火警时备用电源与电梯安全
摘 要:本文的依据相关文献，主要阐述关于电梯的电气必要条件的系统方法,及可靠备用电源系统的重要性,介绍当电源备用系统设计时必须考虑的部分参数.目的在于确定典型的电梯系统电源配置的必要条件，以及将其标准化的工作，并提出的与该主题相关的需要解决的问题.
关键词:高层建筑 火灾 电梯 电源配置 谐波畸变 可靠性
1 引言
电梯是建筑设计的一个完整的部分。这并不仅仅意味着给人们带来方便，更重要的是考虑到电梯交通的可达性（accessibility）要求。除了一般的正常服务外，电梯在紧急情况（emergency situations）下，比如因故障或外电网突然停电使得电梯停运或闭梯,尤其在火警情况下扮演了主要角色.随着高层建筑的飞速发展，电梯已成为人们必不可少的垂直交通工具。电梯在火灾情况下的作用已经得到了诸如国家火灾防御协会(NFPA)等国际组织的广泛的公认[1]。
当火警确认以后，电梯将被立即启动到安全着陆点(safe landing），将乘客放出后在该处待命。受过专门训练的专业人员将到达现场，电梯将被调动用来帮助那些没有使用楼梯的人员疏散，同时把消防队员和消防设备运到建筑的起火部位。
为了使电梯更好地发挥预期的功能，必须有一个正确的备用电源。备用系统作为在紧急情况发生时，正常电源尚失后的电源备份。火警情形下正常电源尚失的可能性的增加，使得对这个备用电源系统的需求更加强烈。
2 电梯电源的必备条件
质量，电源的质量和调整对于电梯系统的性能可靠性是至关重要的。不管系统是在正常电源还是在备用发电机电源下工作，电源所具备的必要条件必须是非常令人满意的。由于备用的发电机是一个临时能源供给，所有与电梯电源必备条件相关的柔顺性可能被认为是多余的东西，这个认识是不正确的。然而，由于不适当的承载或不良的设备品质可以导致电梯瘫痪。
3 电梯电源性能指标的基本要求
3.1 全负荷运行与尖峰电流
电气系统必须具有满足电梯满负荷运行以及承载尖峰电流(peak current)要求的能力，一般假定最大负载周波的35%用于电梯曳引。这就意味着轿箱可以在给定时间段，以满载电流为电流最大值的35%处于运行状态。 同样，当电梯加速或减速时，尖峰电流也随之提高。
这些尖峰能够维持3～5秒，并且典型电流的振幅是满载电流的2～2.5倍。
3.2 再生电能的消耗
当电梯低于全负载运行时或提升一个空轿箱时，电能便由提升发动机产生。为了保持电梯的控制速度，这时必须提供吸收电能的方法，在普通的电源条件下， 再生能量的控制是把电能回馈到建筑物的电网(electrical grid ) - 用于正常联接的电力负荷的消耗。当使用备用电源时，很多正常的电力负荷摘除于备用电源。必须提供足够的应急电力负荷和发动机来吸收这些再生的电能。
3.3 电压变化
今天，静态驱动器和控制系统在占领市场，这些系统需要严格的线性电压。当电压幅值超过可以接受的阈值时，多数系统或者关闭或者运行于降低性能的模式下，电压波动在±10% 是公认的标准。
3.4 频率变化和摆动率（Slew Rate）
静态控制和驱动系统对频率变化及其变化率(通常称为摆动率)是较为敏感的，通常厂商以1 Hz/s为最大的摆动率，以±3%的频率变化为可接受标准。
3.5 谐波畸变（Harmonic Distortion）
静态驱动器内部的开关设备产生非正弦的和畸变的电压和电流波形。这种线性的失真对于敏感的联接负荷（包括对电梯控制器）有很不利的影响。在极端情况下，谐波畸变是非常高的，电梯系统会因此而被迫停车，使电梯在火警情况下失去作用。因此，备用电源系统的设计必须保证足够的容量和刚性，以满足使谐波畸变水平最小。
4. 调节（Coordination）
4.1 信号传递（Transfer Signals）
电力供给系统中，从正常状态转换到备用状态和从备用状态转换到正常状态的调节是同等重要的。如果这种转变不平滑或如果电梯发生在正反馈阶段，可能导致设备的损坏。当正常电源尚失以后，应该提供足够的延迟以释放系统中的能量，并应在井道中设置电梯保持装置。在备用电源系统给电梯控制器供电之前，从备用状态转换到正常状态时，或测试应急电源时，应提供警示接点联系，以警告电梯控制器尚未完成备用电源转换。这种高级的警示使得电梯可以停在一个可靠的着陆点，由此而消除可能的乘客留滞和躲避任何潜在的设备损害。
4.2 国际上的性能标准的采用
对上述部分参数的描述，证明了电源误转换的潜在危害。因为大量的信息是共享的，并影响电梯的性能参数，需要一种对电梯设计者沟通这些必要条件的系统方法。
为了提出并解决这些问题，美国国家电梯制造业公司(NEII)专门成立了一个的专题研究组，研究目标是：确定系统的性能标准。专题研究组成员包括制造业和顾问公司的代表。该研究组提出的性能标准已经公布，作为1994年NEII 垂直交通标准的一个补充[2]。这个文件包括电源必备条件的信息和典型电源的确认方式。这个标准的工业认可应该消除大量的信息误传以及在正常操作与火警情形下，对电梯系统整体可靠性的改进。
5. 备用电源系统的可靠性（Standby Power System Reliability）
电梯系统的备用电源的设置是强制性的，在火警情况下。这个备用系统必须使电梯完成召回操作和使电梯更适合于消防队员的使用。有人提出建议：利用电池作为备用电源履行召回功能。然而，这些系统的容量较小或只能把轿箱提升到下一个着陆点。在火警情形下， 除了指派或选择着陆点外，向下运行到任何楼层的做法，不符合目前的美国机械工程是协会(ASME) A17(1的紧急操作之规定[3]。笔者认为，首选的方法是设计备用电源发电机系统，以可靠操作并为满足规定的全部电梯系统必要条件的备用电源。
6. 关于备用电源系统的可靠性，提出如下问题
6.1 是否在建筑设计时将发电机配置在电梯机房附近? 这个规则将减少电梯与发电设备之间发生故障的可能性；
6.2 现实的可建立的，用来由于减少单个信号故障而尚失正常和备用电源供给的可能性的指导原则是什么? 这个指导方针可能涉及到一些问题，比如正常的和备用电源馈电线路，发电机负荷分配，开关设备的设计和其他主题；
6.3 是否将正常电源和备用电源馈电线路安装在电梯机房? 需要找到可以给电梯系统提供备用电源可靠性的其他方法；
7. 对电梯机房火警的响应
作为通用的规则，洒水装置安装在电梯机房和井道中，其目的在于抵御这些区域的火灾。电梯机房和井道内的火灾经常会使电梯设备陷入灾难。因此，当洒水装置被调动用于救灾时。假设安装在这些部位的任何设备处于不能可靠运行的状态并且是不可依赖的，具体地说，安全性能的本质功能，应该由这些部位的救灾设备独立完成。
以下描述的操作顺序通常被采纳，用于在机房火灾时提供最大的安全性和可靠性[4] 。
7.1机房火灾在初始阶段，产生烟雾并迅速地启动火灾探测器。火灾探测器接受到火灾信号以后，所有电梯都自动地被调回到指定的着陆点；
7.2 随着火势的加大温度的升高，安装在电梯机房内的感温探测器便被启动报警，并立即切除电梯控制系统的正常供电系统，由于电梯调用指令被火灾探测器较早发出，此时电梯应该被全部召回，但是电梯至少远离了机房火灾。感温探测器的温度设置低于洒水装置的喷头的温度， 目的是电梯控制系统电源的摘除先于洒水喷淋装置的运行；
7.3 如果火势继续加大，一个或更多的洒水喷头将可以熄灭或控制火灾。A17的主要委员会接受条款86-56，认为上述操作顺序满足了电梯返回要求[5]。然而，最近工作规程已经制定出来，其中包括电梯控制器的机房火灾控制决策程序[l]。以下介绍上述决策的一种。
8.工作规则示例
当电梯机房的感温探测器测知火灾时，火灾信号便传入电梯控制器；确定该地区即将洒水灭火。作为一种信号反馈，需要将电梯控制器的信号传递到火灾控制系统以确认所有电梯都回调到初始或预选的楼层。只有这个信号接收到之后，火灾控制系统才可以摘除电梯控制系统的正常工作电源，开启电梯机房内的消防水阀门使水到达洒水装置的喷头。
电梯控制器还应发出阻止误导乘客的信号。尽管这注定是一个重要的设计目标，但是针对上述的实施还有很多问题需要解决。
8.1 任何在摘除电源和洒水装置触发的延迟，都将导致火焰的蔓延和扩大。所以这种增加安全性的尝试将实际导致严重的火灾危险；
8.2 这种操作在技术上是不可行的：提供反馈信号的设备，被安装在燃烧的机房中，如果机房内的感温探测器被触发启动，假设控制设备的安全操作温度整定值过大，电梯设备并没有设计成可承受暴露在火灾的高温。关于电梯设备运行的环境高温问题已经有所讨论[6]，并且在A17(1安全规范中提出。
9. 结束语
鉴于上述原因， 看来不使用电梯设备控制火灾有正确的理由,当然,目前也有人提倡利用电梯进行人流疏散的[7]。洒水装置和脱离线路功率的方法，将不需要来自电梯系统的任何指示信号。应鼓励制造业执行NEII垂直交通的性能和电源标准---1994附录所规定的性能与标准；并考虑使用能够增加对电梯系统备用电源可靠性的方法；应加强对是否使用电梯控制器以使分路跳闸断路器或洒水装置启动的研究。