述该款规定以作为设计要求;有的设计虽然选择了集中电源容量,但集中电源功率仅单一以集中电源配接的灯具总功率为确定依据,而没有考虑蓄电池组的使用寿命周期,同样也是不能满足该款规定。为此,本文以《消防应急照明与疏散指示系统技术标准》为依据,结合培训教材《消防应急照明和疏散指示系统》,在分析集中电源对消防疏散照明的供配电机理基础上,推导集中电源容量选择的计算公式,以飨读者。

解读集中电源容量

1、集中电源容量表述
根据“培训教材”第3.7.1.4部分介绍,集中电源的容量实际就是其配接额定功率灯具时的持续应急时间:
C集中电源≈P额定配接功率30min×30min≈P额定配接功率60min×60min      ........公式(1)

众所周知,集中电源的蓄电池电量是由其内部的供电元件进行组织分配输出的。因此,集中电源所称的容量与其内部的蓄电池组容量是有区别的。但是,对使用者而言,在乎的是集中电源生产企业标称的额定输出功率(应急照明集中电源在蓄电池电源输出状态的最大输出功率)和标称的持续应急工作时间,因此即便集中电源内的配电装置左右了蓄电池组的电量输出,但在表达集中电源容量时往往是把集中电源直接看成是以标称的额定输出功率和标称的持续应急工作时间的乘积的一套虚拟蓄电池组,并以此来理解集中电源的标称容量和在不同放电(即配接不同灯具功率)条件下的持续应急工作时间。例如,在前面的公式中,容量为3000W×min的集中电源,既可以看成是配接大约100W负荷持续供电30min的时间,也可以理解为配接大约50W负荷持续供电60min的时间。由此可见,同一标称容量的集中电源,在配接不同灯具功率条件下的持续应急工作时间是不同的。


2、由容量表述推出的应用

对公式(1)的参量假定,公式(1)可改写为
3000W×min≈~100W×30min≈~50W×60min         ........公式(2)

2.1应用一:功率换时间

对公式(2)的参量关系除可做集中电源容量表述外,还可解释为如果集中电源容量为3000W×min,一方面,当其额定输出功率为100W时,可持续工作30min;另一方面,可以通过降低其配接的灯具功率至大约50W,使其持续工作时间延长到60min.在此不妨把这一解释称之为“功率换时间”,即,当集中电源的标称持续应急工作时间不足时,可以这样处理:保持配接的灯具功率不变,选择较高的集中电源额定输出功率标称值,加大额定输出功率与配接灯具功率的相对比值(大马拉小车),以延长集中电源的持续应急工作时间:或者保持集中电源的标称持续应急工作时间不变,降低其配接的灯具功率,加大额定输出功率与配接灯具功率的相对比值(大马拉小车),以延长集中电源的持续应急工作时间。

2.2应用二:从约等号到等号

在公式(1)中为什么用的是约等号“≈”而不是等号“=”?理由分析如下。
如图1是某铅酸蓄电池20h放电时间的电池产品在放电终止电压(图1中黑色虚线所示)条件下,不同放电倍率(NC,C代表电池容量的Ah,N为倍数,图1中N倍数从0.05~3不等)和放电时间(图1中横轴)的关系。

某20h放电时间的铅酸蓄电池放电倍率和放电时间关系图
图1 某20h放电时间的铅酸蓄电池放电倍率和放电时间关系图


假如,该电池容量C为10Ah,从图1可以看出,以0.6C倍率也就是6A放电,其放电时间只能持续1h(图1中0.6C红色虚线与终止电压黑色虚线交叉点对应横轴的放电时间值),而以0.25C倍就是2.5A放电,其放电时间可以持续3h(图1中0.25C红色虚线与终止电压黑色虚线交叉点对应横轴的放电时间值),其中以6A放电的最终放电容量是6A×1h=6Ah,而以2.5A放电的最终放电容量是2.5A×3h=7.5Ah,两者不等。换句话说,放电倍率比值0.6/0.25(即6A/2.5A)与放电时间反比3h/1h是不成正比的,所以公式(1)在表达不同配接灯具功率(即不同放电倍率)与持续应急工作时间的乘积必须用约等号“≈”,而不能用等号“=”。对图1的特定电池案例即应表达为6A×1h≈2.5A×3h。


但是,在实际工程中要以所谓的“功率换时间”求取换来的时间时,必须以“等式”的方式来得到确定的值,这时只能变公式(1))的约等号“≈”为等号“=”,即


C集中电源=P额定配接功率30min×30min=P额定配接功率60min×60min      ........公式(3)


从约等号“≈”变为等号“=”后,会不会使计算后功率换来的时间不够?分析如下。


从图1的铅酸电池案例看,正如上述,当以“6A(0.6C)放电”时,持续时间是lh,当改为以“2.5A(0.25C)放电”时,其持续放电的时间,如按公式(3)的比例计算为6A×1h/2.5A=2.4h,比图1中0.25C实际对应的3h小。可见,公式(1)变约等号“≈”为等号“=”后,铅酸电池所能供给的持续放电时间实际值比经比例计算求得的持续放电时间值大,实际应用足足有余。


但是,锂电池情况则不尽相同。图2为某锂电池30Ah产品在放电终止电压(图2中30V红色虚线)条件下,不同放电倍率(图2中N倍数从0.05~1不等)和放电时间(图2中横轴)的关系。

某20h放电时间的锂电池放电倍率和放电时间关系图
图2 某20h放电时间的锂电池放电倍率和放电时间关系图

图2中,如果以30A(1C)放电,持续放电时间约80min(笔者注:图面与标称值有误差),改为6A(0.2C)放电,其持续放电时间如技比例式计算为30A×80min/6A=400min,比图2中0.2C实际对应的6h(360min)稍大。可见,公式(1)变约等号“≈”为等号“=”后,锂电池所能供给的持续放电时间实际值比经比例计算求得的持续放电时间值小,实际应用可能略有不足(解决办法可考虑乘上一大于“1”的放大系数,详下文3.3)。


2.3应用三:容量单位表达
由于灯具用“W”(瓦)作为功率单位,集中电源蓄电池组常以“min”(分钟)作为持续应急工作时间单位,因此集中电源则以“功率”和“时间”的乘积为容量单位,即“W×min”。如把公式(1)两边同除电压,则其单位变为“A*min”或“Ah”,即为常见的蓄电池容量单位。但集中电源为了与配接灯具的功率“W”和适用场所所需蓄电池组的持续工作时间“min”(有关规范常以小时h表示,应用时应换算成分钟min)分别匹配对接,在描述其容量时常把集中电源的额定输出功率(W,kW或VA,kVA)和其内的蓄电池组的持续应急工作时间(min)分开表达。例如,集中电源容量描述为额定输出功率100W,持续应急工作时间30min,不表达为3000W×min。

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