城市隧道電氣設計要點簡析

楊瑩

（廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東 廣州 510095）

1 用電負荷等級

根據相關規范要求，按隧道封閉段長度以及是否通行危險化學品機動車對城市隧道進行防火設計分類，共分為四類。

城市隧道內主要的用電設備包括照明設施、風機、雨水泵、污水泵、消防泵、監控系統設備、消防設備及檢修設備等，基本都是采用0.4kV及以下電壓等級供電。涉及城市隧道用電設備負荷分級內容的設計規范包括《建筑設計防火規范》（GB50016-2014）（2018版）、《公路隧道設計規范第二冊交通工程與附屬設施》（JTG D70/2-2014）、《城市地下道路工程設計規范》（CJJ221-2015）等，但各個規范對用電設備的負荷等級規定不盡相同，為便于開展設計工作，筆者根據規范要求并結合參與項目的經驗，對主要用電設備的負荷等級進行了梳理及歸納，具體見表1。

表1 隧道設備負荷等級表

由于城市隧道是重要的交通設施，對運行管理的安全性、電源和供配電系統的可靠性要求很高，所以隧道內的大部分設備是一、二級負荷，只有少部分是三級負荷。

2 變配電所設置

變配電所的設置數量、位置應根據隧道的長度及主要用電設備的分布進行考慮，根據《民用建筑電氣設計標準》（GB51348-2019）4.2.3條的規定，一般低壓配電的供電半徑宜控制在300m以內。常規城市隧道的長度在200～3000m的范圍內，特點是配電范圍較大，設備沿著隧道分布較為分散，與民用建筑對比有較大的區別，與綜合管廊項目情況較接近，但在隧道沿線設置變配電所的難度更高。城市隧道往往位于城市中心地帶，變配電房用地相對受限；有些較長的隧道是過江或者穿山隧道，受自然環境、地質條件的影響，在隧道江中段或者山中段設置電房比較困難，因此完全按照適宜供電半徑要求去設置電房較難實現。如工程條件確實不理想，則只能通過減少設置變配電房的數量，而采用其他的技術手段適當增大供電半徑的設計方案。

建議閉口段長度為500～1000m左右的隧道設置一個變配電所，相對靠近隧道中段；閉口段長度在1000～2000m的隧道設置不少于2個變配電所，并宜設置在隧道兩端；如閉口段長度超過2000m的隧道宜在中段再加設變配電所。城市隧道的供電半徑宜控制在500～1000m的范圍內。受隧道狹長形空間的限制，隧道中設置的變配電所面積較小，不能按常規電房來進行設備選型，其選用的變配電設備應盡量選用緊湊型設備。

圖1 某隧道電氣總平面示意圖

3 供配電系統

根據負荷等級的分析，城市隧道內的用電負荷大部分為一級、二級負荷,供電可靠性要求高。城市隧道往往處于經濟較發達的城市內，電網資源豐富，因此建議每個變配電所電源采用10kV雙電源，兩路10kV電源應來自城市電網的不同變電站。如隧道設有3個變配電所，其中3＃變配電所設置在隧道中段，1＃、2＃變配電所的高壓系統已分別采用2路獨立10kV電源，3＃變配電所的2路10kV電源可直接接自隧道兩端的1＃、2＃變配電所10kV高壓系統，這樣設計既保證了整個供電系統的可靠性，又精簡了10kV外接電源的數量。當變電配所數量更多時，可參考以上做法進行設計。

10kV高壓側可采用單母線接線方式，兩路電源一主一備；亦可采用單母線分段的接線方式，兩路電源同時使用、互為備用。0.4kV低壓側基本采用單母線分段接線方式，中間設聯絡開關。每個變配電所設置兩臺變壓器，因隧道內防火要求較高，推薦采用干式變壓器，兩臺變壓器同時使用，互為備用，當其中一臺變壓器發生故障或者檢修時，另外一臺變壓器的容量應滿足該變配電所下屬一、二級負荷的用電需求。

我國基層水利設施大都修建于20世紀六七十年代，受當時資金、技術等因素的制約，部分工程沒有嚴格按照基建程序和遵守設計審批、竣工驗收等制度進行建設，造成水利基礎設施先天不足。同時，由于基層水利自身資產造血功能不足，經費短缺，我國基層水利設施普遍存在著工程老化失修、設施損壞嚴重等現象。截至2007年年底，我國自流灌區渠系的完好率只有36%，渠系建筑物完好率為51%；揚水灌區的設備完好率僅為35%，配套渠系的完好率為42%，渠系建筑物的完好率為47%；井灌區的機井完好率為59%，配套渠系的完好率為52%。

圖2 某隧道供配電系統主接線示意圖

0.4kV側以放射式配電方式為主，部分三級負荷采用鏈式接線配電。各級負荷的配電方式參照各個電氣規范的要求執行即可。

以上供配電系統的設計經過多個隧道項目的實踐，證明是安全可靠的。

4 應急電源

根據規范要求，一級負荷中的特別重要負荷除了采用雙重電源供電外還需增設應急電源供電[3]，由于城市隧道一級負荷中的特別重要負荷設備為應急疏散照明或弱電設備，應急電源不需考慮較大的啟動容量，但必須具有較短的電源切換時間來滿足設備允許中斷供電或連續性供電的要求。根據《城市地下道路工程設計規范》（CJJ221-2015）8.3.14條的規定，“保證照明中斷時間不超過0.3S”；城市柴油發電機顯然無法滿足隧道一級負荷中特別重要負荷電源切換的時間要求。經綜合考慮環保、維護、適用性等要求，應急疏散照明的應急電源采用現場集中電源箱內自設EPS裝置，其他弱電設備的應急電源采用UPS裝置。

備用照明為一級負荷，按照規范要求應由雙重電源的兩個低壓回路在末端配電箱內切換供電[3]，考慮到隧道的特殊性，當普通照明失電時容易造成恐慌并較易引發交通事故，備用照明的雙重電源宜來自不同的電源系統來確保其不受市電停電時的影響，因此備用照明的第二電源宜采用EPS應急電源系統。

為盡量減少電源轉換造成的應急照明瞬間滅燈影響，EPS裝置的電源切換時間應盡量短，根據現時市面上設備的情況，EPS裝置最小的轉換時間可小于0.1s，建議采用這種轉換時間極短的EPS裝置。EPS裝置維持供電時間建議不小于90min，UPS裝置維持供電時間建議不小于180min。應急電源容量建議按所帶負荷總容量并放大1.5倍考慮，以預留一定的裕量。

5 照明系統

隧道照明直接影響隧道運營安全與運營節能，隧道照明的設計與隧道的道路等級、設計行車時速、洞外亮度、洞門的形式及裝飾、洞口的朝向及環境等都相關，應綜合考慮選擇合適的照明設計參數，滿足不同運營工況的照明要求。

5.1 照明標準

為減少司機進出洞口的不適感，滿足照明過渡需要，隧道閉口段設置了入口段、過渡段、中間段和出口段照明。隧道內照明分為基本照明和加強照明兩部分，隧道閉口段全線均設置基本照明，在入口段、過渡段和出口段應加設加強照明。

隧道閉口段內照明設計標準值可根據《公路隧道照明設計細則》JTG/T D70-2-01以及《LED城市道路照明應用技術要求》GB/T 31832的內容進行計算選取。

以某隧道為例，對照明標準的取值進行示范。隧道道路行車時速為60km/h，再根據洞口天空面積百分比、洞口朝向、交通流量等情況，隧道洞外亮度取值為3750cd/m2作為設計基準，亮度折減系數取值為0.022。經計算，確定隧道內各段照明亮度標準見下表:

表2 某隧道照明亮度標準表（亮度單位均為cd/m2）

不同的隧道應根據不同的指標參數選擇基準條件并進行計算得出隧道照度、亮度設計標準，但該標準應為暫定，當隧道土建接近完成時還應去現場進行實測，再根據實測結果調整照明標準值及設計值。

5.2 應急照明

為保證發生事故災害導致停電時隧道的安全運行及人員疏散的需求，隧道內應設置備用照明和應急疏散照明。備用照明標準為不低于中間段亮度的1/10[4]，備用照明可兼作功能照明的一部分。應急疏散應急疏散照明的設計標準可參考《消防應急照明和疏散指示系統技術標準》GB51309的內容選取，該照明系統應采用集中電源集中控制型，當發生火災時可根據火災發生的位置自動調整逃生指示方向。

5.3 照明設計

由于隧道不具備自然采光條件，因此隧道閉口段白天也需開啟照明，為了避免“黑洞”及“白洞”效應，隧道封閉段的入口段、過渡段和出口段還需加設加強照明。隧道照明燈具常規是設置在隧道頂或隧道側墻，縱向布置。三車道及以上寬度的隧道基本照明燈具較多采用雙側對稱布置方式，兩車道或單車道寬度隧道基本照明燈具也可采用單列居中布置方式。加強照明燈具獨立設置，可與基本照明分列設置，也可與基本照明同列交錯設置。隧道基本照明燈具是在封閉段全線設置，基本照明與中間段照明同等布設方式，根據規范，中間段照明燈具間距應滿足閃爍頻率低于2.5Hz或高于15Hz的要求[4]。由于不同隧道寬度、設計時速、照度標準不同，還需滿足頻閃要求，有些隧道基本照明燈具的間距選擇會較為困難，為解決這個問題，近年來隧道基本照明燈具也有采用連續型安裝的方案，燈具無間距安裝，相應燈具功率可減小，炫光會較小，不存在頻閃問題，誘導性和舒適性均大為提高，能夠很好地解決燈具間距設置的問題，還兼顧了部分的景觀效果，但是燈具數量會大幅增加，投資成本和運營維護量也相應增加，因此采用何種照明方式應根據隧道的具體情況綜合比較確定。

隧道照明運行分白天及夜晚模式，隧道洞口外設亮度儀，可檢測隧道洞外的亮度，隧道封閉段內設置照度儀，同步檢測封閉段內實時照度值，作為照明效果的反饋。白天隧道內所有燈具全部開啟，并可根據陰天、雨天、云天或晴天的亮度自動調節燈具亮度，節能運行；晚上閉口段內采用基本照明方式，關閉加強燈具。

表3 某隧道照明設備布置表

6 電氣設計難點分析

6.1 與隧道、道路等專業確定總體方案

圖3 某隧道照明設備布置橫斷面圖

隧道項目在方案階段有幾個重要的條件應盡快確定，否則會對后續的電氣設計產生巨大的影響。

首先應明確變配電房的位置，電房及電纜進出隧道接入點的位置會直接影響到供電半徑、供配電系統的設計方案及短路保護整定設定參數等方面，如果不在方案階段把這些重要條件穩定下來，讓隧道或者道路專業在項目征地等前置條件作相應的準備，后續一旦發生變配電房需重新選點的情況，可能會由于供電半徑的增大，從而無法滿足原供配電系統的設定條件，導致電氣設計方案發生重大調整甚至全盤推翻。

其次應根據隧道內用電設備的分布情況及用電負荷情況，估算使用電纜的規格及數量，并向隧道專業提出隧道內配電電纜的安裝空間要求。如隧道內設有電纜專用廊道，配電電纜可放置在專用廊道內，如無，則配電電纜只能在隧道中墻或者側墻采用橋架安裝，為了節省投資，隧道內的空間往往都比較緊湊，而且為滿足行車限界的要求，隧道側、中墻可用作安裝橋架的空間也相對有限，因此在方案階段必須充分考慮配電電纜的安裝空間并提資給隧道專業作預留，避免出現后續設計階段才發現空間不足而無法解決電纜敷設的問題。

6.2 風機電源線路配電保護設計

隧道內射流風機一般作為普通風機兼作消防排煙風使用，其電源線路的配電保護設定往往是容易被忽略的問題。根據規范要求，排煙風機一般只能采用直接啟動、星三角或自耦變壓器啟動，不能采用變頻器或軟啟動器進行控制。由于隧道射流風機現場配電控制箱一般都是在隧道側壁內嵌入安裝，考慮到隧道側壁箱體預留孔不宜過大，箱體內元器件過多也會產生散熱問題，所以建議射流風機盡量采用直接啟動方式，現場配電控制箱內元器件最為精簡。隧道射流風機功率一般在30kW～37kW范圍，1臺37kW風機的直接啟動電流就可達到749A(按功率因素0.75考慮）。隧道風機現場配電控制箱電源取自附近變配電房，根據前文的論述，變配電房與風機的配電距離有可能達到幾百米，按常規方式選擇配電電纜規格時，往往會造成短路電流偏小的情況，根據筆者對多個工程的統計，如果配電線路超過300米，經常會出現線路三相短路電流跟風機啟動電流數值比較接近、接地故障電流甚至小于風機啟動電流的情況，這樣會產生風機電源配電回路開關無法進行短路保護整定的問題。

鑒于這種特殊問題，提出以下解決方法。首先，重新復核變配電房至風機配電箱的電纜敷設路由，盡量縮短配電距離；其次，可以增大變配電房至風機現場配電控制箱的電纜規格或1個回路采用多根電纜并接的方式，以上方式都可以盡量增大線路的末端短路電流；再次，選擇四段型的配電子脫扣器的保護開關，短路電流整定值設定范圍可有效擴大并相對精準，還可設有專用的接地故障保護，為風機配電的短路保護整定提供更大的選擇空間。經過多次實踐，以上3種方式同時糅合運用并反復測算，基本能解決風機配電保護的問題，但電纜規格放大會造成一定的投資增加，多根電纜并接也會因每根電纜敷設長度不能完全一致而使電流不均勻分布，易造成某根電纜電流過載的問題，因此對電纜施工安裝的要求會更高，四段型開關價格也比較昂貴，因此在設計當中，要充分考慮各方面的約束條件，多方論證，爭取最優的解決方案。

6.3 有水淹風險隧道的電氣設計

城市隧道通常是下凹形的，當特大暴雨時會有水淹的風險。近幾年，廣州和鄭州都曾出現因特大暴雨造成隧道水位快速上升并被淹的情況。造成隧道水淹的原因有可能是隧道進水量大于隧道內水泵的抽排能力造成水無法及時排出被淹，也有可能是因為大量進水浸泡到水泵配電開關使其跳閘斷電后水泵不能再繼續工作而導致被淹。因此在有水淹風險的隧道應考慮如何在水淹情況下仍能保證水泵配電系統正常工作，哪怕抽排能力不足，也可以延緩隧道被水淹的速度，為隧道內的人員安全撤離提供寶貴的時間。

經調查，隧道排水泵配電控制設備常規都是放置在隧道泵房旁的配電房內，如果是位于交叉路口的短隧道，其隧道泵房基本位于隧道內最低點，如果是過江的中、長型隧道，隧道泵房可能不在隧道最低點但也相對接近最低點，因此泵房旁的配電房被水淹風險很大。筆者建議，隧道排水泵的配電控制保護裝置都放置在地面層或非最底層的變配電房內；調整水泵的二次控制接線以適應水淹情況仍可使用；泵房內只設置正常情況檢修時使用的現場按鈕箱；變配電房至水泵的電纜采用防水電纜，與水泵自配電纜進行接頭連接時采用IP68的防水接線箱進行保護。假如隧道泵房已被水淹，水泵的配電設備因不在泵房旁不會受到水淹影響，泵房內的水泵現場按鈕箱自動被切除電氣聯系不再影響水泵的二次控制系統，自控系統根據水位報警情況發出指令強啟水泵繼續工作，水泵配電電纜采用防水型、電纜接頭處已做好防水措施都保證了在水淹情況下電纜仍能正常使用。各種措施到位后，很好地解決了水淹導致水泵停機的問題。

7 結論

城市隧道電氣系統的設計具有不同于一般民用建筑或市政工程的特殊性，電氣設計當中會碰到很多常規項目不曾遇到的問題，應根據不同類型的隧道收集詳細的設計條件，具體分析、精心設計，選擇合適的電氣設計方案，電氣設計人員更應因地制宜、集思廣益去解決難題。