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淺談城市管廊電氣設計研究與應用方案

更新時間：2023-03-16

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吳柯霓

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：根據新店外環路綜合管廊項目電氣設計的經驗，結合相關設計規范，將綜合管廊電氣部分按功能分為電力電纜，供電系統，照明系統，監控與報警系統以及防雷接地系統，以實際工程項目為例，對各系統的設計理念，設計要求以及·設計實例進行闡述，并針對在設計過程中遇到的實際情況進行分析。最后，結合設計體會，立足于綜合管廊今后發展的需求，展望今后綜合管廊的設計理念。

關鍵詞:綜合管廊；電氣；防火分隔；照明；監控

0 引言

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設施在國外,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。在我國,1958年的北京天安門就已經建設有1000多米的綜合管廊。目前,我國現有的地下管線系統大多形成于20世紀初期,隨著城市的發展、居民生活水平的提高,逐漸老化的管線已經無法滿足需求,但滯后于道路建設的管線增擴容導致了反復開挖線路、管線事故頻發等現象,傳統的單一管線建設已經無法適應社會的發展。為解決管線建設的用地、施工問題以及“拉鏈路"、城市內澇等社會問題,我國正大力推進綜合管廊建設.綜合管廊包含熱力,天然氣以及電力等管道,在實際運行中,確保各管道的安全運行是工程的重中之重,其中電氣設計包含了電力電纜、供電系統、照明系統、監控與報警系統與防雷接地系統，直接關系著綜合管廊的日常運維

筆者根據自身在福州市新店外環路道路綜合管廊電氣設計的經驗.結合行業標準與工程實例，簡述現今綜合管廊電氣設計的技術要求,為相似工程設計人員提供參考。

1 電力電纜

在綜合管廊的設計過程中,電力電纜設計依據除了電壓等級、絕緣性能、電力容量等一般電力設計要求外,還需考慮到電力電纜對其他管線的影響。根據統計顯示,綜合管廊的電力電纜是火災的大隱患。根據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。以現有工程實例及國家標準來看,在中低壓電纜的設計過程中，只要采用支架形式、選擇符合標準的阻燃或不燃電纜,并設有電氣火災監控系統及自動滅火裝置,其余參照現行的《電力工程電纜設計規范》即可。但由于高壓電纜在運行過程中發熱從而引起的火災以及干擾弱電信號的可能,其在設計過程中就有較多的限制,如:不能與通信電纜同艙設置。基于上述要求并根據項目實際需要,在新店外環路項目中,電力電纜的設置如圖1所示。

在設計過程中,高壓電纜布置在單獨的艙中,電壓電纜設有阻燃線槽。為保證隨著經濟發展帶來的電力需求變大,在綜合艙與高壓艙中都設有電力電纜備用支架,避免后續電力擴容帶來的綜合管廊擴建問題,違背綜合管廊設計初衷。

此外.雖然根據目前國內外綜合管廊的實際工程設計來看,電力電纜與熱力電纜存在同艙敷設的現象[8],但新修訂的GB50838-2015《城市綜合管廊工程技術規范》中,為確保綜合管廊內各工程管線的安全運行,都明確規定熱力管道不能與電力電纜同艙敷設[9]因此,在新項目的設計過程中,應以規范為依據。

2 供電系統

正常穩定的電力供應,是確保綜合管廊內各附屬配套設備安全可靠運行的重要前提。根據負荷對綜合管廊安全運行的重要性,將綜合管廊中的用電負荷分為二級負荷和三級負荷。其中,二級負荷主要包括消防設備、監控報警設備、應急照明設備、天然氣管道艙的管道緊急切斷閥、事故風機,其余用電負荷為三級負荷。根據二級負荷的供電要求,應采用雙回路供電。當雙回路無法實現時,應設置備用電源。新店外環路項目中供電系統設計如圖2所示。

該項目采用公用電網提供的兩路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。

為保證運維中的用電需求，根據GB508382015,應設置間隔不大于60m且安裝位置不低于0.5m的交流220V/380V分區檢修插座箱,在該項目中,管廊內每間隔50m進行敷設。為保證供電質量項目設計中還設有無功補償裝置,確保高壓側功率因素大于0.9。

3 照明系統

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

在設計中,針對出人口、設備操作處以及控制室等關鍵位置進行照度的增強。表1中高壓配電室設計值略低于標準值,是由于根據功率密度的要求，應低于7W/m,當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準值。

由于綜合管廊處于地底,工況相對復雜,特別是對防水、防塵的要求較高,因此照明系統所用燈具采用防護等級大于等于IP54的熒光燈,且在防觸電、防外力沖撞上都應設置相應的保護措施，如將能觸及的導電部分與固定線路的PE線相連接,設置燈具外殼接地專用線等,而用于應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,綜合管廊內還設有疏散指示燈、安全出口燈。

4 監控與報警系統

監控與報警系統是對綜合管廊在運行過程中的管理與保護,在發現故障隱患、限制故障范圍、保護工作人員與設備的安全等方面發揮著重要作用,通常包括環境與設備監控系統、安全防范系統、通信系統、預警與報警系統、地理信息系統與統一管理信息平臺等。在新店外環路綜合管廊的項目中,根據綜合管廊內實際情況與實際工程需求,將于火災防護部分獨立出來進行加強設計。在設計中主要將監控與報警系統分為火災自動報警及聯動控制系統與監控系統兩大部分。

4.1 火災自動報警及聯動系統

由于綜合管廊內工程管線種類多,工況復雜,在各管道的工作過程中存在漏氣、漏電的可能性,各附屬設備在運行過程中存在著局部放電、短路電弧等產生明火的可能,這些都是誘發火災的潛在因素。為保障綜合管廊內工作人員的安全與各工程管線的正常運行,除在管廊建設過程中設置的防火區以及設備材料選型中選用阻燃、不燃的材質外.還需針對火災可能發生的關鍵位置安裝火災監控裝置,以及設計假設火災發生后的快速滅火方案。從火災發生前、發生時、發生后采取針對措施。

根據新店外環路綜合管廊項目的實際需要，項目中火災自動報警及聯動系統由一臺放置于弱電控制室的火災報警聯動主機和各防火分區內的區域火災報警控制器與氣體滅火控制器組成。主機與控制器通過1000Mbps快速以太環網相連接。在弱電控制室即可監測所有火災報警信號和聯動控制信號，并控制重要消防設備。系統具體的設備包括:火災探測器、手動報警按鈕、火災聲光報警器、消防專用電話、火災報警控制器、感溫探測主機、感溫光纖、消防聯動控制器、應急照明控制器、氣體滅火控制器、防火門監控系統、消防電源監控系統、直流備用電源、弱電控制室圖形顯示裝置等。以火災發生到滅火為例,系統的主要工作原理如圖3所示。

當探測器或工作人員發現火災險情時,發送命令氣體滅火控制器,隨后啟動設備聯動、火警顯示、釋放門燈顯示以及火災發生區域的滅火裝置。除滅火外,當發生火災時,系統應將火災發生區域進行隔離,保護工作人員以及其他防火分區的設備并引導工作人員脫離火災區域。工程中為實現此目的專門設計了防火門,但根據近年來事故的分析報告,火災發生時,有較多的防火門出現門體損壞、關閉不嚴等隱患,沒能發揮預期的效果,導致火災造成的損失變大。基于此,需采用相應的防火門監控系統對防火門的運行狀態,保證防火門在火災中能發揮作用。

根據防火門的日常工作狀態.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致的設備損壞、關閉不嚴等問題,宜采用常開型防火門。對兩類防火門來說,都需設置相應的防火門控制器,能將防火門的故障信息、狀態信息傳送至控制主機,并實現聯動控制。根據實際場合的需要,針對常閉型防火門,由于火災發生時不需要改變運行狀態，因此在設計中保留聯動信號接口，但不接入聯動系統;而常開型防火門需接入聯動系統中,當在關閉后,工作人員可通過手動開關開啟,隨后再次關閉。火災發生時,關閉重要設備、引導疏散人員、滅火等多方面同步進行,力爭將火災造成的損失降到較低。

4.2 監控系統

根據GB50838-2015的規范要求,在綜合管廊內應對環境參數、通風設備、排水泵、電氣設備以及各類管線設置環境與設備監控系統,并監控報警統一管理平臺。

與火災自動報警及聯動系統相類似,同樣在弱電控制室中設置一監控主機并通過千兆工業以太環網與各分區監控系統進行通信。各分區監控系統包括:現場檢測儀表系統、防入侵報警系統、視頻監控系統、出入口控制系統、電子巡查系統以及環境參數監測系統。主要監控風機運行工況、照明系統運行工況、排水泵運行工況、配電柜智能網絡儀表、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。其中環境監測指標如表2所示。

各監控設備的敷設主要依據規范要求,敷設在諸如投料口、通風不利處、出入口、電力電纜接頭處電氣設備間、送排風口以及管道閥門處等關鍵節點。監控系統的運行控制原理為:當分區監控系統監測到溫度高于40C,濕度高于或氧氣濃度低于設定值時，控制器啟動該分區的通風機,強制換氣,保障綜合管廊內設施和工作人員的安全;當防入侵系統監測到發生入侵時,發出警報并打開相關區域的照明,將報警現場畫面切換到對應的圖像顯示設備；當給水管、溫泉管出現爆管時,監控分區柜將信號傳送至主機,遠程控制電動閥門關閉。

5 防雷接地系統

雖然綜合管廊位于地下,但與地上的設備間、變電站以及輸電線路仍有連接。當雷直擊所連接的設備或雷落在輸電線路旁時,會在金屬導體或線路上產生/感應出高電壓、大電流,對地下設備產生沖擊.導致設備損壞,甚至引發火災等嚴重事故。綜合管廊作為城市生命線,關系著城市居民與企業的日常生活生產,為避免雷擊帶來的危害,結合項目實際,新店外環路綜合管廊項目,將工程電子信息系統防雷按B級設置,并對各配電箱和控制箱裝設電源浪涌防護器弱電控制室按三類防雷建筑設計:接地系統采用TN-S接地系統，工作接地、防雷接地、保護接地以及弱電接地共用一接地體。

在防直接雷方面,利用屋面四周敷設直徑12mm的熱鍍鋅圓鋼.使屋面形成網格不大于20mx20m或24mx16m的避雷網;將屋頂上所有凸起的物體沿其頂部四周裝設避雷帶，所有金屬構筑物和金屬管道均與避雷帶焊接;利用結構柱內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.將綜合管廊結構主鋼筋及預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,在接地網中預留人工接地體點,當接地網接地電阻大于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。

6 設計經驗交流分析

在項目設計過程中,除嚴格按照規范要求進行設計,還需綜合項目整體與實際情況進行通盤考慮.在細節的把控上實現更合理的設計。現根據筆者在設計過程中遇到的實際情況進行分析討論。

6.1 通風系統設計

通風機的作用是正常情況下保持管廊內空氣的流通,事故時將管廊內由于火災而產生的煙霧排出。在GB50016-2014《建筑設計防火規范》中.將防、排煙設施歸人消防設施的目錄中[川],因此在綜合管廊的早期設計中,部分設計者將通風機納入在消防類的設計中[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,當采用氣體滅火時,其通風機在火災發生時應處于關閉狀態,在滅火后才開啟,將煙氣排出。若將通風機納入消防類設計,依據供電系統與火災自動報警及聯動系統的設計,在火災發生時.切斷非消防類電源,仍保留消防類電源。如此一來,便與通風機的工作要求相沖突。

為規范通風機的設計,在新舊兩版《綜合管廊工程技術規范》中都在通風系統的設計要求中明確指出:火災發生時,發生火災的防火分區及其相鄰分區的通風設備應自動關閉,滅火后,應啟動通風機將煙霧排出管廊。

6.2 火災探測器設計

對于火災的發現越早,便能將其造成的損失降至越低。選擇合適的火災探測器正是實現這一目標大前提。

根據綜合管廊內火災發生的情況,其主要的火災隱患來自電纜和熱力管線的保護層,在火災剛發生時,往往會產生濃密的煙氣,因此在艙室等管廊的節點位置,應采用感煙火災探測器;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,除煙氣外另一重要火災預警信號是溫度。結合設計規范中對監控與報警設備防護等級不宜低于IP65的要求由于感煙探測器在防護等級上達到要求的技術難度大,且近年來感溫光纖的技術不斷發展完善,在管廊的走廊通道內,宜采用感溫光纖火災探測器。

7 AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺

7.1 平臺概述

AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺集電力監控、能源管理、電氣安全、照明控制、環境監測于一體，為建立可靠、安全、高效的綜合管廊管理體系提供數據支持，從數據采集、通信網絡、系統架構、聯動控制和綜合數據服務等方面的設計，解決了綜合管廊在管理過程中存在內部干擾性強、使用單位多及協調復雜的根本問題，大大提高了系統運行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎設施、環境和設備的使用和恢復效率。

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變電站電力監控系統、變電所環境監控系統、智能馬達監控系統、電氣火災監控系統、消防設備電源系統、防火門監控系統、智能照明系統、消防應急照明和疏散指示系統。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數據，通過一個平臺即可全局、整體的對管廊用電和用電安全進行進行集中監控、統一管理、統一調度，同時滿足管廊用電可靠、安全、穩定、高效、有序的要求。

7.3 平臺拓撲

7.4 平臺子系統

7.4.1 電力監控

電力監控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數和用能情況，可實時監控高低壓供配電系統開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。

7.4.2 環境監測

環境監測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體濃度、門禁、視頻、空調、消防數據的采集、展示和預警，同時也可接入管廊艙室內的水泵和通風排煙風機等設備集成的第三方系統完成管廊環境綜合監控。

7.4.3 電氣安全

AcrelEMS-UT能效管理系統針對配電系統的電氣安全隱患配置相應的電氣火災傳感器、溫度傳感器，消防設備電源傳感器、防火門狀態傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態實時顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內阻進行實時監視，發生異常時通過聲光、短信、APP及時預警。

7.5 相關平臺部署硬件選型清單

7.5.1 電力監控及配電室環境監控系統

8 結論

結合綜合管廊的設計規范、工程應用實例以及在新店外環路綜合管廊項目電氣設計中的經驗，主要有如下的結論:

(1)綜合管廊工況更復雜,設計規范更嚴。綜合管廊與以往的電氣設計的主要區別在于:管廊中工程管線眾多.設計中應考慮各類管線共同運行帶來的影響,針對不良影響在設計中應加以規避;管廊位于地下,在日常運維上的工作量遠遠大于單一的管線運維.應在地下創造出保證工作人員安全的施工環境需要更高的安全防范系數,設計過程中應兼顧工作人員的工作體驗、工作安全;此外,在遠程控制管理上也需要更嚴謹的監控系統,將監管觸角延伸到綜合管廊各個部分。

(2)綜合管廊意義更重大,設計需求更多。綜合管廊建設不僅要改善提高城市的交通環境、人居環境,且其作為城市的生命線,是社會經濟發展的重要保障。因此,在設計過程中,不僅秉持建設百年工程的基本理念,還要考慮工程項目的安全性可擴展性,安全穩定可靠的運行是根本的要求，在確保現有城市發展需求的基礎上,應預留今后城市擴容帶來的管線擴容、智慧城市發展帶來的管理升級確保在城市發展的進程中,已有的綜合管廊不會被淘汰。

目前,我國綜合管廊的建設正在快速的推進中從設計、建設到管理等過程的經驗仍有待完善,綜合管廊設計經驗不能照搬照抄,在個別環境下的設計要求應遠遠高于國家標準。在設計過程中,應結合項目落地區域的地理環境、結合各相關規范要求、秉持可持續發展理念,制定合理、合適的設計思路。

參考文獻

[1]嚴其輝.綜合管廊電氣設計研究與應用

[2]肖登峰.湄洲灣北岸新文路改造提升工程綜合管廊設計[J].福建建筑,

[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05

作者簡介：

吳柯霓，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事智慧管廊監控研究發展。