大型地鐵地下空間電氣設(shè)計(jì)方法

蒲曉成，石銀河

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308）

1 大型地下空間機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

在地下空間發(fā)展過程中，應(yīng)遵循“以人為中心”的發(fā)展理念，借鑒城市的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工等多種方式，使之更具人性化。在建設(shè)項(xiàng)目中，要充分利用空間與地面的有效連接，使地下與城市的空間結(jié)合更加緊密。例如，通過與地面的高效轉(zhuǎn)換可以增強(qiáng)與地面的連接。同時(shí)，引入了自然光線、綠地等相關(guān)建筑設(shè)備，可以使整個(gè)建筑的整體質(zhì)量得到進(jìn)一步提升。對(duì)于大型地下空間機(jī)電系統(tǒng)，由于建筑面積龐大，并且各子系統(tǒng)功能復(fù)雜、防火分區(qū)多，使得設(shè)備配置錯(cuò)綜復(fù)雜、零散，各個(gè)子系統(tǒng)的制式、模式和設(shè)備的空間分布不明確。因此，各個(gè)區(qū)域的電氣設(shè)備通常要單獨(dú)布置。

大型地下空間商業(yè)開發(fā)部分的業(yè)態(tài)需求有著巨大的不確定性，因此，更需要提高機(jī)電系統(tǒng)配置的合理性，增強(qiáng)機(jī)電系統(tǒng)配置的可擴(kuò)充性，既滿足業(yè)態(tài)需求，又避免資源浪費(fèi)。此外，復(fù)雜的大型地下空間需要有能夠體現(xiàn)其更高價(jià)值性的地面景觀設(shè)計(jì)，將交叉延伸的地下空間發(fā)展形成了立體的城市交通體系。

每個(gè)區(qū)域的管理與維護(hù)工作都不是一成不變的，所以對(duì)機(jī)電設(shè)備需要細(xì)化操作、維護(hù)和管理。機(jī)電一體化技術(shù)能有效地解決地下室內(nèi)的密閉、壓抑問題，提高室內(nèi)的空氣品質(zhì)，解決大型地下空間防災(zāi)處理困難的問題，全面完善系統(tǒng)功能。如何正確地規(guī)劃地下空間的專用界面，是目前地鐵工程機(jī)電一體化的一個(gè)重要問題。在地下空間機(jī)電系統(tǒng)選擇方面，需要根據(jù)具體的建筑規(guī)模、功能，并綜合考慮其他方面因素，明確適合其空間發(fā)展的制式和模式系統(tǒng)。

2 大型地下空間機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

考慮到大面積地下空間的特征，必須根據(jù)其發(fā)展規(guī)律進(jìn)行空間電氣系統(tǒng)的規(guī)劃，主要表現(xiàn)為以下方面：

（1）在滿足空間設(shè)計(jì)原則的前提下，轉(zhuǎn)變地下空間設(shè)計(jì)理念，加強(qiáng)空間的和諧性和服務(wù)性，創(chuàng)造出更加和諧舒適的空間環(huán)境。不斷提高和完善機(jī)電系統(tǒng)功能，進(jìn)一步增強(qiáng)大型地下空間機(jī)電系統(tǒng)在管理運(yùn)營(yíng)方面的空間機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化。不斷完善和創(chuàng)新技術(shù)，在已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體的設(shè)備技術(shù)發(fā)展情況，綜合設(shè)計(jì)更加統(tǒng)一、協(xié)調(diào)的地下空間機(jī)電系統(tǒng)。

（2）不斷提高技術(shù)創(chuàng)新水平，增強(qiáng)機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展走創(chuàng)新之路。在現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備的基礎(chǔ)之上，開拓思維、創(chuàng)新技術(shù)、完善設(shè)備安全性能、提高設(shè)備環(huán)保節(jié)能效率、增強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，并在自身技術(shù)安全、可靠的前提下，做出開創(chuàng)性技術(shù)變革，能夠完善生產(chǎn)技術(shù)和工藝，設(shè)計(jì)出節(jié)能、環(huán)保、安全、可靠的新型建筑材料和產(chǎn)品，從而為建設(shè)更加安全舒適、方便快捷的新型地下空間提供保障。

（3）大型地下空間建筑是龐大、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能對(duì)防災(zāi)救援措施產(chǎn)生不利影響。因此，針對(duì)不同地區(qū)的災(zāi)害防治標(biāo)準(zhǔn)，提出更為科學(xué)、合理的災(zāi)害防治思想，并開展針對(duì)性的主題宣傳與研討。

3 大型地鐵地下空間電氣設(shè)計(jì)的重點(diǎn)

首先明確大型地鐵地下空間的功能分區(qū)，根據(jù)各功能區(qū)對(duì)電力資源的需求做針對(duì)性的設(shè)計(jì)，以適應(yīng)用電負(fù)荷種類多、用電設(shè)備分散的特點(diǎn)。同時(shí)，考慮設(shè)備的特性，匹配合適的供配電系統(tǒng)，提供電力資源供應(yīng)保障。

部分大型地鐵地下空間發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)存在救援難度大的局限性。出于安全考慮，電氣設(shè)計(jì)時(shí)必須保證供電系統(tǒng)的可靠性。大型地鐵地下空間的功能分區(qū)豐富，各區(qū)含有不同類型的電氣設(shè)備，必須有針對(duì)性地設(shè)計(jì)供配電系統(tǒng)。設(shè)計(jì)時(shí)，確定供配電系統(tǒng)的電氣設(shè)備分布位置、規(guī)格及數(shù)量，在合適的區(qū)域規(guī)劃電氣用房，減少對(duì)建筑空間完整性的影響，并精簡(jiǎn)子系統(tǒng)，提升配電的可靠性[1]。

地下空間的土建成本高，減少對(duì)商業(yè)面積的占用，同時(shí)保證供電的合理性，是供電設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容。為保證供電的合理性，需注重對(duì)供電設(shè)施布置位置的規(guī)劃。應(yīng)在負(fù)荷中心布置變電所或其他電氣設(shè)備用房，縮短供電距離，減少電壓損耗。如果周邊環(huán)境對(duì)供電設(shè)計(jì)的限制性較強(qiáng)，例如為滿足商業(yè)開發(fā)的用地要求而不允許出現(xiàn)電氣設(shè)備房占用商用面積的情況，需綜合考慮各類特殊條件。本文提出的變電所位置設(shè)計(jì)思路：①臨近負(fù)荷中心，縮短供電距離；②臨近電源側(cè)；③根據(jù)設(shè)備安裝便捷性的要求規(guī)劃設(shè)計(jì)；④不設(shè)在多塵、存在大量水霧的場(chǎng)所，若由于條件限制而無法滿足此要求，優(yōu)先將變電所規(guī)劃在污源的下風(fēng)側(cè)；⑤不設(shè)在振動(dòng)劇烈的場(chǎng)所；⑥不設(shè)在經(jīng)常積水區(qū)域的正下方；⑦不設(shè)在有火災(zāi)危險(xiǎn)場(chǎng)所的正下方或正上方；⑧禁止在危險(xiǎn)爆炸場(chǎng)所內(nèi)設(shè)置變電所。

4 工程實(shí)例

某大型地鐵地下空間工程項(xiàng)目，建筑面積約92 580 m2，地處城市中心區(qū)域。地面下沉式廣場(chǎng)及地下物業(yè)區(qū)包含-3F 物業(yè)部分設(shè)備管理用房區(qū)、-2F 地下車庫、-1F 商業(yè)娛樂及展覽擴(kuò)展空間和地面下沉式廣場(chǎng)。各層間連通，應(yīng)用到的連通設(shè)施包含自動(dòng)扶梯、觀光電梯、步行階梯等。

5 大型地鐵地下空間的電氣設(shè)計(jì)

5.1 供電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

從地區(qū)變電所單獨(dú)引兩回路10 kV 高壓電源至地下空間供電系統(tǒng)，每路均可承受工程全部一、二級(jí)用電負(fù)荷。各變電所均設(shè)計(jì)2 臺(tái)變壓器，總?cè)萘?400 kV·A。變電所分別設(shè)在-2F 及地鐵2 號(hào)線的-3F，物業(yè)部分的變電所采用10/0.4 kV，并于-2F、-3F 設(shè)置應(yīng)急照明電源裝置。10 kV 高壓電源電纜引入電纜井道，廣場(chǎng)燈控室布置在-2F，考慮到燈控室控制范圍廣、容量大的特點(diǎn)（包括景觀照明、噴泉水泵），為了保證電力使用的安全性，從變電站的集中式母線導(dǎo)入到燈控制室的配電箱中。

每一樓層消防區(qū)域都設(shè)有配電室，地鐵1 號(hào)線設(shè)牽引降壓混合變電所1 處、跟隨式變電所2 處，布置位置分別在1 號(hào)線的-2F 和-3F、2 號(hào)線的-4F。廣場(chǎng)中部變電所、地鐵2 號(hào)線-3F物業(yè)部分均有1 處電纜井，電纜穿越電纜井的人防墻體均預(yù)留鋼管。地鐵電源與物業(yè)開發(fā)電源分別源自于不同的電源，為避免彼此間交叉，進(jìn)行相互對(duì)立配置。

5.2 負(fù)荷分級(jí)及供電要求

負(fù)荷分級(jí)方式為一、二、三級(jí)負(fù)荷，具體的供電要求如下：

（1）一級(jí)負(fù)荷，包含通信、設(shè)備監(jiān)控、消防泵、廢水泵、防災(zāi)報(bào)警、排煙風(fēng)機(jī)、消防電梯、應(yīng)急照明等。電源需求：由變電站的兩個(gè)低電壓母線各進(jìn)一回路，兩端開關(guān)；緊急燈光由一組緊急電力供應(yīng)系統(tǒng)提供。

（2）二次負(fù)載，包括風(fēng)機(jī)、設(shè)備管理用房照明、一般照明、污水泵、集水泵、送風(fēng)機(jī)等。電源需求：通過變電站一節(jié)低電壓母線饋入一環(huán)，應(yīng)急時(shí)切斷電源，保證電力供應(yīng)的安全性。

（3）三級(jí)負(fù)荷，包含空調(diào)機(jī)組、電熱設(shè)備、對(duì)冷凍室及其配套設(shè)備、廣告照明及清洗設(shè)備等。供電需求：一節(jié)高壓母排供電，當(dāng)電力供應(yīng)只有1 臺(tái)時(shí)，該部分將被切斷。

5.3 主接線及運(yùn)行方式

例如-2F 變電站10 kV 高壓母線，其主要連接方式為單母斷線路，具體接線情況如圖1 所示。兩路電源協(xié)同供電，2 段母線各帶2 臺(tái)變壓器，分段斷路器正常開路。若一路10 kV 電源暫停供電，聯(lián)跳0.4 kV 低壓側(cè)的三級(jí)負(fù)荷及地面廣場(chǎng)用電負(fù)荷，同時(shí)本路進(jìn)線斷路器失壓跳閘，10 kV 斷路器可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閉合，4 個(gè)變壓器均采用10 kV 普通線路供電。-3F 變電站的電源采用-2F 變電站2 個(gè)10 kV 母線分別接一條線路。

圖1 單母線斷路器分段接線示意

5.4 變壓器容量的設(shè)定

以實(shí)際用電負(fù)荷為準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)預(yù)留余量，保證變壓器長(zhǎng)期的穩(wěn)定運(yùn)行。變電所按2 臺(tái)等容量變壓器設(shè)計(jì)，單臺(tái)為1600 kV·A，在此設(shè)計(jì)方式下，就算有1 座變壓器出了問題，剩下的1 座也能繼續(xù)工作，保證一、二負(fù)荷的供電能力。在位置的規(guī)劃上，按照大的一階的變壓器進(jìn)行了預(yù)留[2]。

5.5 0.4 kV 側(cè)接線及運(yùn)行方式

在常規(guī)工況下，采用分段斷路器，兩端各有1/2 負(fù)載，可達(dá)到總負(fù)載的需求。當(dāng)1 條0.4 kV 進(jìn)線發(fā)生故障時(shí)，進(jìn)線和三次負(fù)載的總開關(guān)會(huì)自動(dòng)斷電壓，并將其自動(dòng)投入使用。，此時(shí)全所的一、二級(jí)負(fù)荷用電均由另一路0.4 kV 進(jìn)線電源提供，此設(shè)計(jì)方式下可確保2 段母線的一、二級(jí)負(fù)荷供電需求得到滿足。

5.6 繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

10 kV 的進(jìn)線，設(shè)置了過流速斷、過流和無電壓的防護(hù)；饋線過流保護(hù)，斷流保護(hù)；母線分段采取過電流保護(hù)措施；10/0.4 kV變壓器進(jìn)線過流速斷、溫度保護(hù)；10 kV 母線分段及0.4 kV 母線分段配置自動(dòng)投入裝置且需帶有閉鎖功能；0.4 kV 進(jìn)線設(shè)短路短延時(shí)、過負(fù)荷、失壓和接地保護(hù)。

5.7 動(dòng)力供電設(shè)計(jì)

放射式配電設(shè)計(jì)方式，具體線路如圖2 所示。變電所2 段低壓母線均配置一回末端切換供電，以滿足一級(jí)負(fù)荷的用電需求；部分一級(jí)負(fù)荷的容量較小同時(shí)遠(yuǎn)離變電所，設(shè)計(jì)時(shí)采取分片兩回路供電的方式；在一些次級(jí)負(fù)載的低容量情況下，采用以樹枝形式進(jìn)行電力供應(yīng)的方式。集中式控制的對(duì)象是風(fēng)機(jī)、水泵等，應(yīng)針對(duì)此類裝置進(jìn)行監(jiān)控，保證裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 放射式配電線路

（1）通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的控制借助BAS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，具備就地控制和集中控制兩種控制策略，控制對(duì)象包含冷卻泵、冷凍泵、冷凍機(jī)、空調(diào)機(jī)、新風(fēng)機(jī)等，監(jiān)測(cè)信號(hào)分為裝置狀況和意外狀況。

（2）一般情況下，BAS 在ISCS 內(nèi)整合到一個(gè)站點(diǎn)，中央級(jí)、車站級(jí)的BAS 功能由ISCS 實(shí)現(xiàn)。對(duì)于平時(shí)用于送、排風(fēng)，火災(zāi)時(shí)執(zhí)行防排煙任務(wù)的車站共用設(shè)備，由BAS 控制。專用排煙風(fēng)機(jī)、消防泵、防火閥等火災(zāi)專用的消防設(shè)施是通過FAS 來實(shí)現(xiàn)的。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，F(xiàn)AS 向BAS 發(fā)出火災(zāi)模式指令，系統(tǒng)與FAS 或ISCS 系統(tǒng)進(jìn)行通信，接收救援命令，并根據(jù)火情類型對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的操作進(jìn)行操作，其中FAS 是最優(yōu)的。

（3）防火卷簾門、防火閥、擋煙垂板等設(shè)備的控制由FAS 系統(tǒng)進(jìn)行，采取集中控制和就地控制兩種控制機(jī)制?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，F(xiàn)AS 系統(tǒng)隨即響應(yīng)，切除配電所的三級(jí)負(fù)荷總開關(guān)。監(jiān)視信號(hào)的類型分為設(shè)備狀態(tài)信號(hào)和事故信號(hào)。對(duì)于消防水泵、集水泵、污水泵，控制方式聯(lián)合應(yīng)用的是就地手動(dòng)控制和液位自動(dòng)控制。通常情況采取直接啟動(dòng)方式，對(duì)于功率在37 kW 以上的電機(jī)，采用軟啟動(dòng)或降壓?jiǎn)?dòng)的方法[3]。

5.8 接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過對(duì)工程地質(zhì)報(bào)告、施工資料、周邊地下管線資料的綜合考慮，提出了一種基于工程地質(zhì)報(bào)告、施工資料及周邊地下管線數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行可行性研究。通過可行性論證，最終得出了最優(yōu)的接地方式。地鐵地面及地面系統(tǒng)包括3 個(gè)接地網(wǎng)，其中1、2 號(hào)線的地面接地網(wǎng)采用-3F 和-4F，而房地產(chǎn)開發(fā)的地面系統(tǒng)采用-2F 接地網(wǎng)。

6 結(jié)束語

在大型地鐵空間的設(shè)計(jì)中，電氣設(shè)計(jì)屬于重要內(nèi)容，應(yīng)由專業(yè)人員進(jìn)行深入研究，以保證工程電氣設(shè)計(jì)安全、地鐵運(yùn)營(yíng)安全及周邊環(huán)境安全。本文提出大型地鐵地下空間電氣設(shè)計(jì)思路與具體設(shè)計(jì)方法，以期為相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考。