简析消防应急灯具的电击防护
简析消防应急灯具的电击防护
jzdq1981
创刊于1981年，由中国建筑西南设计研究院有限公司、中国建筑学会建筑电气分会、全国建筑电气设计技术协作及情报交流网主办。面向设计师、产品商、地产商等，活跃学术思想，开展技术交流，关注专业发展方向。
消防应急照明和疏散指示系统是在火灾等紧急情况下，为人员的安全疏散和灭火救援行动提供必要的照度条件及正确的疏散指示信息的建筑消防系统，由消防应急照明灯具、消防应急标志灯具等消防应急灯具及相关装置构成。为实现消防应急照明和疏散指示系统预设的消防功能，按照现行国家标准GB 51309 - 2018《消防应急照明和疏散指示系统技术标准》的相关规定，在建 / 构筑物的疏散通道及消防水泵房等消防作业场所需要设置消防应急照明灯具、消防应急标志灯具等消防应急灯具，消防应急灯具正常、稳定的运行可有效辅助人员的安全疏散及灭火救援等消防作业的顺利开展。
然而，作为系统现场部件的消防应急灯具，其在正常工况条件下，尤其是在火灾工况条件下电击防护措施的有效性，同样是系统产品在生产制造及工程应用环节需要考虑的重要因素之一。近年来，由于消防应急灯具采取的电击防护措施不合理而引发的人员电击事故屡见不鲜，究其原因主要有如下两个方面：
a. 消防应急灯具，尤其是消防应急标志灯具在日常使用过程中，经常因受到机械外力的碰撞而造成灯具的外壳破损，损坏的灯具外壳如没有得到及时的维修或更换，很容易导致人员触及到灯具内部的带电部件而引发电击事故。
b. 在建 / 构筑物发生火灾时，由于建 / 构筑物消防水灭火系统的启动，或消防救援人员采用水灭火介质扑救火灾，灯具因内部进水而造成绝缘下降或产生接地故障；或因人员的疏散行为或消防救援人员的灭火行为造成灯具外壳的破损，疏散人员或救援人员直接或间接接触到灯具的带电部分而引发电击事故。
鉴于消防应急灯具在实际工程应用环节存在的上述问题，本文结合国家标准GB 17945《消防应急照明和疏散指示系统》（以下简称“GB 17945）的修订，简要解析消防应急灯具应采取的相关电击防护措施要求。
消防应急灯具的供电方式及要求
在发生火灾后，为有效确保消防应急照明和疏散指示系统发挥辅助人员安全疏散及灭火救援作业的消防功能，消防应急灯具需采用主电源和蓄电池电源供电。目前，消防应急灯具产品的蓄电池电源采用集中电源供电或灯具自带蓄电池供电两种不同的供电方式。
消防应急灯具的蓄电池电源不同于其他消防用电设备如柴油发电机等第二电源，是消防应急照明和疏散指示系统自带的后备保障性电源。目前，欧美、日本等国家与我国相同，基于供电可靠性、电击防护等因素的考虑，采用蓄电池电源作为消防应急灯具的后备保障性电源。
> > > > 消防应急灯具的供电要求
为有效保障消防应急灯具供电的可靠性，确保消防应急灯具的正常工作，GB 51309 - 2018对消防应急灯具的供电原则作出了明确规定：
a. 当灯具采用集中电源供电时，灯具的主电源和蓄电池电源应由集中电源提供，灯具主电源和蓄电池电源在集中电源内部实现输出转换后应由同一配电回路为灯具供电。即集中电源型灯具的主电源和蓄电池电源的额定电压等级应相同。
b. 当灯具采用自带蓄电池供电时，灯具的主电源应通过应急照明配电箱一级分配电后为灯具供电，应急照明配电箱的主电源输出断开后，灯具应自动转入自带蓄电池供电。即自带电源型灯具的主电源和蓄电池电源的额定电压等级可以不同。
根据消防应急照明和疏散指示系统预设的消防功能要求，消防应急灯具在火灾发生后直至灭火救援活动结束，均需保持应急启动状态不变，这就要求系统的电源应能满足设置场所所需的持续应急工作时间要求。GB 51309 - 2018明确规定，确认火灾后，消防应急灯具在满足电击防护措施有效的前提下，尽可能采用主电源为灯具供电，待主电源因火灾因素断电后，方可转入蓄电池电源供电。灯具的蓄电池电源作为系统后备保障性电源，无论是集中电源还是灯具自带的蓄电池的容量均需满足灯具的持续应急工作时间要求。
消防应急灯具适用的低压电气装置电击防护措施分析
国家标准GB / T 16895.21 - 2020 / IEC 60364 - 4 - 41：2017《低压电气装置 第4 - 41 部分：安全防护 电击防护》（以下简称“GB / T 16895.21 - 2020”）对低压电气装置的电击防护措施作出了相应的规定。根据该标准的规定，低压电气装置的电击防护需有基本防护与故障防护，故障防护措施按外界影响条件的不同，通常可采取自动切断电源、双重或加强绝缘、向单台用电设备供电的电气分隔及特低电压（安全特低电压SELV和保护特低电压PELV）等防护措施的一种或几种组合。笔者在基于首先需满足其消防功能的前提下，对消防应急灯具产品的生产和工程应用环节所应采取的电击防护措施分析如下。
自动切断电源，即电气装置发生接地故障时，保护电器应在规定时间内自动切断该回路或设备的电源，以实现对人身的电击防护，自动切断电源是电气装置最常用的电击防护措施之一。
当消防应急灯具采用Ⅰ类灯具时，按照GB / T 16895.21 - 2020的规定对灯具采用自动切断电源方式作为电击防护措施的可行性作如下分析。
按照GB 51309 - 2018的规定，集中电源型灯具的主电源和蓄电池电源的电压等级应相同，假定采用灯具的额定工作电压为非特低电压。对于配电系统为TN或TT系统时，无论灯具采用主电源还是蓄电池电源供电时，灯具供电回路的带电导体与金属壳体间发生接地故障后，需确保回路始端的保护电器及时动作以切除回路的电源，在长距离末端线路的情况下，需要较为复杂的校验和准确的保护装置的选择。在干燥和一般场所的情况下，保护电器的及时动作可限制灯具金属外壳的接触电压所造成的人身损害，但消防灯具所处的环境仅在正常状态下属于干燥场所，在火灾扑救环境中，将会面临非常恶劣的环境，包括潮湿、水浸润和外力的破坏等。在这种环境下，采用正常条件下的电击防护措施来兼顾特殊情况的电击问题是困难的，也相对难以验证。线路中增加剩余电流动作保护装置的情况也易影响供电持续，不应在消防灯具供电回路中使用。在主电源发生故障时，系统需转入蓄电池电源供电，此时因蓄电池电源的系统阻抗问题，短路容量较小，对于自动切断电源的所有条件将会改变，使自动切断电源的条件基本丧失，此时的系统将难以完成切断电源的措施。
对于配电系统采用IT接地系统的灯具，在灯具供电回路的一极带电导体与金属壳体间发生第一次接地故障时，可暂不切断电源，但在灯具持续应急工作时间内，如发生第二次接地故障时，也需自动切断电源。且需设置绝缘监视器等设备，对于覆盖范围较大且配电灵活的应急照明系统，在安装、使用及维护上仍存在困难。虽然IT系统连续供电性较好，但考虑火灾扑救中难以保证只发生一次故障，考虑实际的电源可靠性，常规下也不推荐使用。
按照GB 51309 - 2018的规定，自带电源型灯具的主电源和蓄电池电源的电压等级可以不同，假定灯具主电源的额定工作电压等级为非特低电压，灯具自带蓄电池的额定工作电压等级为特低电压。
灯具在主电源供电状态下，与集中电源类似，当灯具的供电回路发生接地故障时，配电回路的保护电器需切断灯具的主电源供电，灯具的主电源断电后自动转入自带蓄电池供电，由于灯具蓄电池的额定工作电压等级为特低电压，不存在电击风险。如此的防护要求的确满足了灯具电击防护的要求，然而却违背了GB 51309 - 2018规定的系统在确认火灾应急启动后，应尽量采用主电源为灯具供电以延长灯具持续应急工作时间的设计原则。
通过上述的分析可以得出，当系统采用主电源额定工作电压等级为非特低电压的Ⅰ类灯具时，不论灯具的蓄电池电源采用何种供电方式或接地形式，在采取了其他附加防护措施的情况下，在灯具发生一次或多次接地故障时，配电回路的保护电器均需切断灯具的供电电源，这与确保并有效延长灯具持续应急工作时间的设计原则是违背的。且考虑在多种电池运行方式下，自动切断电源的措施难以完全保证，因此，结合灯具运行要求和切断措施的可靠性，采用自动切断电源的电击防护措施不适用于额定工作电压等级为非特低电压的Ⅰ类灯具的电击防护。
双重绝缘，顾名思义即电气装置的基本防护由基本绝缘来实现，故障防护由附加绝缘来实现；加强绝缘，是电气装置的基本防护和故障防护两者都由在带电部分和可触及部分之间的加强绝缘来实现。
当灯具采用Ⅱ类灯具时，按照GB / T 16895.21 - 2020的规定对灯具采用双重或加强绝缘方式作为电击防护措施的可行性作如下分析：与上述假定条件一致，采用灯具主电源的额定工作电压为非特低电压。在正常工况条件下，消防应急灯具采用双重绝缘或加强绝缘防护措施，是能够满足电击防护要求的；然而，在火灾工况条件下，由于火灾产生的高温、火焰等因素会极大降低灯具外壳的绝缘性能，同时人员疏散行为及灭火救援行为的不确定性，很容易造成灯具的外壳破损，从而导致灯具绝缘失效。在只采用双重绝缘或加强绝缘防护措施时，尚应核实该装置或回路是处在有效的监管下，需要保证整体装置不会因被动因素而降低防护措施的有效性，这在火场的情况下难以保证。
小结
通过上述的分析可以得出，在火灾工况条件下，灯具双重或加强绝缘很容易受火灾因素或人员的行为因素影响而失效。因此，采用双重或加强绝缘的电击防护措施不适用于主电源额定工作电压等级为非特低电压的Ⅱ类灯具的电击防护。
电气分隔需要满足基本防护与故障防护的条件。基本防护是由被分隔电路的危险带电部分与外露可导电部分之间的基本绝缘提供，故障防护是将电气装置的配电回路与其他电气装置的配电回路或地之间进行简单分隔的电气防护措施。
当消防应急灯具采用Ⅰ类或Ⅱ类灯具时，按照GB / T 16895.21 - 2020的规定对灯具采用电气分隔方式作为电击防护措施的可行性作如下分析：与上述假定条件一致，采用灯具主电源的额定工作电压为非特低电压。灯具采用电气分隔方式作为电击防护措施时，每个设备均应采用一个简单分隔的措施，这在实际项目中是基本无法实施的。当由一个简单分隔的不接地的电源供电给多台用电设备时，只能适用于由熟练技术人员或受过培训的人员操作或管理，这在普通建筑中也不可能实现。再者，GB / T 16895.21 - 2020要求应对灯具的配电回路采取相应的措施，防止灯具的配电回路受到损伤和绝缘失效，通过上述的分析可以看出，在火灾工况条件下，受火灾因素的影响这一要求很难实现。
通过上述的分析可以得出，从有效确保系统的消防功能，以及合理控制系统工程成本的方面考虑，采用电气分隔的电击防护措施不适用于主电源额定工作电压等级为非特低电压灯具的电击防护。
综上所述，当采用的消防应急灯具主电源的额定工作电压等级为非特低电压时，无论灯具为Ⅰ类还是Ⅱ类，在现有工程前提下，采用自动切断电源、双重或加强绝缘以及电气分隔作为灯具的电击防护措施均有其不足。按照GB / T 16895.21 - 2020的相关规定，灯具采用特低电压的防护方式，才是在确保灯具消防功能有效发挥的前提下，满足电击防护相关要求的首选措施。
消防应急灯具采用特低电压防护措施时的相关要求解析
当消防应急灯具满足GB / T 16895.21 - 2020中有关特低电压防护措施的相关规定时，常见存在SELV安全特低电压及PELV保护特低电压两种特低电压系统，在消防灯具供电系统中，考虑防护措施的可用性，应选择SELV系统作为防护措施。SELV系统要求限制系统电压、采用保护分隔和与地之间设置基本绝缘。采用SELV即可实现基本防护和故障防护的相关要求，不至对人员产生电击危险。既确保了灯具消防功能有效发挥，又实现了灯具可靠的电击防护。依据GB / T 16895.21 - 2020的相关规定，结合消防应急灯具的使用特点，灯具采用特低电压防护方式时，即采用GB 51309 - 2018规定的A型灯具时，需考虑以下条件。
电气装置发生接地故障后，人体的不同部位接触到电气装置可导电部分后，会产生电击，当达到心室纤维性颤动的电流阈值时，会危及人员生命。由于不同人员的人体电阻差异化较大，IEC标准规定了不同工况条件下心室纤维性颤动的接触电压阈值。电气装置采用特低电压作为电击防护措施可基于IEC标准的相关规定而制定。
当电气装置采用特低电压防护措施时，电气装置的电压不应超过电压区段Ⅰ的上限值，即交流50 V或直流120 V。
国家标准GB / T 13870.5 - 2016 / IEC / TR 60479 - 5：2007《电流对人和家畜的效应 第5部分：生理效应的接触电压阈值》（以下简称“GB / T 13870.5 - 2016”）的表2c（本文表1）和表2f（本文表2）中分别规定了不同工况条件下心室纤维性颤动的接触电压阈值。这部分阈值与IEC TS 61201：2007《Use of conventional touch voltage limits ‑ Application guide》所推导曲线完全一致。
建 / 构筑物发生火灾后，受消防水灭火系统启动，或消防救援人员扑救火灾时采用的水灭火介质的影响，灯具外壳或带电导体极易处于水湿润状态，且在火灾燃烧产物的作用下，上述带电部分表面的水难以保持纯净，应按盐水湿润考虑。心室纤维性颤动是导致人死亡的主要原因。直流系统电击事故发生时，直流电流沿双脚到双手向上流经人体（相对上部身体脚为正极）产生心室纤维性颤动值相对较为保守。考虑到疏散人员和灭火救援人员行为的不确定性，心室纤维性颤动的接触电压阈值应按表1和表2中最不利的情况，即双手到双脚大接触面积接触配电回路的导体取值。
按照上述原则，灯具采用交流供电时不会产生心室纤维性颤动的接触电压阈值为AC 20 V，灯具采用直流供电时心室纤维性颤动的接触电压阈值为DC 68 V。AC20 V在工程中难以应用，基于消防应急灯具工作可靠性及工程应用标准化的考虑，新修订的GB 17945规定采用安全特低电压防护方式灯具的主电源应采用直流供电，在GB / T 13870.5 - 2016规定的接触电压阈值的基础上留有一定的安全余量，同时兼顾蓄电池电源的额定工作电压等级及电压正常波动范围，要求特低电压灯具主电源额定工作电压限值为DC 60 V。
按照GB / T 16895.21 - 2020规定，当电气装置采用特低电压防护措施，并采用蓄电池电源供电时，蓄电池的充电电压和浮充电电压可能大于其标称电压（采用的电池种类不同时，充电电压和浮充电电压也不尽相同），但不需再另外采取其他保护措施。依据消防应急灯具主电源电压等级的确定原则，特低电压灯具蓄电池电源额定工作电压限值同样确定为DC 60 V。
当电气装置采用安全特低电压SELV防护措施时，按照GB / T 16895.21 - 2020的相关要求，电气装置的电源应满足下述要求：
a. 符合 IEC 61558 - 2 - 6《Safety of transformers，reactors，power supply units and similar products for supply voltages up to 1 100 V — Part 2 - 6：Particular requirements and tests for safety isolating transformers and power supply units incorporating safety isolating transformers》要求的安全隔离变压器。
b. 安全等级等同于符合IEC 61558 - 2 - 6要求的安全隔离变压器的电流源（例如绕组具有等同隔离功能的电动发电机组）。
c. 电化学电源（例如蓄电池）或其他独立于较高电压回路的电源（例如内燃机发电机组）。
对此电源也可采用符合IEC 61347 - 2 - 13《Lamp controlgear — Part 2 - 13：Particular requirements for d.c.or a.c.supplied electronic controlgear for LED modules》要求的安全隔离变换。
目前，为A型集中电源型灯具供电的A型应急照明集中电源、为A型自带电源型灯具配电的应急照明配电箱产品，其主电源输出大多采用开关电源或AC / DC变换模块实现，新修订的GB 17945明确规定A型应急照明集中电源和A型应急照明配电箱采用的开关电源或AC / DC变换模块应具有与安全隔离变压器等效的安全隔离性能。
A型集中电源型灯具的蓄电池电源由应急照明集中电源的蓄电池组供电，A型自带电源型灯具的蓄电池电源由灯具自带的蓄电池供电，灯具的蓄电池电源均为独立于主电源的电化学电源。
消防应急灯具属于固定安装设备，A型消防应急等级的布线应满足GB / T 16895.21 - 2020中SELV系统的相关要求。
当电气装置采用特低电压防护措施时，按照GB / T 16895.21 - 2020的相关要求，SELV回路内的外露可导电部分不应与地、保护导体以及其他回路的外露可导电部分作电气连接。SELV系统的布线应满足下述要求：
a. SELV回路的带电部分与其他SELV回路之间应设置基本绝缘。
b. SELV回路导体与非SELV的其他回路带电部分间，可采取下述措施之一进行保护分隔：① SELV回路导体除具有基本绝缘外还应具有绝缘护套，或应将它置于绝缘的外护物内；② SELV回路导体应用接地的金属护套或接地的金属屏蔽物与电压高于电压区段Ⅰ的回路导体隔开。
c. SELV 回路的带电部分与地间应具有基本绝缘。
> > A型消防应急灯具的布线要求解析
GB 51309 - 2018明确要求消防应急灯具的配电回路应单独布线，且对消防应急灯具的配电回路的防护方式作出了明确的规定：
a. 系统线路暗敷时，应采用金属管、可弯曲金属电气导管或B1级及以上的刚性塑料管保护。
b. 系统线路明敷设时，应采用金属管、可弯曲金属电气导管或槽盒保护。
A型灯具的配电回路采用B1级及以上的刚性塑料管防护暗敷时，满足GB / T 16895.21中采取双重绝缘措施与非SELV的其他回路带电部分间进行保护分隔的要求；配电回路采用金属管、可弯曲金属电气导管或金属槽盒防护时，由于金属防护物均有接地要求，满足GB / T 16895.21 - 2020中采取基本绝缘加保护屏蔽措施与非SELV的其他回路带电部分间进行保护分隔的要求。
综上所述，按照GB / T 16895.21 - 2020特低电压防护措施的要求，新修订的GB 17945对A型灯具的电源及电压等级作出了相应的规定；GB 51309 - 2018对A型灯具的布线作出相应的规定。满足新修订的GB 17945要求的产品，并按照GB 51309 - 2018进行设计、施工后，完全满足GB / T 16895.21 - 2020规定的电击防护要求。
B型消防应急灯具的电击防护要求解析
考虑到消防应急灯具设置场所的建筑高度、使用性质等因素，并结合现有产品的技术水平现状，目前，尚不能要求所有消防应急灯具的额定工作电压均不大于前述特低电压值，即所有场所均采用A型灯具。在GB 51309 - 2018和新修订的GB 17945中明确规定，消防应急灯具按其额定工作电压等级不同分为A型灯具和B型灯具。B型灯具是主电源或蓄电池电源的额定工作电压高于DC 60 V的灯具。GB 51309 - 2018中对B型灯具的设置部位及蓄电池转换时序均作出了明确的规定。
对于体育场馆、会展中心等高大空间场所，消防应急照明灯具的设置高度较高，为满足设置场所地面最低水平照度要求，按照目前照明灯具光源的光效水平，需采用较大功率的照明灯具，A型灯具的电压等级难以满足相应的功率要求。基于电击防护方面考虑及照明灯具光源现有光效水平的考虑，GB 51309 - 2018规定安装高度大于8 m时，可采用B型照明灯具，且基于便于维护的考虑，这类场所中一般设置集中电源型灯具。在GB 51309 - 2018中明确规定确认火灾后，系统应急启动时应控制B型灯具转入蓄电池电源供电，由于蓄电池电源与主电源隔离，对灭火救援人员的电击风险极低。同时，这类大空间场所一般层数较低，且发生火灾时，有足够的储烟高度，尽管属于人员密集场所，但与医院、老年人照料设施相比，人员安全疏散的难度较低，因此，对于B型灯具而言，蓄电池电源的容量一般足以满足灯具的持续应急时间要求。
对于未设置消防控制室的住宅建筑，基于资源共享的考虑，疏散走道、楼梯间等部位设置的照明灯具一般兼用于日常照明。未设置消防控制室的住宅建筑多为多层建筑，高层住宅建筑的建筑高度也不超过54 m，且疏散路径简洁；同时，住宅建筑属于非人员密集场所，人员对于疏散路径比较熟悉，发生火灾时，人员可在较短的时间疏散至安全地带。鉴于上述考虑，GB 51309 - 2018中允许未设置消防控制室的住宅建筑的疏散走道、楼梯间等部位采用自带电源B型灯具，确认火灾后，B型灯具自动转入自带蓄电池电源供电，由于自带电源B型灯具的蓄电池的额定工作电压皆不大于DC 60 V，因此，灯具在火灾工况条件下不存在电击风险。为了避免在低位设置的灯具（距地面或梯面1 m以下）日常使用过程中，灯具的外壳受人为因素而破损，在GB 51309 - 2018和新修订的GB 17945中明确规定距地面或梯面1 m以下安装的灯具的外壳不应采用易碎材质，在一定程度上降低了灯具日常使用过程中的电击风险。
消防应急灯具是建 / 构筑物中使用极为普遍的消防电气设施，灯具的电击防护在产品的生产制造及工程应用环节应予以高度的重视，随着LED光源的技术进步，灯具的光效在逐年提高，当A型灯具完全替代B型灯具时，消防应急灯具的电击防护问题将得到根本性的解决。
本文全文载于《建筑电气》2021年第9期，详文请见杂志。
版权归《建筑电气》所有。
作者：
刘 凯，男，应急管理部沈阳消防研究所，副研究员，主任。
韩 帅，男，天津市天友建筑设计股份有限公司，正高级工程师，副总工程师。
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