鐵路隧道防災(zāi)救援系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)

楊 劍

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

1 概述

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，鐵路不僅僅在平原、丘陵地帶建設(shè)，也開始在復(fù)雜地質(zhì)情況的山嶺地區(qū)和河流湖泊縱橫的區(qū)域建設(shè)。為了優(yōu)化線路走向，縮短線路長(zhǎng)度，克服不良地質(zhì)條件，在鐵路線路中長(zhǎng)大山嶺隧道和水下隧道越來(lái)越顯示其優(yōu)越性，但是同時(shí)也帶來(lái)了防災(zāi)疏散方面的新問題。由于鐵路隧道防災(zāi)救援系統(tǒng)的復(fù)雜性，目前在我國(guó)尚無(wú)專門的規(guī)范遵循。雖然2007年頒布了《鐵路工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(TB1063—2007)，但關(guān)于長(zhǎng)大隧道防災(zāi)救援設(shè)施供電、消防報(bào)警聯(lián)動(dòng)控制、防災(zāi)應(yīng)急照明、主要電氣設(shè)備材料選擇要求等相關(guān)條文甚少。

以向莆鐵路青云山隧道、武廣客運(yùn)專線瀏陽(yáng)河隧道、廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道為例，對(duì)鐵路山嶺隧道和水下隧道的防災(zāi)救援系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)作一個(gè)歸納總結(jié)，力求對(duì)我國(guó)鐵路隧道防災(zāi)救援系統(tǒng)電氣技術(shù)發(fā)展起到拋磚引玉的作用。

2 防災(zāi)電源接引及供電原則

2.1 供電負(fù)荷的分布

鐵路隧道的供電負(fù)荷主要分布在正線隧道進(jìn)出口、正線隧道內(nèi)的防災(zāi)救援定點(diǎn)、輔助疏散通道、雙洞單線隧道的聯(lián)絡(luò)橫通道、特長(zhǎng)隧道的通風(fēng)排煙隧洞、水下隧道的最低處廢水泵房等地方。

正線隧道進(jìn)出口段分布有射流風(fēng)機(jī)、雨水泵;正線隧道內(nèi)的防災(zāi)救援定點(diǎn)分布有射流風(fēng)機(jī)、通信負(fù)荷、消防水泵等;輔助疏散通道分布有射流風(fēng)機(jī)、水泵;特長(zhǎng)隧道的通風(fēng)排煙隧洞分布有通風(fēng)排煙風(fēng)機(jī);水下隧道的最低處廢水泵房設(shè)有排污泵;另外，各隧洞沿線還分布有照明負(fù)荷，各設(shè)備洞室設(shè)置防護(hù)門后的設(shè)備洞室通風(fēng)機(jī)。

山嶺隧道以向莆線青云山隧道為例，主要供電負(fù)荷分布見表1。

表1 向莆線青云山隧道主要供電負(fù)荷分布

水下隧道以武廣客運(yùn)專線瀏陽(yáng)河隧道為例，其主要供電負(fù)荷分布，見表2。

表2 武廣客運(yùn)專線瀏陽(yáng)河隧道主要供電負(fù)荷分布

2.2 負(fù)荷等級(jí)

一級(jí)負(fù)荷主要包括:與防災(zāi)安全相關(guān)的射流風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)、各類水泵、應(yīng)急照明、通信負(fù)荷、消防負(fù)荷、接觸網(wǎng)開關(guān)遠(yuǎn)動(dòng)控制站等。其中通信負(fù)荷、應(yīng)急照明、水下隧道最低處的廢水排污泵為一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷。

二級(jí)負(fù)荷主要包括:設(shè)備洞室通風(fēng)機(jī)等。

其余負(fù)荷等級(jí)劃分則參照現(xiàn)行國(guó)家及行業(yè)相關(guān)規(guī)程規(guī)范確定。

2.3 防災(zāi)電源接引

在用電負(fù)荷中心設(shè)變配電所，優(yōu)先采用公共電網(wǎng)接引可靠電源，當(dāng)用電負(fù)荷較小時(shí)，可接引鐵路10 kV貫通線電源。對(duì)于一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，應(yīng)設(shè)UPS、EPS、柴油發(fā)電機(jī)組等應(yīng)急電源。

2.4 供電原則

一級(jí)負(fù)荷:2路相對(duì)獨(dú)立電源分別供電至用電設(shè)備或低壓雙電源切換裝置處，當(dāng)2個(gè)電源中一個(gè)電源發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞。一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，除設(shè)兩路電源外，還必須設(shè)置應(yīng)急電源。

二級(jí)負(fù)荷:有條件時(shí)提供2路高壓電源供電，當(dāng)兩路電源供電確有困難時(shí)可為1路高壓電源供電。

三級(jí)負(fù)荷:一般采用單回路供電，當(dāng)供電系統(tǒng)為非正常運(yùn)行方式時(shí)，允許將其切除。

3 隧道供電方案及應(yīng)急照明

3.1 隧道供電方案

3.1.1 變配電系統(tǒng)

根據(jù)負(fù)荷分布情況，在隧道一端或兩端設(shè)置35(10)kV變配電所。對(duì)于特長(zhǎng)隧道可在隧道出、入口各設(shè)1座35(10)kV變配電所，分別對(duì)一半長(zhǎng)度的隧道供電，各變配電所分別由地方電網(wǎng)接引2路獨(dú)立電源。變配電所高壓主接線采用單母線分段，設(shè)雙臺(tái)變壓器;在防災(zāi)救援定點(diǎn)、輔助疏散通道口、水下隧道廢水泵房等負(fù)荷集中點(diǎn)設(shè)10/0.4 kV箱式變電站，另外隧道沿線分段設(shè)照明箱式變電站供照明負(fù)荷及區(qū)間通信基站、直放站等負(fù)荷。照明箱式變電站由綜合負(fù)荷貫通線和一級(jí)負(fù)荷貫通線各接引1路電源環(huán)網(wǎng)供電，其他各變電站分別由兩側(cè)35(10)kV配電所不同10 kV母線各接引1路電源環(huán)網(wǎng)供電，保證隧道內(nèi)的一級(jí)負(fù)荷有2路可靠電源供電。

對(duì)于通信負(fù)荷、應(yīng)急照明等一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，除保證2路獨(dú)立電源供電外，還設(shè)置EPS電源作為應(yīng)急電源;對(duì)于水下隧道最低處的廢水排污泵還可設(shè)置備用低壓柴油發(fā)電機(jī)組作為水下隧道排水應(yīng)急備用電源。

山嶺隧道以向莆線青云山隧道為例，變電所分布見表3。

水下隧道以武廣客運(yùn)專線瀏陽(yáng)河隧道為例，變電所分布見表4。

表3 向莆線青云山隧道變電所分布

表4 武廣客運(yùn)專線瀏陽(yáng)河隧道變電所分布

3.1.2 防災(zāi)動(dòng)力設(shè)備供電、控制和保護(hù)方式

(1)由于隧道內(nèi)防災(zāi)用電設(shè)備容量較大，從變電所至用電設(shè)備處采用放射式雙電源和樹干式雙電源結(jié)合的混合式配電網(wǎng)絡(luò)。

(2)對(duì)于隧道內(nèi)防災(zāi)用電設(shè)備等一級(jí)負(fù)荷，在用電設(shè)備處或低壓配電末端設(shè)雙電源切換裝置，雙電源經(jīng)雙電源切換裝置切換后供電。

(3)較大容量射流風(fēng)機(jī)、水泵采用軟啟動(dòng)或變頻裝置啟動(dòng)。

(4)隧道內(nèi)設(shè)備洞室通風(fēng)機(jī)或去濕設(shè)備從照明電源箱接取電源，并根據(jù)洞室環(huán)境自動(dòng)控制其起停。

(5)各類風(fēng)機(jī)、水泵等控制系統(tǒng)納入隧道火災(zāi)報(bào)警聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)。

3.2 防災(zāi)應(yīng)急照明

3.2.1 隧道應(yīng)急照明

(1)設(shè)置原則:長(zhǎng)度5 km以上或有緊急出口的隧道內(nèi)設(shè)置應(yīng)急照明和疏散指示標(biāo)志。

(2)隧道設(shè)正常固定照明并作為疏散應(yīng)急照明使用，采用可快速啟動(dòng)光源的專用隧道燈。雙線隧道照明燈沿隧道兩側(cè)交錯(cuò)布置，單線隧道照明燈沿隧道單側(cè)布置，地面最低照度不應(yīng)小于0.5 lx，供電時(shí)間不應(yīng)小于2 h。

(3)隧道設(shè)疏散指示燈及標(biāo)志燈，光源采用LED燈。雙線隧道照明燈沿隧道兩側(cè)對(duì)稱布置，單線隧道照明燈沿隧道單側(cè)布置，距地0.5 m。疏散指示照明標(biāo)志安裝間距不大于30 m。

3.2.2 室外照明

疏散通道洞外疏散場(chǎng)地照明采用投光燈塔照明，可遠(yuǎn)方控制。

4 火災(zāi)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)

由于目前我國(guó)尚無(wú)專門的針對(duì)鐵路隧道火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的規(guī)范遵循。各條已完成設(shè)計(jì)的鐵路隧道火災(zāi)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)采用了不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4.1 武廣客運(yùn)專線瀏陽(yáng)河隧道

4.1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

(1)隧道內(nèi)按同一時(shí)間只發(fā)生一次火災(zāi)考慮救災(zāi)能力。

(2)系統(tǒng)保護(hù)范圍為隧道全段范圍。

(3)采用以防為主，防消結(jié)合的方針。

(4)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)有自動(dòng)和手動(dòng)兩種觸發(fā)裝置;自動(dòng)報(bào)警裝置須盡可能早且準(zhǔn)確地探測(cè)到火災(zāi)情況。

4.1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

由設(shè)置在隧道武漢端洞口配電所控制室內(nèi)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)主機(jī)及工作站、隧道洞室內(nèi)分段設(shè)置的火災(zāi)區(qū)域報(bào)警控制器及風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制器、隧道內(nèi)光纖感溫火情監(jiān)控控制器、手動(dòng)報(bào)警按鈕、消火栓啟泵按鈕及相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

隧道火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)工作站預(yù)留上傳信息至隧道機(jī)電監(jiān)控中心的接口。

4.1.3 系統(tǒng)基本功能

(1)基本功能

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理、人機(jī)界面、報(bào)警功能、打印功能、在線自診斷功能及設(shè)備維修管理。

(2)報(bào)警功能

監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)的空氣溫度及火情，監(jiān)測(cè)隧道風(fēng)機(jī)設(shè)備和水消防、廢水雨水排水等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到火災(zāi)危險(xiǎn)情況后，及時(shí)向火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)工作站及相關(guān)控制系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信息。

(3)控制功能

在隧道洞室內(nèi)設(shè)置風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備，可對(duì)風(fēng)機(jī)就地現(xiàn)場(chǎng)控制;也可對(duì)風(fēng)機(jī)的各種工況模式進(jìn)行自動(dòng)控制。

在消防泵房的消防聯(lián)動(dòng)控制柜、隧道最低處廢水泵房控制柜設(shè)置直接控制按鈕，對(duì)各類水泵直接強(qiáng)行控制。

在隧道北口配電所控制室內(nèi)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)工作站上可對(duì)隧道風(fēng)機(jī)、各類水泵進(jìn)行遠(yuǎn)方控制，并接受其反饋信號(hào)。

(4)顯示功能

報(bào)警點(diǎn)及消防設(shè)備狀態(tài)在智能火災(zāi)報(bào)警控制器上顯示，同時(shí)也可在FAS工作站中文彩色圖形終端上顯示。

4.2 廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道

4.2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

(1)隧道內(nèi)按同一時(shí)間只發(fā)生1次火災(zāi)考慮救災(zāi)能力。

(2)系統(tǒng)保護(hù)范圍為江中最低處防災(zāi)救援定點(diǎn)約500 m范圍。

(3)采用以防為主，防消結(jié)合的方針。

(4)報(bào)警系統(tǒng)只設(shè)有手動(dòng)觸發(fā)裝置。

4.2.2 系統(tǒng)構(gòu)成及基本功能

根據(jù)隧道內(nèi)水消防系統(tǒng)消火栓箱的布置，在消火栓箱旁設(shè)置手動(dòng)報(bào)警按鈕及消火栓啟動(dòng)按鈕。在江中泵房設(shè)置區(qū)域報(bào)警控制器，將消火栓箱及消防泵狀態(tài)信息上傳至進(jìn)口變配電所內(nèi)的消防控制工作站，并接收消防水泵控制命令。根據(jù)隧道火災(zāi)工況模式，對(duì)隧道風(fēng)機(jī)進(jìn)行火災(zāi)模式控制。射流風(fēng)機(jī)啟動(dòng)按順序延時(shí)啟動(dòng)，延時(shí)時(shí)間考慮啟動(dòng)開始到穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間。

4.3 向莆線青云山隧道

4.3.1 系統(tǒng)方案

防災(zāi)設(shè)備控制系統(tǒng)采用多級(jí)控制方案。

在各防災(zāi)設(shè)備附近設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)手操箱用于隧道內(nèi)設(shè)備維護(hù)檢修的就地級(jí)控制，手操箱控制具有最高優(yōu)先級(jí)別，優(yōu)先級(jí)判斷通過動(dòng)力控制箱二次電路實(shí)現(xiàn)。

在隧道內(nèi)的救援平臺(tái)處設(shè)置緊急啟/停裝置，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害情況下隧道內(nèi)對(duì)防災(zāi)設(shè)備的緊急控制，增強(qiáng)防災(zāi)設(shè)備應(yīng)急啟動(dòng)的及時(shí)性和可靠性。

另外，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)全線隧道內(nèi)防災(zāi)設(shè)備的統(tǒng)一監(jiān)控及管理，在向莆線永泰車站綜合工區(qū)控制中心設(shè)置集中監(jiān)視/控制平臺(tái)，同時(shí)預(yù)留數(shù)據(jù)接口，需要時(shí)可將設(shè)備狀態(tài)信息上傳至中心調(diào)度所。

4.3.2 系統(tǒng)構(gòu)成

本次控制系統(tǒng)采用PLC設(shè)備，通過現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，搭建獨(dú)立的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

在永泰綜合工區(qū)控制中心內(nèi)設(shè)置冗余監(jiān)控工作站和服務(wù)器，用于系統(tǒng)參數(shù)配置和日常維護(hù)。系統(tǒng)在青云山隧道救援平臺(tái)處設(shè)置冗余現(xiàn)場(chǎng)PLC控制器，負(fù)責(zé)監(jiān)控隧道內(nèi)的防災(zāi)設(shè)備。在永泰控制中心內(nèi)設(shè)置冗余網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，通過100 M光口與青云山隧道救援平臺(tái)處的PLC控制權(quán)互聯(lián)。

控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線，通過單模光纜將各PLC設(shè)備及各現(xiàn)場(chǎng)模塊箱相連，增加網(wǎng)絡(luò)中繼設(shè)備保證通信距離。

4.3.3 系統(tǒng)功能

(1)遠(yuǎn)程監(jiān)控各類防災(zāi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)主要設(shè)備狀態(tài)記錄及累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，提出維修保養(yǎng)策略。

(2)根據(jù)防災(zāi)通風(fēng)工藝，協(xié)調(diào)各類風(fēng)機(jī)及相應(yīng)風(fēng)閥聯(lián)動(dòng)，確保風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行安全可靠。

(3)根據(jù)不同災(zāi)害模式，預(yù)置各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，對(duì)所有的監(jiān)控設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制、聯(lián)鎖控制和各種模式控制。

(4)同時(shí)具有檔案管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、分級(jí)顯示等系統(tǒng)功能。

5 主要電氣設(shè)備材料選型

5.1 主要電氣設(shè)備選型

隧道內(nèi)所有電氣設(shè)備全部無(wú)油化，消除火災(zāi)隱患，并且選用低噪聲、空氣自冷、無(wú)自爆、免維護(hù)、符合防火安全和五防要求的產(chǎn)品。隧道內(nèi)的電力配電、控制等箱柜、照明燈具應(yīng)滿足隧道特殊環(huán)境條件要求，防護(hù)等級(jí)一般為IP54及以上，具備抗風(fēng)壓、防潮、防腐蝕、防振動(dòng)等功能。

對(duì)于向莆鐵路青云山隧道、武廣客運(yùn)專線瀏陽(yáng)河隧道等采用鉆爆法施工的隧道，隧道內(nèi)的變配電設(shè)備設(shè)于隧道壁開鑿的專用的設(shè)備洞室內(nèi)，設(shè)備洞室設(shè)防火門。對(duì)于廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道，由于其采用盾構(gòu)法施工，隧道斷面較小，無(wú)法設(shè)置設(shè)備洞室和洞室防護(hù)門，變配電設(shè)備設(shè)于隧道側(cè)壁旁，因此必須進(jìn)一步加強(qiáng)隧道內(nèi)變配電設(shè)備本體的防火性能。在箱式變電站內(nèi)增加了氣體滅火裝置，采用火探管式自動(dòng)滅火系統(tǒng)?；鹛焦芡ㄟ^容器閥連接到滅火劑容器上，進(jìn)行火源探測(cè)，遇火時(shí)火探管爆破，利用火探管中的壓力下降，啟動(dòng)容器閥，通過裝在容器閥出口處的轉(zhuǎn)換接頭，將滅火劑輸送到原火探管爆破孔釋放。滅火裝置按貯存滅火劑種類不同可分為:二氧化碳直接式火探滅火裝置和七氟丙烷直接式火探滅火裝置。

5.2 主要電氣材料選型

隧道內(nèi)的高、低壓電纜采用低煙無(wú)鹵阻燃銅芯電力電纜;低壓電線采用低煙無(wú)鹵阻燃銅芯電線。給消防設(shè)備供電的電力電纜和電線均采用耐火型。對(duì)于進(jìn)出箱變的高低壓電纜在進(jìn)出電纜孔做好防火封堵。施工時(shí)對(duì)電纜頭的制作及安裝，嚴(yán)格執(zhí)行安裝工藝要求，避免由于電纜頭安裝不當(dāng)造成的爆炸燃燒隱患。

另外，根據(jù)《關(guān)于發(fā)布高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范等14項(xiàng)鐵路工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)局部修訂條文的通知》(鐵建設(shè)［2012］29號(hào))第12條的規(guī)定，當(dāng)長(zhǎng)及特長(zhǎng)隧道的電纜槽內(nèi)電力電纜敷設(shè)于隧道內(nèi)的電纜槽，并且采取了蓋板、鋪砂等防阻燃措施，也可采用非阻燃電纜。既可以降低工程造價(jià)也可延長(zhǎng)電纜使用壽命。

隧道內(nèi)的所有燈具安裝、電氣設(shè)備安裝及配線應(yīng)滿足列車最高速度值運(yùn)行時(shí)的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)大隧道防災(zāi)救援系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)主要包括防災(zāi)設(shè)施供電、消防報(bào)警聯(lián)動(dòng)控制、防災(zāi)應(yīng)急照明等幾個(gè)主要方面。

針對(duì)山嶺隧道和水下隧道不同類型，其電氣設(shè)計(jì)方案有所不同，特別是主要電氣設(shè)備材料的選擇還與隧道主體工程采用鉆爆法、盾構(gòu)法等施工方法相關(guān)。

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