大型地鐵地下空間電氣設計方法

蒲曉成，石銀河

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308）

1 大型地下空間機電系統設計特點

在地下空間發展過程中，應遵循“以人為中心”的發展理念，借鑒城市的規劃、設計、施工等多種方式，使之更具人性化。在建設項目中，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合更加緊密。例如，通過與地面的高效轉換可以增強與地面的連接。同時，引入了自然光線、綠地等相關建筑設備，可以使整個建筑的整體質量得到進一步提升。對于大型地下空間機電系統，由于建筑面積龐大，并且各子系統功能復雜、防火分區多，使得設備配置錯綜復雜、零散，各個子系統的制式、模式和設備的空間分布不明確。因此，各個區域的電氣設備通常要單獨布置。

大型地下空間商業開發部分的業態需求有著巨大的不確定性，因此，更需要提高機電系統配置的合理性，增強機電系統配置的可擴充性，既滿足業態需求，又避免資源浪費。此外，復雜的大型地下空間需要有能夠體現其更高價值性的地面景觀設計，將交叉延伸的地下空間發展形成了立體的城市交通體系。

每個區域的管理與維護工作都不是一成不變的，所以對機電設備需要細化操作、維護和管理。機電一體化技術能有效地解決地下室內的密閉、壓抑問題，提高室內的空氣品質，解決大型地下空間防災處理困難的問題，全面完善系統功能。如何正確地規劃地下空間的專用界面，是目前地鐵工程機電一體化的一個重要問題。在地下空間機電系統選擇方面，需要根據具體的建筑規模、功能，并綜合考慮其他方面因素，明確適合其空間發展的制式和模式系統。

2 大型地下空間機電系統設計原則

考慮到大面積地下空間的特征，必須根據其發展規律進行空間電氣系統的規劃，主要表現為以下方面：

（1）在滿足空間設計原則的前提下，轉變地下空間設計理念，加強空間的和諧性和服務性，創造出更加和諧舒適的空間環境。不斷提高和完善機電系統功能，進一步增強大型地下空間機電系統在管理運營方面的空間機電系統設計優化。不斷完善和創新技術，在已有技術的基礎上，根據具體的設備技術發展情況，綜合設計更加統一、協調的地下空間機電系統。

（2）不斷提高技術創新水平，增強機電系統技術發展走創新之路。在現有技術設備的基礎之上，開拓思維、創新技術、完善設備安全性能、提高設備環保節能效率、增強設備運行穩定性，并在自身技術安全、可靠的前提下，做出開創性技術變革，能夠完善生產技術和工藝，設計出節能、環保、安全、可靠的新型建筑材料和產品，從而為建設更加安全舒適、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、復雜的結構系統，如果設計不當，可能對防災救援措施產生不利影響。因此，針對不同地區的災害防治標準，提出更為科學、合理的災害防治思想，并開展針對性的主題宣傳與研討。

3 大型地鐵地下空間電氣設計的重點

首先明確大型地鐵地下空間的功能分區，根據各功能區對電力資源的需求做針對性的設計，以適應用電負荷種類多、用電設備分散的特點。同時，考慮設備的特性，匹配合適的供配電系統，提供電力資源供應保障。

部分大型地鐵地下空間發生火災事故時存在救援難度大的局限性。出于安全考慮，電氣設計時必須保證供電系統的可靠性。大型地鐵地下空間的功能分區豐富，各區含有不同類型的電氣設備，必須有針對性地設計供配電系統。設計時，確定供配電系統的電氣設備分布位置、規格及數量，在合適的區域規劃電氣用房，減少對建筑空間完整性的影響，并精簡子系統，提升配電的可靠性[1]。

地下空間的土建成本高，減少對商業面積的占用，同時保證供電的合理性，是供電設計中的重點內容。為保證供電的合理性，需注重對供電設施布置位置的規劃。應在負荷中心布置變電所或其他電氣設備用房，縮短供電距離，減少電壓損耗。如果周邊環境對供電設計的限制性較強，例如為滿足商業開發的用地要求而不允許出現電氣設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計思路：①臨近負荷中心，縮短供電距離；②臨近電源側；③根據設備安裝便捷性的要求規劃設計；④不設在多塵、存在大量水霧的場所，若由于條件限制而無法滿足此要求，優先將變電所規劃在污源的下風側；⑤不設在振動劇烈的場所；⑥不設在經常積水區域的正下方；⑦不設在有火災危險場所的正下方或正上方；⑧禁止在危險爆炸場所內設置變電所。

4 工程實例

某大型地鐵地下空間工程項目，建筑面積約92 580 m2，地處城市中心區域。地面下沉式廣場及地下物業區包含-3F 物業部分設備管理用房區、-2F 地下車庫、-1F 商業娛樂及展覽擴展空間和地面下沉式廣場。各層間連通，應用到的連通設施包含自動扶梯、觀光電梯、步行階梯等。

5 大型地鐵地下空間的電氣設計

5.1 供電系統總體設計

從地區變電所單獨引兩回路10 kV 高壓電源至地下空間供電系統，每路均可承受工程全部一、二級用電負荷。各變電所均設計2 臺變壓器，總容量6400 kV·A。變電所分別設在-2F 及地鐵2 號線的-3F，物業部分的變電所采用10/0.4 kV，并于-2F、-3F 設置應急照明電源裝置。10 kV 高壓電源電纜引入電纜井道，廣場燈控室布置在-2F，考慮到燈控室控制范圍廣、容量大的特點（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入到燈控制室的配電箱中。

每一樓層消防區域都設有配電室，地鐵1 號線設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 號線的-2F 和-3F、2 號線的-4F。廣場中部變電所、地鐵2 號線-3F物業部分均有1 處電纜井，電纜穿越電纜井的人防墻體均預留鋼管。地鐵電源與物業開發電源分別源自于不同的電源，為避免彼此間交叉，進行相互對立配置。

5.2 負荷分級及供電要求

負荷分級方式為一、二、三級負荷，具體的供電要求如下：

（1）一級負荷，包含通信、設備監控、消防泵、廢水泵、防災報警、排煙風機、消防電梯、應急照明等。電源需求：由變電站的兩個低電壓母線各進一回路，兩端開關；緊急燈光由一組緊急電力供應系統提供。

（2）二次負載，包括風機、設備管理用房照明、一般照明、污水泵、集水泵、送風機等。電源需求：通過變電站一節低電壓母線饋入一環，應急時切斷電源，保證電力供應的安全性。

（3）三級負荷，包含空調機組、電熱設備、對冷凍室及其配套設備、廣告照明及清洗設備等。供電需求：一節高壓母排供電，當電力供應只有1 臺時，該部分將被切斷。

5.3 主接線及運行方式

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。兩路電源協同供電，2 段母線各帶2 臺變壓器，分段斷路器正常開路。若一路10 kV 電源暫停供電，聯跳0.4 kV 低壓側的三級負荷及地面廣場用電負荷，同時本路進線斷路器失壓跳閘，10 kV 斷路器可實現自動閉合，4 個變壓器均采用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 變壓器容量的設定

以實際用電負荷為準，設計時適當預留余量，保證變壓器長期的穩定運行。變電所按2 臺等容量變壓器設計，單臺為1600 kV·A，在此設計方式下，就算有1 座變壓器出了問題，剩下的1 座也能繼續工作，保證一、二負荷的供電能力。在位置的規劃上，按照大的一階的變壓器進行了預留[2]。

5.5 0.4 kV 側接線及運行方式

在常規工況下，采用分段斷路器，兩端各有1/2 負載，可達到總負載的需求。當1 條0.4 kV 進線發生故障時，進線和三次負載的總開關會自動斷電壓，并將其自動投入使用。，此時全所的一、二級負荷用電均由另一路0.4 kV 進線電源提供，此設計方式下可確保2 段母線的一、二級負荷供電需求得到滿足。

5.6 繼電保護和自動裝置設計

10 kV 的進線，設置了過流速斷、過流和無電壓的防護；饋線過流保護，斷流保護；母線分段采取過電流保護措施；10/0.4 kV變壓器進線過流速斷、溫度保護；10 kV 母線分段及0.4 kV 母線分段配置自動投入裝置且需帶有閉鎖功能；0.4 kV 進線設短路短延時、過負荷、失壓和接地保護。

5.7 動力供電設計

放射式配電設計方式，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，以滿足一級負荷的用電需求；部分一級負荷的容量較小同時遠離變電所，設計時采取分片兩回路供電的方式；在一些次級負載的低容量情況下，采用以樹枝形式進行電力供應的方式。集中式控制的對象是風機、水泵等，應針對此類裝置進行監控，保證裝置的穩定運行。

圖2 放射式配電線路

（1）通風空調系統設備的控制借助BAS 系統實現，具備就地控制和集中控制兩種控制策略，控制對象包含冷卻泵、冷凍泵、冷凍機、空調機、新風機等，監測信號分為裝置狀況和意外狀況。

（2）一般情況下，BAS 在ISCS 內整合到一個站點，中央級、車站級的BAS 功能由ISCS 實現。對于平時用于送、排風，火災時執行防排煙任務的車站共用設備，由BAS 控制。專用排煙風機、消防泵、防火閥等火災專用的消防設施是通過FAS 來實現的。在火災發生時，FAS 向BAS 發出火災模式指令，系統與FAS 或ISCS 系統進行通信，接收救援命令，并根據火情類型對現場的操作進行操作，其中FAS 是最優的。

（3）防火卷簾門、防火閥、擋煙垂板等設備的控制由FAS 系統進行，采取集中控制和就地控制兩種控制機制。火災發生時，FAS 系統隨即響應，切除配電所的三級負荷總開關。監視信號的類型分為設備狀態信號和事故信號。對于消防水泵、集水泵、污水泵，控制方式聯合應用的是就地手動控制和液位自動控制。通常情況采取直接啟動方式，對于功率在37 kW 以上的電機，采用軟啟動或降壓啟動的方法[3]。

5.8 接地系統設計

通過對工程地質報告、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報告、施工資料及周邊地下管線數據的數學模型，并進行可行性研究。通過可行性論證，最終得出了最優的接地方式。地鐵地面及地面系統包括3 個接地網，其中1、2 號線的地面接地網采用-3F 和-4F，而房地產開發的地面系統采用-2F 接地網。

6 結束語

在大型地鐵空間的設計中，電氣設計屬于重要內容，應由專業人員進行深入研究，以保證工程電氣設計安全、地鐵運營安全及周邊環境安全。本文提出大型地鐵地下空間電氣設計思路與具體設計方法，以期為相關設計提供參考。