地鐵隧道區間應急照明配電設計探討

胡忠魁，王東萍

(1.河南城市建筑咨詢有限公司，河南 鄭州 450000；2.河南建筑職業技術學院，河南 鄭州 450046)

引言

國標《消防應急照明和疏散指示系統標準》[1](GB 51309—2018)3.2.1條規定：設置在距地面8 m及以下的應急照明燈具的電壓等級應采用A型(不大于DC36V)燈具，依據此條很多場所的應急照明均應采用A型燈具。目的就是防止電擊傷人，因為火災發生時，消火栓噴出的水柱容易擊中仍在供電的消防應急燈具，由于水的導電作用，燈具電壓就加在消防員身上，如果采用220 V電壓，這是很危險的。而對于DC 36 V安全電壓供電設備，即使擊中，對人身安全也無影響。

《地鐵設計防火標準》[2](GB 51298—2018)的11.2.2條、11.2.4條規定，地鐵地下區間應設置疏散照明，地下區間道床面疏散照明的最低水平照度值不應小于3.0 lx。地下區間疏散指示標志設置在縱向疏散平臺的側墻上，距疏散平臺地面不大于1 m，應急照明燈具距疏散平臺地面2.5 m左右，疏散平臺距軌道地面在1.5 m左右，故疏散指示、疏散照明燈具距軌道地面分別在2 m、4 m左右。如前所述，依據GB 51309—2018，3.2.1條，地鐵應急疏散照明燈均應采用A型燈具。

國標GB 51309—2018實施之前，地鐵應急照明多采用220 V供電，實施之后，應急照明供電電壓不應大于DC36 V。由于DC36 V供電場所不多，很多設計師不知重點應關注什么，出現了不少問題。尤其是地鐵隧道區間的應急照明，供電半徑是兩個車站距離的一半。兩個車站之間的距離短則1 km，長則4 km，甚至更長，供電半徑短則0.5 km，長則2 km。對于供電電壓≤DC36 V且供電距離較長的線路來說，可能出現電壓降過大、短路電流過小問題。筆者就結合設計實例，探討解決這一問題。

1 設計實例

以某地鐵站龍門站為例，與上下兩個站點之間距離均在2km左右。區間隧道設正常照明和疏散照明，本文只討論疏散照明，區間線路疏散照明照度值3 lx，用電負荷等級為一級負荷中特別重要負荷，持續供電時間與隧道類別有關。區間隧道疏散照明供電以區間中點為界，兩側站點照明配電室的應急照明電源箱各供1km，采用集中控制、集中電源型。應急照明采用LED燈具，DC36 V，A型集中電源供電。應急照明供電方案為：變電所低壓柜——照明配電間低壓柜——消防應急照明雙電源箱——應急照明集中電源箱——應急照明燈。應急照明電源箱至末端燈具采用WDZN-BYJ 2x16電線，穿JDG管明敷。

由國標圖集19D702-7《應急照明設計與安裝》[3]P21可知，消防應急燈具端子處電壓偏差允許值可為額定電壓的+20%～-20%。依據GB 51309—2018，3.3.5條可知，單回路配接燈具的數量不宜超過60只；依據3.3.6條可知，A型燈具配電回路的額定電流不應大于6 A，同時配接燈具的額定功率總和不應大于配電回路的額定功率的80%。

設計照明方案時可以使用DIALux 軟件，調整以下參數：燈具間距、安裝高度、光源光通量以及燈具的配光曲線，以獲得最佳方案。最終確定了以下設計方案：5 W LED應急照明燈具、光通量850 lm，間距10 m，高度距道床面2.5 m，道床面疏散照明照度值可達到3 lx。地鐵隧道區間道床面尚應設置雙向方向標志燈，間距10 m。

綜上，10 m間距需要設置兩盞燈具，一盞方向標志燈(1 W，距道床面0.5 m)及一盞疏散照明燈(5 W，光通量850 lx，距道床面2.5 m)。1 000 m隧道距離較長，考慮電壓降的影響，上行區間、下行區間單側均采用4回路交叉供電，每回路間隔40 m處接一盞雙向方向標志燈及一盞疏散照明燈，燈具接線示意圖見圖1。按每個回路26盞雙向方向標志燈、26盞疏散照明燈，合計52盞，功率156 W，單回路電路圖見圖2。理論負荷電流156/36=4.33 A，經過后面的計算可知，因電壓降的影響、燈具恒功率輸出的特性，電流比這大。一般導線載流量即可滿足要求，但是由于供電電壓低、供電距離長，造成回路末端電壓降大、短路電流小，所以，應以線路的電壓降、短路電流為重點控制參數。

圖1 燈具接線示意圖Fig.1 Lamp wiring diagram

圖2 單回路電路圖 (恒流源為LED燈的驅動電源)Fig.2 Single loop circuit diagram

2 電壓降

電壓偏差是供配電系統在正常運行方式下，系統各點的實際電壓對系統標稱電壓的偏差。用電設備端子電壓實際值偏離額定值時，其性能將受到影響，影響的程度由電壓偏差的大小和持續時間而定。由國標圖集《應急照明設計與安裝》[3]可知，消防應急燈具端子處電壓偏差允許值可為額定電壓的(+20%～-20%)，即線路末端的電壓降不應大于20%。

配電設計中，按電壓降校驗電纜截面時，應計算線路總的電壓降，應由變電所低壓柜電纜出線算起，直至末端電氣設備，即變電所低壓柜—照明配電間低壓柜—消防應急照明雙電源箱—應急照明集中電源箱—應急照明燈，整個電纜回路的壓降。但是應急照明集中電源箱有一定的調壓功能，即使輸入有-10%的壓降，輸出電壓依然是36 V，所以，只需要計算應急照明集中電源箱—應急照明燈線路的電壓降即可。

依據國標圖集《應急照明設計與安裝》[3]，P21直流線路的電壓降計算公式如下：

電壓降簡化計算公式：

Δu=2ρ·P·l/US

(1)

電壓降百分數簡化計算公式：

ΔUu%=(2ρ·P·l/U2S)×100

(2)

式中，P——有功負荷，W；

l——線路長度，m；

S——線芯標稱截面，mm2；

U——標稱電壓，V；

ρ——工作溫度t℃時導線電阻率。

注：直流電阻的計算公式按《工業與民用配電設計手冊》[4]P861，式9.4-1和式9.4-2：計入絞入系數Cj=1，電阻溫度系數a=0.004，20 ℃時ρ20=0.0172 (Ω·mm2/m)，實際工作溫度50 ℃時ρ50=0.01926 (Ω·mm2/m)，70 ℃時ρ70=0.020 64 (Ω·mm2/m)。

(1)電壓降簡化計算。

將負載等效集中到線路末端，參考國標圖集《應急照明設計與安裝》[3]算法：

線路電壓降Δu%=(2ρ·P·l/U2S)×100=2×0.02064×156×1040/(362×16)×100=32.3>20；計算雖然簡便，但與實際工程不符。有兩個原因：其一，線路末端距離電源最遠，但是負載最小，末端只有兩盞燈具(5+1=6 W)，與簡化的負載156 W相比甚遠；線路首端距離電源最近，負載最大，首端負載156 W。其二，電壓值不是固定值，直流電壓U就是負載的配電電壓，隨著線路距離的變長，線路電壓降變大，燈具支路兩端的實際電壓U是在減小的。方便之處就是采用該式可以簡化計算，將負載集中在線路末端最不利情況，由該式得出的電壓降，如果≤20%，則實際值肯定<20%，如果不滿足，則需要進一步計算。比如長距離供電線路，地鐵隧道、交通隧道等狹長場所線路就需要進一步計算。

(2)電壓降精細計算法1。

依據電壓降公式Δu=2ρ·P·l/US，由線路始端開始，計算每一段干線線路(兩個燈具支路之間)的電壓降Δui、節點電壓Ui、每一個燈具支路的電流Ii。第一步，先算出電源箱至第一個燈具支路處該段線路電壓降Δu1，此段線路的負載為全部負載nP(156W)，電壓為U0(36 V)，并算出該支路節點電壓U1，以該點電壓計算出該燈具支路電流I1=P/U1。然后以該支路節點電壓U1作為計算電壓U，再算出第一個燈具支路至第二個燈具支路之間那段干線電壓降Δu2，此段線路的負載不包含第一個支路的負載，負載為(n-1)P，即(26-1)×6=150 W，并算出第二個燈具支路節點電壓U2及支路電流I2=P/U2，以此類推，直至最后一個支路的節點電壓Un及支路電流In。最后，各段電壓降Δui求和，即可以算出線路末端電壓降Δu，各支路電流Ii求和，即可以算出線路始端總電流I0。

計算任一燈具支路電流時，輸入功率P輸入采用恒定功率、電壓采用各節點實際電壓Ui，原因就是LED照明燈具有恒功率輸出特性[5](P輸出為常數)，燈具工作時尚有一部分能量以發熱形式損失了(P損失接近常數)，根據能量守恒定律P輸入=P輸出+P損失，故各節點輸入功率P輸入也是恒定的，根據P輸入=Ui·Ii=常數，各節點電壓Ui降低，則節點輸入電流Ii增大。

對于類似本案例這種項目，每個支路燈具規格參數(功率P)一致，沿線路均勻布置，燈具間距l，燈具數量n，依據電壓降精細計算法，Δu=2ρ·P·l/US，利用Excel軟件輸入公式函數，可以建立以下遞推關系：

U0=36 V，

Δu1=2ρ·nP·l/U0S，U1=U0-Δu1，I1=P/U1，

Δu2=2ρ·(n-1)P·l/U1S，U2=U1-Δu2，I2=P/U2，

…

Δui=2ρ·[n-(i-1)]P·l/Ui-1S，Ui=Ui-1-Δui，Ii=P/Ui，

…

Δun-1=2ρ·[n-(n-1-1)]P·l/Un-2S，Un-1=Un-2-Δun-1，In-1=P/Un-1，

Δun=2ρ·[n-(n-1)]P·l/Un-1S，Un=Un-1-Δun，In=P/Un，

I0=I1+I2+…Ii…+In，

Δu%=100 (Δu1+Δu2+Δu3+…+Δun)/U0，或Δu%=(1-Un/U0)×100，二者結果相同。

由以上公式可算出各段干線電壓降Δui，節點電壓Ui，各支路電流Ii，最后求和，即可算出線路始端電流I0=∑Ii、末端電壓降Δu=∑Δui。計算結果如表1所示。

表1 節點總功率、電壓降、實際電壓、支路電流

續表1

總壓降為各段壓降代數和，Δu%=100×6.616/36=18.4，或者Δu%=(1-29.384/36)×100，其中6.616為各段壓降代數和。實際壓降18.4%僅是簡化計算結果32.3%的57.0%，滿足規范關于應急燈具端電壓的要求。線路始端電流I0為各支路電流代數和4.955A，比理論值156/36=4.33A高了14.4%。

從上表可知，配電線路隨著距離變長，電壓降變大，各支路節點電壓變低，各節點電流變大。

(3)電壓降精細計算法2。

由國標圖集《應急照明設計與安裝》[3]，P27可查得電壓降精細計算公式為：

Δu=(1+1/n)ρ·P·l/US

(3)

式中，n——燈具數量，假定每個支路燈具規格參數一致，沿線路均勻布置，燈具間距l/n，

ρ——工作溫度t℃時導線電阻率，20 ℃時為0.0172 (Ω·mm2/m)，70 ℃時為0.02064 (Ω·mm2/m)；

P——線路功率，W；

l——線路長度，m；

S——線芯標稱截面，mm2。

注：該圖集計算電壓降時，取的是70 ℃時電阻率0.02064 (Ω·mm2/m)。

Δu=(1+1/26)0.02064×156×1040/(36×16)=6.03V，Δu%=(Δu/U)×100=(6.03/36)×100=16.8，與精細計算1值18.4接近，低了1.6%。可見對于每個支路燈具規格參數一致、由配電箱開始沿線路均勻布置的情況，該精細計算公式比實際值略低，比簡化計算公式準確。

如果采用DC24V供電，由精細計算法1通過計算各節點的電壓，最后得出電壓降為50.6%，由精細計算法2計算的電壓降為37.7%，誤差也很大。DC24V供電方式，由于電壓低、壓降大，供電距離短，相對不合理。

3 短路電流

直流電源系統短路電流計算電壓，應取系統標稱電壓36 V或24 V，相關行業正在進行修編地鐵隧道等長距離供電線路電壓上限值。短路電流計算時不計及充電裝置助增電流，在應急照明的末端線路上發生短路時，該直流回路中，有蓄電池內阻、蓄電池連接條電阻、低壓導線等多種電阻元件[6]。蓄電池內阻、蓄電池連接條電阻等相對線路電阻來說很小，為了簡化計算，本工程予以忽略不計，只計算低壓導線的直流電阻。

70 ℃時銅導體的電阻系數ρ=0.02064(Ω·mm2/m)，則應急照明配電箱至末端燈具回路的單相直流電阻(距離1 040 m)如下：采用16 mm2導線時，直流電阻為R1=0.02064×1040×2/16=2.68 Ω；采用25 mm2導線時，直流電阻為R2=0.02064×1040×2/25=1.72 Ω。

回路直流短路電流計算公式為Id=U/R，計算結果如表2所示。

表2 線路末端短路電流

4 保護開關選擇

照明線路的保護應具有過負荷保護、短路保護，保護開關動作電流還應避開燈具的啟動電流。回路的總計算電流應取各支路電流的代數和，4.95A，不是簡單的按總功率除以電壓，即P/U=156/36=4.33A，因為各支路的電流是不同的。保護電器采用6A熔斷器，耐火型銅線，環境溫度35 ℃，穿管明敷16 mm2載流量96A，見《建筑電氣常用數據》[7]中表6.7。

(1)配電線路熔斷體過負荷保護應符合下式要求[8]：

Iz≥Ir≥Ic，I2≤1.45Iz

(4)

式中Iz——導體允許載流量，A；

Ir——熔斷體的額定電流，A；

Ic——線路的計算電流，A；

I2——保證保護電器可靠動作電流，A。當保護電器為熔斷器時，為熔斷體約定時間內的約定熔斷電流，由產品制造廠給出。對于圓筒形帽熔斷器，當4≤Ir≤16時，滿足Ir≤0.76Iz即可滿足要求，見《工業與民用配電設計手冊》[4]P961，表11.2-1。

96A> 6A>4.95A，6≤0.76×96，均滿足要求。

(2)照明線路熔斷體的保護，還應躲過照明燈具的啟動電流，應符合式(5)要求[4]：

Ir≥KmIc

(5)

式中Km——照明線路熔斷體的選擇計算系數，其值參考《工業與民用配電設計手冊》[4]表11.6-30，LED燈采用RL7型熔斷器保護時，Km=1.2，RL6型熔斷器保護時，Km=1.3。

6A>1.2×4.95A，RL7型滿足要求，RL6型不滿足要求。RL7型熔斷器，更容易躲過燈具的啟動電流。

(3)當配電線路發生故障時，熔斷體應在規定的時間內熔斷，以切斷故障電路。因此，熔斷體額定電流不能太大，但是規范并沒有規定DC36 V電壓供電線路的切斷時間，筆者認為10～15 s比較合適。如果超過15 s，當應急照明電源采用集中電源型時，持續的故障電流會持續地耗費蓄電池能源，將減少應急照明的持續時間。如果回路短路電流較大，尚需驗算回路中各器件的熱效應。

為此需要根據線路末端最小短路電流，校核熔斷器最大熔斷時間。不同型號熔斷器的熔斷時間-電流特性曲線差別較大，RL7型熔斷時間-電流特性曲線[9]如圖3所示。

圖3 RL7型熔斷時間-電流特性曲線Fig.3 RL7 type fusing time-current characteristic curve

由圖3可知，故障電流越大，熔斷時間越短；故障電流越小，熔斷時間越長。由上節可知，DC36 V配電距離1 040 m時，預期電流13.4A，此時6A熔斷體的熔斷時間為150 s左右，故障電流持續時間過長，不合理。應減小回路長度，或放大導線截面，以提高末端短路電流。如果減小回路長度至930 m，此時短路電流15 A，熔斷時間10 s左右，是合理的。即RL7型6A熔斷器，若要熔斷時間≤10s，則短路電流應≥15A。根據短路電流、電阻公式，可以推導出極限供電距離公式L=U.S/(2ρ·Id)，RL7型熔斷器保護時，DC36 V供電，銅導線供電極限距離如下：35 mm2，≤2035 m；25 mm2，≤1453 m；16 mm2，≤930 m；10 mm2，≤581 m；6 mm2，≤349 m；4 mm2，≤233 m；2.5 mm2，≤145 m等。

由于不同類型熔斷器的熔斷時間-電流特性曲線不同，不同類型熔斷器熔斷時間10s左右時，要求的最小短路電流不同，極限供電距離也不同。另外僅考慮短路電流是不夠的，還應考慮線路末端電壓降、始端總負荷電流，尤其是長距離供電線路。

(4)當配電線路發生短路故障時，對于A型應急照明集中電源控制箱，內部的MOS管等電力電子器件是很難單獨由熔斷器保護的。當發生短路故障時(線路電流≥1.5倍額定電流，不同廠家略有不同)，常用的方案是由電源板的控制器件關斷MOS管，并向主機發出故障報警信息，熔斷器僅作為保護的輔助手段。

現在市場上的控制器也在加大MOS管電流規格，并使其能挺過一個支路發生短路時的故障電流，然后等熔斷器熔斷并斷開線路。因此，實際項目中，除了用負荷電流、啟動電流、末端短路電流校驗的同時，還需要核對快速熔斷器與MOS管的失效電流時間之間的關系。

不過更重要的是邏輯關系判斷：

1)發生火災時，應急照明回路全部啟動，如果任一回路發生短路故障，只能依靠熔斷器保護，控制器不應關斷MOS管。因為，此時正在疏散人員，如果關斷回路，將會造成恐慌，可能發生人員踐踏事故。

2)未發生火災時，沒有人員疏散，如果任一回路發生短路故障，控制器應關斷MOS管，并向主機發出故障報警信息，熔斷器僅作為保護的輔助手段。

5 結語

經過以上分析可知，對于供電距離較長的安全特低電壓(≤DC36 V)照明線路，應重點關注兩點：電壓降、短路電流，二者均應滿足要求。只滿足其中一項，電壓降或短路電流，另外一項不一定滿足要求。通過以上研究，可以得到如下結論：

1)提高供電電壓等級或放大導線截面積，可以減小線路電壓降。對于消防應急照明燈具供電電壓，除了規范有規定的場所之外，應首先采用DC36 V供電，應限制DC24 V供電使用范圍，尤其是長距離供電線路。筆者認為，既然消防應急燈具端子處電壓偏差允許值可為額定電壓的+20%～-20%，那么線路首端配電箱供電電壓可以提高到36+36×20%=43.2 V，或者考慮5%的余量，36+36×15%=41.4 V，這樣可以有效降低線路末端電壓降，延長供電距離。如果線路首端配電箱供電電壓不應高于36 V，那么消防應急燈具端子處電壓偏差值為額定電壓的+20%～-20%是沒意義的，此時電壓偏差值+5%～-20%是合理的。

2)減小回路總負荷可以減小回路電壓降，且有助于保護開關的選擇。配接燈具的額定功率總和即使不大于額定功率的80%，也不一定滿足實際需求。實際工程應根據配電線路距離、導線截面、實際負荷等參數計算各節點電壓、電流，最后算出線路末端電壓降。線路首端負荷電流僅考慮理論負荷電流P/U是不夠的，還要考慮由于電壓降，引起線路負荷電流增大。始端回路總電流應取各支路電流的代數和，各支路電流應以各支路兩端實際電壓計算。

3)熔斷器的性能適合A型應急照明線路的保護，但是應校核熔斷器熔斷時間-電流特性曲線。既要躲過燈具的啟動電流，發生短路時又要快速熔斷。熔斷器在A型集中電源內部，由應急照明配電箱廠家成套供應，廠家應根據熔斷時間-電流特性曲線選擇合適的熔斷器，并提供允許的最大啟動電流、最小短路電流數據。設計師在設計配電線路時，應根據廠家提供的最大啟動電流、最小短路電流，計算線路供電極限距離及總負荷電流并校核啟動電流。