淺談城市管廊電氣設(shè)計研究與應(yīng)用方案

 

摘要：根據(jù)新店外環(huán)路綜合管廊項目電氣設(shè)計的經(jīng)驗，結(jié)合相關(guān)設(shè)計規(guī)范，將綜合管廊電氣部分按功能分為電力電纜，供電系統(tǒng)，照明系統(tǒng)，監(jiān)控與報警系統(tǒng)以及防雷接地系統(tǒng)，以實際工程項目為例，對各系統(tǒng)的設(shè)計理念，設(shè)計要求以及·設(shè)計實例進(jìn)行闡述，并針對在設(shè)計過程中遇到的實際情況進(jìn)行分析。最后，結(jié)合設(shè)計體會，立足于綜合管廊今后發(fā)展的需求，展望今后綜合管廊的設(shè)計理念。

關(guān)鍵詞:綜合管廊；電氣；防火分隔；照明；監(jiān)控

 

      綜合管廊,起源于法國巴黎,別稱共同溝,共同管道,是容納兩種及以上工程管線的重要基礎(chǔ)設(shè)施在國外,英國、德國、日本、俄羅斯、西班牙等國家都在開展綜合管廊的建設(shè)。在我國,1958年的北京天安門就已經(jīng)建設(shè)有1000多米的綜合管廊。目前,我國現(xiàn)有的地下管線系統(tǒng)大多形成于20世紀(jì)初期,隨著城市的發(fā)展、居民生活水平的提高,逐漸老化的管線已經(jīng)無法滿足需求,但滯后于道路建設(shè)的管線增擴(kuò)容導(dǎo)致了反復(fù)開挖線路、管線事故頻發(fā)等現(xiàn)象,傳統(tǒng)的單一管線建設(shè)已經(jīng)無法適應(yīng)社會的發(fā)展。為解決管線建設(shè)的用地、施工問題以及“拉鏈路"、城市內(nèi)澇等社會問題,我國正大力推進(jìn)綜合管廊建設(shè).綜合管廊包含熱力,天然氣以及電力等管道,在實際運(yùn)行中,確保各管道的安全運(yùn)行是工程的重中之重,其中電氣設(shè)計包含了電力電纜、供電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、監(jiān)控與報警系統(tǒng)與防雷接地系統(tǒng)，直接關(guān)系著綜合管廊的日常運(yùn)維

      筆者根據(jù)自身在福州市新店外環(huán)路道路綜合管廊電氣設(shè)計的經(jīng)驗.結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與工程實例，簡述現(xiàn)今綜合管廊電氣設(shè)計的技術(shù)要求,為相似工程設(shè)計人員提供參考。

 

    在綜合管廊的設(shè)計過程中,電力電纜設(shè)計依據(jù)除了電壓等級、絕緣性能、電力容量等一般電力設(shè)計要求外,還需考慮到電力電纜對其他管線的影響。根據(jù)統(tǒng)計顯示,綜合管廊的電力電纜是火災(zāi)的大隱患。根據(jù)電壓等級將電力電纜分為不大于1000V的低壓電纜.35kV及以下的中壓電纜和大于35kV的高壓電纜。以現(xiàn)有工程實例及國家標(biāo)準(zhǔn)來看,在中低壓電纜的設(shè)計過程中，只要采用支架形式、選擇符合標(biāo)準(zhǔn)的阻燃或不燃電纜,并設(shè)有電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)及自動滅火裝置,其余參照現(xiàn)行的《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》即可。但由于高壓電纜在運(yùn)行過程中發(fā)熱從而引起的火災(zāi)以及干擾弱電信號的可能,其在設(shè)計過程中就有較多的限制,如:不能與通信電纜同艙設(shè)置?；谏鲜鲆蟛⒏鶕?jù)項目實際需要,在新店外環(huán)路項目中,電力電纜的設(shè)置如圖1所示。

 

 

     在設(shè)計過程中,高壓電纜布置在單獨(dú)的艙中,電壓電纜設(shè)有阻燃線槽。為保證隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的電力需求變大,在綜合艙與高壓艙中都設(shè)有電力電纜備用支架,避免后續(xù)電力擴(kuò)容帶來的綜合管廊擴(kuò)建問題,違背綜合管廊設(shè)計初衷。

     此外.雖然根據(jù)目前國內(nèi)外綜合管廊的實際工程設(shè)計來看,電力電纜與熱力電纜存在同艙敷設(shè)的現(xiàn)象[8],但新修訂的GB50838-2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》中,為確保綜合管廊內(nèi)各工程管線的安全運(yùn)行,都明確規(guī)定熱力管道不能與電力電纜同艙敷設(shè)[9]因此,在新項目的設(shè)計過程中,應(yīng)以規(guī)范為依據(jù)。

     正常穩(wěn)定的電力供應(yīng),是確保綜合管廊內(nèi)各附屬配套設(shè)備安全可靠運(yùn)行的重要前提。根據(jù)負(fù)荷對綜合管廊安全運(yùn)行的重要性,將綜合管廊中的用電負(fù)荷分為二級負(fù)荷和三級負(fù)荷。其中,二級負(fù)荷主要包括消防設(shè)備、監(jiān)控報警設(shè)備、應(yīng)急照明設(shè)備、天然氣管道艙的管道緊急切斷閥、事故風(fēng)機(jī),其余用電負(fù)荷為三級負(fù)荷。根據(jù)二級負(fù)荷的供電要求,應(yīng)采用雙回路供電。當(dāng)雙回路無法實現(xiàn)時,應(yīng)設(shè)置備用電源。新店外環(huán)路項目中供電系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示。

 

 

該項目采用公用電網(wǎng)提供的兩路10kV電源供電，兩路電源接自不同變電站或同一變電站的不同母線。供電方式采用單母線不分段的方式,各供電線路的備用回路引自另一母線。采用不間斷電源(Unin-terruptiblePowerSystem,UPS)作為備用電源。

 

     為保證運(yùn)維中的用電需求，根據(jù)GB508382015,應(yīng)設(shè)置間隔不大于60m且安裝位置不低于0.5m的交流220V/380V分區(qū)檢修插座箱,在該項目中,管廊內(nèi)每間隔50m進(jìn)行敷設(shè)。為保證供電質(zhì)量項目設(shè)計中還設(shè)有無功補(bǔ)償裝置,確保高壓側(cè)功率因素大于0.9。

    綜合管廊是位于地下的城市管道,缺少自然光源,照明系統(tǒng)依靠人工敷設(shè)。綜合管廊的照明系統(tǒng)總的可為一般照明與應(yīng)急照明兩部分.根據(jù)用途與場合可再細(xì)分為綜合管廊一般照明、綜合管廊應(yīng)急照明、綜合管廊疏散照明、設(shè)備房一般照明與設(shè)備房應(yīng)急照明等5類。為兼顧能源的節(jié)約與運(yùn)維人員在日常檢修中的安全和工作,需要以及應(yīng)對緊急突發(fā)情況時的疏散需求,新店外環(huán)路綜合管廊項目照明系統(tǒng)的照度設(shè)計略高于GB50838-2015中要求的低值，其主要照明系統(tǒng)設(shè)置如表1所示

 

在設(shè)計中,針對出人口、設(shè)備操作處以及控制室等關(guān)鍵位置進(jìn)行照度的增強(qiáng)。表1中高壓配電室設(shè)計值略低于標(biāo)準(zhǔn)值,是由于根據(jù)功率密度的要求，應(yīng)低于7W/m,當(dāng)高壓配電室照度選取185lx時,其功率密度為6.8W/m’。因此,不宜選取更高的照度,否則功率密度會超出標(biāo)準(zhǔn)值。

      由于綜合管廊處于地底,工況相對復(fù)雜,特別是對防水、防塵的要求較高,因此照明系統(tǒng)所用燈具采用防護(hù)等級大于等于IP54的熒光燈,且在防觸電、防外力沖撞上都應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)措施，如將能觸及的導(dǎo)電部分與固定線路的PE線相連接,設(shè)置燈具外殼接地專用線等,而用于應(yīng)急照明的熒光燈還需帶有。供電時間為90min的蓄電池。此外,在重要出人口,綜合管廊內(nèi)還設(shè)有疏散指示燈、安全出口燈。

 

     監(jiān)控與報警系統(tǒng)是對綜合管廊在運(yùn)行過程中的管理與保護(hù),在發(fā)現(xiàn)故障隱患、限制故障范圍、保護(hù)工作人員與設(shè)備的安全等方面發(fā)揮著重要作用,通常包括環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、預(yù)警與報警系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)與統(tǒng)一管理信息平臺等。在新店外環(huán)路綜合管廊的項目中,根據(jù)綜合管廊內(nèi)實際情況與實際工程需求,將于火災(zāi)防護(hù)部分獨(dú)立出來進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計。在設(shè)計中主要將監(jiān)控與報警系統(tǒng)分為火災(zāi)自動報警及聯(lián)動控制系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)兩大部分。

4.1火災(zāi)自動報警及聯(lián)動系統(tǒng)

     由于綜合管廊內(nèi)工程管線種類多,工況復(fù)雜,在各管道的工作過程中存在漏氣、漏電的可能性,各附屬設(shè)備在運(yùn)行過程中存在著局部放電、短路電弧等產(chǎn)生明火的可能,這些都是誘發(fā)火災(zāi)的潛在因素。為保障綜合管廊內(nèi)工作人員的安全與各工程管線的正常運(yùn)行,除在管廊建設(shè)過程中設(shè)置的防火區(qū)以及設(shè)備材料選型中選用阻燃、不燃的材質(zhì)外.還需針對火災(zāi)可能發(fā)生的關(guān)鍵位置安裝火災(zāi)監(jiān)控裝置,以及設(shè)計假設(shè)火災(zāi)發(fā)生后的快速滅火方案。從火災(zāi)發(fā)生前、發(fā)生時、發(fā)生后采取的針對措施。

根據(jù)新店外環(huán)路綜合管廊項目的實際需要，項目中火災(zāi)自動報警及聯(lián)動系統(tǒng)由一臺放置于弱電控制室的火災(zāi)報警聯(lián)動主機(jī)和各防火分區(qū)內(nèi)的區(qū)域火災(zāi)報警控制器與氣體滅火控制器組成。主機(jī)與控制器通過1000Mbps快速以太環(huán)網(wǎng)相連接。在弱電控制室即可監(jiān)測所有火災(zāi)報警信號和聯(lián)動控制信號，并控制重要消防設(shè)備。系統(tǒng)具體的設(shè)備包括:、手動報警按鈕、火災(zāi)聲光報警器、消防專用電話、火災(zāi)報警控制器、感溫探測主機(jī)、感溫光纖、消防聯(lián)動控制器、應(yīng)急照明控制器、氣體滅火控制器、防火門監(jiān)控系統(tǒng)、消防電源監(jiān)控系統(tǒng)、直流備用電源、弱電控制室圖形顯示裝置等。以火災(zāi)發(fā)生到滅火為例,系統(tǒng)的主要工作原理如圖3所示。

 

 

      當(dāng)探測器或工作人員發(fā)現(xiàn)火災(zāi)險情時,發(fā)送命令氣體滅火控制器,隨后啟動設(shè)備聯(lián)動、火警顯示、釋放門燈顯示以及火災(zāi)發(fā)生區(qū)域的滅火裝置。除滅火外,當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時,系統(tǒng)應(yīng)將火災(zāi)發(fā)生區(qū)域進(jìn)行隔離,保護(hù)工作人員以及其他防火分區(qū)的設(shè)備并引導(dǎo)工作人員脫離火災(zāi)區(qū)域。工程中為實現(xiàn)此目的專門設(shè)計了防火門,但根據(jù)近年來事故的分析報告,火災(zāi)發(fā)生時,有較多的防火門出現(xiàn)門體損壞、關(guān)閉不嚴(yán)等隱患,沒能發(fā)揮預(yù)期的效果,導(dǎo)致火災(zāi)造成的損失變大。基于此,需采用相應(yīng)的防火門監(jiān)控系統(tǒng)對防火門的運(yùn)行狀態(tài),保證防火門在火災(zāi)中能發(fā)揮作用。

根據(jù)防火門的日常工作狀態(tài).將防火門分為常閉型與常開型。通常情況下采用常閉型防火門,在人員出入頻繁的場合,為避免使用上的不便以及頻繁使用導(dǎo)致的設(shè)備損壞、關(guān)閉不嚴(yán)等問題,宜采用常開型防火門。對兩類防火門來說,都需設(shè)置相應(yīng)的防火門控制器,能將防火門的故障信息、狀態(tài)信息傳送至控制主機(jī),并實現(xiàn)聯(lián)動控制。根據(jù)實際場合的需要,針對常閉型防火門,由于火災(zāi)發(fā)生時不需要改變運(yùn)行狀態(tài)，因此在設(shè)計中保留聯(lián)動信號接口，但不接入聯(lián)動系統(tǒng);而常開型防火門需接入聯(lián)動系統(tǒng)中,當(dāng)在關(guān)閉后,工作人員可通過手動開關(guān)開啟,隨后再次關(guān)閉。火災(zāi)發(fā)生時,關(guān)閉重要設(shè)備、引導(dǎo)疏散人員、滅火等多方面同步進(jìn)行,力爭將火災(zāi)造成的損失降到較低。

4.2監(jiān)控系統(tǒng)

    根據(jù)GB50838-2015的規(guī)范要求,在綜合管廊內(nèi)應(yīng)對環(huán)境參數(shù)、通風(fēng)設(shè)備、排水泵、電氣設(shè)備以及各類管線設(shè)置環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng),并監(jiān)控報警統(tǒng)一管理平臺。

 

    與火災(zāi)自動報警及聯(lián)動系統(tǒng)相類似,同樣在弱電控制室中設(shè)置一監(jiān)控主機(jī)并通過千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)與各分區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信。各分區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)包括:現(xiàn)場檢測儀表系統(tǒng)、防入侵報警系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)、電子巡查系統(tǒng)以及環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。主要監(jiān)控風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況、照明系統(tǒng)運(yùn)行工況、排水泵運(yùn)行工況、配電柜智能網(wǎng)絡(luò)儀表、紅外對射裝置，H2S、CH，氣體、氧氣濃度值、溫濕度探測器以及靜壓式液位計。其中環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)如表2所示。

 

監(jiān)控系統(tǒng)各部分的相互通信如圖4所示。

 

 

        各監(jiān)控設(shè)備的敷設(shè)主要依據(jù)規(guī)范要求,敷設(shè)在諸如投料口、通風(fēng)不利處、出入口、電力電纜接頭處電氣設(shè)備間、送排風(fēng)口以及管道閥門處等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行控制原理為:當(dāng)分區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測到溫度高于40C,濕度高于或氧氣濃度低于設(shè)定值時，控制器啟動該分區(qū)的通風(fēng)機(jī),強(qiáng)制換氣,保障綜合管廊內(nèi)設(shè)施和工作人員的安全;當(dāng)防入侵系統(tǒng)監(jiān)測到發(fā)生入侵時,發(fā)出警報并打開相關(guān)區(qū)域的照明,將報警現(xiàn)場畫面切換到的圖像顯示設(shè)備；當(dāng)給水管、溫泉管出現(xiàn)爆管時,監(jiān)控分區(qū)柜將信號傳送至主機(jī),遠(yuǎn)程控制電動閥門關(guān)閉。

 

      雖然綜合管廊位于地下,但與地上的設(shè)備間、變電站以及輸電線路仍有連接。當(dāng)雷直擊所連接的設(shè)備或雷落在輸電線路旁時,會在金屬導(dǎo)體或線路上產(chǎn)生/感應(yīng)出高電壓、大電流,對地下設(shè)備產(chǎn)生沖擊.導(dǎo)致設(shè)備損壞,甚至引發(fā)火災(zāi)等嚴(yán)重事故。綜合管廊作為城市生命線,關(guān)系著城市居民與企業(yè)的日常生活生產(chǎn),為避免雷擊帶來的危害,結(jié)合項目實際,新店外環(huán)路綜合管廊項目,將工程電子信息系統(tǒng)防雷按B級設(shè)置,并對各配電箱和控制箱裝設(shè)電源浪涌防護(hù)器弱電控制室按三類防雷建筑設(shè)計:接地系統(tǒng)采用TN-S接地系統(tǒng)，工作接地、防雷接地、保護(hù)接地以及弱電接地共用一接地體。

      在防直接雷方面,利用屋面四周敷設(shè)直徑12mm的熱鍍鋅圓鋼.使屋面形成網(wǎng)格不大于20mx20m或24mx16m的避雷網(wǎng);將屋頂上所有凸起的物體沿其頂部四周裝設(shè)避雷帶，所有金屬構(gòu)筑物和金屬管道均與避雷帶焊接;利用結(jié)構(gòu)柱內(nèi)2根直徑大于16mm的對角主筋通長焊接作為避雷引下線，上端與避雷帶焊接、下端與地梁底2根主筋焊接。在接地體方面.將綜合管廊結(jié)構(gòu)主鋼筋及預(yù)埋鋼板可靠焊接在一起作為自然接地體,并將其與弱電室接地體和管廊接地體焊接形成接地網(wǎng),在接地網(wǎng)中預(yù)留人工接地體點(diǎn),當(dāng)接地網(wǎng)接地電阻大于12時,加人人工接地極。在防雷電波侵入上,在進(jìn)出綜合管廊的金屬管道在入戶處就近與防雷接地裝置連通。

 

      在項目設(shè)計過程中,除嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計,還需綜合項目整體與實際情況進(jìn)行通盤考慮.在細(xì)節(jié)的把控上實現(xiàn)更合理的設(shè)計?，F(xiàn)根據(jù)筆者在設(shè)計過程中遇到的實際情況進(jìn)行分析討論。

6.1通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

     通風(fēng)機(jī)的作用是正常情況下保持管廊內(nèi)空氣的流通,事故時將管廊內(nèi)由于火災(zāi)而產(chǎn)生的煙霧排出。在GB50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》中.將防、排煙設(shè)施歸人消防設(shè)施的目錄中[川],因此在綜合管廊的早期設(shè)計中,部分設(shè)計者將通風(fēng)機(jī)納入在消防類的設(shè)計中[12]。但在綜合管廊的項目中其消防理念與其余項目不同之處在于,當(dāng)采用氣體滅火時,其通風(fēng)機(jī)在火災(zāi)發(fā)生時應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài),在滅火后才開啟,將煙氣排出。若將通風(fēng)機(jī)納入消防類設(shè)計,依據(jù)供電系統(tǒng)與火災(zāi)自動報警及聯(lián)動系統(tǒng)的設(shè)計,在火災(zāi)發(fā)生時.切斷非消防類電源,仍保留消防類電源。如此一來,便與通風(fēng)機(jī)的工作要求相沖突。

為規(guī)范通風(fēng)機(jī)的設(shè)計,在新舊兩版《綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》中都在通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計要求中明確指出:火災(zāi)發(fā)生時,發(fā)生火災(zāi)的防火分區(qū)及其相鄰分區(qū)的通風(fēng)設(shè)備應(yīng)自動關(guān)閉,滅火后,應(yīng)啟動通風(fēng)機(jī)將煙霧排出管廊。

6.2設(shè)計

     對于火災(zāi)的發(fā)現(xiàn)越早,便能將其造成的損失降至越低。選擇合適的正是實現(xiàn)這一目標(biāo)大前提。

根據(jù)綜合管廊內(nèi)火災(zāi)發(fā)生的情況,其主要的火災(zāi)隱患來自電纜和熱力管線的保護(hù)層,在火災(zāi)剛發(fā)生時,往往會產(chǎn)生濃密的煙氣,因此在艙室等管廊的節(jié)點(diǎn)位置,應(yīng)采用感煙;此外,對于綜合管廊這樣一個位于地下且空間受限的狹長通道內(nèi),除煙氣外另一重要火災(zāi)預(yù)警信號是溫度。結(jié)合設(shè)計規(guī)范中對監(jiān)控與報警設(shè)備防護(hù)等級不宜低于IP65的要求由于感煙探測器在防護(hù)等級上達(dá)到要求的技術(shù)難度大,且近年來感溫光纖的技術(shù)不斷發(fā)展完善,在管廊的走廊通道內(nèi),宜采用感溫光纖。

 

7.1平臺概述

    AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺集電力監(jiān)控、能源管理、電氣安全、照明控制、環(huán)境監(jiān)測于一體，為建立可靠、安全、高效的綜合管廊管理體系提供數(shù)據(jù)支持，從數(shù)據(jù)采集、通信網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)架構(gòu)、聯(lián)動控制和綜合數(shù)據(jù)服務(wù)等方面的設(shè)計，解決了綜合管廊在管理過程中存在內(nèi)部干擾性強(qiáng)、使用單位多及協(xié)調(diào)復(fù)雜的根本問題，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境和設(shè)備的使用和恢復(fù)效率。

7.2平臺組成

     安科瑞城市地下綜合管廊能效管理系統(tǒng)是一個深度集成的自動化平臺，它集成了10KV/O.4KV變電站電力監(jiān)控系統(tǒng)、變電所環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、智能馬達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、消防設(shè)備電源系統(tǒng)、防火門監(jiān)控系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)。用戶可通過瀏覽器、手機(jī)APP獲取數(shù)據(jù)，通過一個平臺即可全局、整體的對管廊用電和用電安全進(jìn)行進(jìn)行集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度，同時滿足管廊用電可靠、安全、穩(wěn)定、高效、有序的要求。

7.3平臺拓?fù)?/div>