鐵路隧道防災救援系統電氣設計

楊 劍

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

1 概述

隨著我國鐵路建設的快速發展，鐵路不僅僅在平原、丘陵地帶建設，也開始在復雜地質情況的山嶺地區和河流湖泊縱橫的區域建設。為了優化線路走向，縮短線路長度，克服不良地質條件，在鐵路線路中長大山嶺隧道和水下隧道越來越顯示其優越性，但是同時也帶來了防災疏散方面的新問題。由于鐵路隧道防災救援系統的復雜性，目前在我國尚無專門的規范遵循。雖然2007年頒布了《鐵路工程設計防火規范》(TB1063—2007)，但關于長大隧道防災救援設施供電、消防報警聯動控制、防災應急照明、主要電氣設備材料選擇要求等相關條文甚少。

以向莆鐵路青云山隧道、武廣客運專線瀏陽河隧道、廣深港客運專線獅子洋隧道為例，對鐵路山嶺隧道和水下隧道的防災救援系統電氣設計作一個歸納總結，力求對我國鐵路隧道防災救援系統電氣技術發展起到拋磚引玉的作用。

2 防災電源接引及供電原則

2.1 供電負荷的分布

鐵路隧道的供電負荷主要分布在正線隧道進出口、正線隧道內的防災救援定點、輔助疏散通道、雙洞單線隧道的聯絡橫通道、特長隧道的通風排煙隧洞、水下隧道的最低處廢水泵房等地方。

正線隧道進出口段分布有射流風機、雨水泵;正線隧道內的防災救援定點分布有射流風機、通信負荷、消防水泵等;輔助疏散通道分布有射流風機、水泵;特長隧道的通風排煙隧洞分布有通風排煙風機;水下隧道的最低處廢水泵房設有排污泵;另外，各隧洞沿線還分布有照明負荷，各設備洞室設置防護門后的設備洞室通風機。

山嶺隧道以向莆線青云山隧道為例，主要供電負荷分布見表1。

表1 向莆線青云山隧道主要供電負荷分布

水下隧道以武廣客運專線瀏陽河隧道為例，其主要供電負荷分布，見表2。

表2 武廣客運專線瀏陽河隧道主要供電負荷分布

2.2 負荷等級

一級負荷主要包括:與防災安全相關的射流風機、排煙風機、各類水泵、應急照明、通信負荷、消防負荷、接觸網開關遠動控制站等。其中通信負荷、應急照明、水下隧道最低處的廢水排污泵為一級負荷中特別重要的負荷。

二級負荷主要包括:設備洞室通風機等。

其余負荷等級劃分則參照現行國家及行業相關規程規范確定。

2.3 防災電源接引

在用電負荷中心設變配電所，優先采用公共電網接引可靠電源，當用電負荷較小時，可接引鐵路10 kV貫通線電源。對于一級負荷中特別重要的負荷，應設UPS、EPS、柴油發電機組等應急電源。

2.4 供電原則

一級負荷:2路相對獨立電源分別供電至用電設備或低壓雙電源切換裝置處，當2個電源中一個電源發生故障時，另一個電源不應同時受到損壞。一級負荷中特別重要的負荷，除設兩路電源外，還必須設置應急電源。

二級負荷:有條件時提供2路高壓電源供電，當兩路電源供電確有困難時可為1路高壓電源供電。

三級負荷:一般采用單回路供電，當供電系統為非正常運行方式時，允許將其切除。

3 隧道供電方案及應急照明

3.1 隧道供電方案

3.1.1 變配電系統

根據負荷分布情況，在隧道一端或兩端設置35(10)kV變配電所。對于特長隧道可在隧道出、入口各設1座35(10)kV變配電所，分別對一半長度的隧道供電，各變配電所分別由地方電網接引2路獨立電源。變配電所高壓主接線采用單母線分段，設雙臺變壓器;在防災救援定點、輔助疏散通道口、水下隧道廢水泵房等負荷集中點設10/0.4 kV箱式變電站，另外隧道沿線分段設照明箱式變電站供照明負荷及區間通信基站、直放站等負荷。照明箱式變電站由綜合負荷貫通線和一級負荷貫通線各接引1路電源環網供電，其他各變電站分別由兩側35(10)kV配電所不同10 kV母線各接引1路電源環網供電，保證隧道內的一級負荷有2路可靠電源供電。

對于通信負荷、應急照明等一級負荷中特別重要的負荷，除保證2路獨立電源供電外，還設置EPS電源作為應急電源;對于水下隧道最低處的廢水排污泵還可設置備用低壓柴油發電機組作為水下隧道排水應急備用電源。

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專線瀏陽河隧道為例，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 武廣客運專線瀏陽河隧道變電所分布

3.1.2 防災動力設備供電、控制和保護方式

(1)由于隧道內防災用電設備容量較大，從變電所至用電設備處采用放射式雙電源和樹干式雙電源結合的混合式配電網絡。

(2)對于隧道內防災用電設備等一級負荷，在用電設備處或低壓配電末端設雙電源切換裝置，雙電源經雙電源切換裝置切換后供電。

(3)較大容量射流風機、水泵采用軟啟動或變頻裝置啟動。

(4)隧道內設備洞室通風機或去濕設備從照明電源箱接取電源，并根據洞室環境自動控制其起停。

(5)各類風機、水泵等控制系統納入隧道火災報警聯動控制系統。

3.2 防災應急照明

3.2.1 隧道應急照明

(1)設置原則:長度5 km以上或有緊急出口的隧道內設置應急照明和疏散指示標志。

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

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

3.2.2 室外照明

疏散通道洞外疏散場地照明采用投光燈塔照明，可遠方控制。

4 火災報警及聯動控制系統

由于目前我國尚無專門的針對鐵路隧道火災自動報警系統的規范遵循。各條已完成設計的鐵路隧道火災報警及聯動控制系統采用了不同的設計標準。

4.1 武廣客運專線瀏陽河隧道

4.1.1 系統設計原則

(1)隧道內按同一時間只發生一次火災考慮救災能力。

(2)系統保護范圍為隧道全段范圍。

(3)采用以防為主，防消結合的方針。

(4)報警系統設有自動和手動兩種觸發裝置;自動報警裝置須盡可能早且準確地探測到火災情況。

4.1.2 系統構成

由設置在隧道武漢端洞口配電所控制室內的火災自動報警系統主機及工作站、隧道洞室內分段設置的火災區域報警控制器及風機現場控制器、隧道內光纖感溫火情監控控制器、手動報警按鈕、消火栓啟泵按鈕及相應的通信網絡構成。

隧道火災自動報警系統工作站預留上傳信息至隧道機電監控中心的接口。

4.1.3 系統基本功能

(1)基本功能

實時數據管理、人機界面、報警功能、打印功能、在線自診斷功能及設備維修管理。

(2)報警功能

監測隧道內的空氣溫度及火情，監測隧道風機設備和水消防、廢水雨水排水等設備的運行狀態。當檢測到火災危險情況后，及時向火災自動報警系統工作站及相關控制系統發送報警信息。

(3)控制功能

在隧道洞室內設置風機現場控制設備，可對風機就地現場控制;也可對風機的各種工況模式進行自動控制。

在消防泵房的消防聯動控制柜、隧道最低處廢水泵房控制柜設置直接控制按鈕，對各類水泵直接強行控制。

在隧道北口配電所控制室內火災自動報警系統工作站上可對隧道風機、各類水泵進行遠方控制，并接受其反饋信號。

(4)顯示功能

報警點及消防設備狀態在智能火災報警控制器上顯示，同時也可在FAS工作站中文彩色圖形終端上顯示。

4.2 廣深港客運專線獅子洋隧道

4.2.1 系統設計原則

(1)隧道內按同一時間只發生1次火災考慮救災能力。

(2)系統保護范圍為江中最低處防災救援定點約500 m范圍。

(3)采用以防為主，防消結合的方針。

(4)報警系統只設有手動觸發裝置。

4.2.2 系統構成及基本功能

根據隧道內水消防系統消火栓箱的布置，在消火栓箱旁設置手動報警按鈕及消火栓啟動按鈕。在江中泵房設置區域報警控制器，將消火栓箱及消防泵狀態信息上傳至進口變配電所內的消防控制工作站，并接收消防水泵控制命令。根據隧道火災工況模式，對隧道風機進行火災模式控制。射流風機啟動按順序延時啟動，延時時間考慮啟動開始到穩定運行的時間。

4.3 向莆線青云山隧道

4.3.1 系統方案

防災設備控制系統采用多級控制方案。

在各防災設備附近設置現場手操箱用于隧道內設備維護檢修的就地級控制，手操箱控制具有最高優先級別，優先級判斷通過動力控制箱二次電路實現。

在隧道內的救援平臺處設置緊急啟/停裝置，實現災害情況下隧道內對防災設備的緊急控制，增強防災設備應急啟動的及時性和可靠性。

另外，為了實現對全線隧道內防災設備的統一監控及管理，在向莆線永泰車站綜合工區控制中心設置集中監視/控制平臺，同時預留數據接口，需要時可將設備狀態信息上傳至中心調度所。

4.3.2 系統構成

本次控制系統采用PLC設備，通過現場總線技術，搭建獨立的監控網絡。

在永泰綜合工區控制中心內設置冗余監控工作站和服務器，用于系統參數配置和日常維護。系統在青云山隧道救援平臺處設置冗余現場PLC控制器，負責監控隧道內的防災設備。在永泰控制中心內設置冗余網絡交換機，通過100 M光口與青云山隧道救援平臺處的PLC控制權互聯。

控制系統網絡采用工業級現場總線，通過單模光纜將各PLC設備及各現場模塊箱相連，增加網絡中繼設備保證通信距離。

4.3.3 系統功能

(1)遠程監控各類防災設備的運行狀態，統計主要設備狀態記錄及累計運行時間，提出維修保養策略。

(2)根據防災通風工藝，協調各類風機及相應風閥聯動，確保風機設備運行安全可靠。

(3)根據不同災害模式，預置各設備運行參數，對所有的監控設備可以實現單獨控制、聯鎖控制和各種模式控制。

(4)同時具有檔案管理、統計報表、分級顯示等系統功能。

5 主要電氣設備材料選型

5.1 主要電氣設備選型

隧道內所有電氣設備全部無油化，消除火災隱患，并且選用低噪聲、空氣自冷、無自爆、免維護、符合防火安全和五防要求的產品。隧道內的電力配電、控制等箱柜、照明燈具應滿足隧道特殊環境條件要求，防護等級一般為IP54及以上，具備抗風壓、防潮、防腐蝕、防振動等功能。

對于向莆鐵路青云山隧道、武廣客運專線瀏陽河隧道等采用鉆爆法施工的隧道，隧道內的變配電設備設于隧道壁開鑿的專用的設備洞室內，設備洞室設防火門。對于廣深港客運專線獅子洋隧道，由于其采用盾構法施工，隧道斷面較小，無法設置設備洞室和洞室防護門，變配電設備設于隧道側壁旁，因此必須進一步加強隧道內變配電設備本體的防火性能。在箱式變電站內增加了氣體滅火裝置，采用火探管式自動滅火系統。火探管通過容器閥連接到滅火劑容器上，進行火源探測，遇火時火探管爆破，利用火探管中的壓力下降，啟動容器閥，通過裝在容器閥出口處的轉換接頭，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

隧道內的高、低壓電纜采用低煙無鹵阻燃銅芯電力電纜;低壓電線采用低煙無鹵阻燃銅芯電線。給消防設備供電的電力電纜和電線均采用耐火型。對于進出箱變的高低壓電纜在進出電纜孔做好防火封堵。施工時對電纜頭的制作及安裝，嚴格執行安裝工藝要求，避免由于電纜頭安裝不當造成的爆炸燃燒隱患。

另外，根據《關于發布高速鐵路設計規范等14項鐵路工程建設標準局部修訂條文的通知》(鐵建設［2012］29號)第12條的規定，當長及特長隧道的電纜槽內電力電纜敷設于隧道內的電纜槽，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也可延長電纜使用壽命。

隧道內的所有燈具安裝、電氣設備安裝及配線應滿足列車最高速度值運行時的要求。

6 結語

長大隧道防災救援系統電氣設計主要包括防災設施供電、消防報警聯動控制、防災應急照明等幾個主要方面。

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

［1］TB10008—2006 鐵路電力設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［2］TB10063—2007 鐵路工程設計防火規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［3］TB10003-2005 鐵路隧道設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］鐵道部專業設計院主編.鐵路工程設計技術手冊·電力［M］.北京:中國鐵道出版社，1991.

［5］中國航空工業規劃研究院主編.工業與民用配電設計手冊［M］.北京:中國電力出版社出版，2005.

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［7］管鴻浩.武廣客運專線特長隧道防災疏散設計研究［J］.鐵道標準設計，2010(1):135-138.

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