隧道電氣設(shè)計

1、城市下穿隧道改造項目中電氣設(shè)計若干問題探討Discussion on the Electric Designof Underground Tunnel in Urban Road近年來，面對越來越擁擠的城市交通，道路改造項目不斷增多，局部地段采用下穿隧道改造使城市立體交通得到一定程度的實現(xiàn)。下穿隧道在方便交通的同時，也帶來了運行、維護和防災(zāi)方面的問題。隧道電氣設(shè)計主要包括供電系統(tǒng)設(shè)計、照明設(shè)計、電氣防災(zāi)系統(tǒng)設(shè)計以及泵站電氣設(shè)計等幾個方面。如何為業(yè)主提供一個安全、經(jīng)濟、可靠、 可維護性的設(shè)計方案，避免不合理設(shè)計給維護成本和防災(zāi)安全帶來過大的壓力是設(shè)計人員考慮的首要目標。下面想分別就幾個需要重點關(guān)

2、注的問題同業(yè)內(nèi)人士做簡單探討：一、合理進行供電系統(tǒng)設(shè)計（一） 、關(guān)于負荷等級的確定隧道負荷主要有照明、通風(fēng)、消防電氣報警系統(tǒng)、雨水機泵、火災(zāi)應(yīng)急照明等組成。1、雨水泵站屬于下穿隧道最重要的負荷之一。由于成都市地下水位較高，即使在非雷雨天氣情況下，地下水會幾個小時內(nèi)大量聚集，造成隧道路面積水，因此其正常運行與否將直接影響隧道的交通功能， 所以雨水泵站應(yīng)確定為隧道中的重要負荷。根據(jù)我市目前電網(wǎng)條件，采用10KV獨立雙電源供電是合理的。2、消防及通風(fēng)用電根據(jù)隧道類別確定供電負荷等級。一、二類隧道視為一級負荷，三類隧道為二級負荷。確定隧道類別是防災(zāi)電氣設(shè)計中的首要環(huán)節(jié)，將影響負荷等級的確定，以及是否設(shè)

3、計自動報警系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等。2006建筑設(shè)計防火規(guī)范將城市隧道分為四類：用途隧道封閉段長度一類二類三類四類可通行化學(xué)危險品等機動車L>1500500<L 1500L 500僅限通行非化學(xué)危險品等機動車L>30001500<L 3000500<L 1500L 500僅限人行或通行非機動車L>1500L 1500根據(jù)成都市交通管理規(guī)范, 三環(huán)路以內(nèi)將禁止化學(xué)危險品機動車進入 , 所以 , 以東城根南街隧道（ 長 912 米 ） 為例 , 應(yīng)被確定為三類隧道。 因此， 東城根南街隧道消防報警和通風(fēng)系統(tǒng)采用二級負荷標準供電是合乎要求的。3、合理使用EPS應(yīng)急電源系統(tǒng)

4、（ 1） 、問題的提出07 年 4 月 13 日， 東城根南街4#風(fēng)機EPS電池柜爆炸起火， 造成EPS系統(tǒng)燒毀的嚴重事故，幾乎造成整個隧道交通堵塞。在該隧道的1#、 2#、 3#風(fēng)機EPS系統(tǒng)和紅星路隧道EPS系統(tǒng)也一直由于這樣那樣的問題處于非正常運行狀態(tài)。當(dāng)然其中有維護力量跟不上和維護成本過高的原因?，F(xiàn)在在電氣設(shè)計中較多的采用EPS應(yīng)急電源系統(tǒng)。EPS具有柴油發(fā)電機不具備的使用方便，占用空間小的優(yōu)點，但由于維護技術(shù)要求復(fù)雜和成本高所以在隧道電氣設(shè)計中也需要謹慎使用。在幾乎所有改造的下穿隧道中，往往設(shè)備房空間都十分狹小，EPS并不具備良好的通風(fēng)散熱條件，造成EPS系統(tǒng)運行環(huán)境惡劣，故障頻發(fā)，

5、而且維護起來相當(dāng)困難。并且，EPS電池一般壽命3-5 年，在通風(fēng)散熱不好的情況下，壽命會顯著縮短，極大地增加了維護的成本。（ 2）重新考慮對早期隧道電氣供電系統(tǒng)出現(xiàn)問題后的修復(fù)調(diào)整由于我市很多下穿隧道設(shè)計是在2005 年以前設(shè)計的，當(dāng)時尚無專門針對城市隧道的設(shè)計規(guī)范，造成設(shè)計標準不一，多數(shù)標準偏高，大量使用雙電源+EPS系統(tǒng)模式。GB50016-2006對隧道防火設(shè)計進行了專門描述。因此， 對運行中存在問題的早期隧道供電系統(tǒng)根據(jù)新的規(guī)范進行重新考慮并不多余，而且對今后新的隧道電氣合理設(shè)計可以提出新的思路。就成都市排水設(shè)施管理處管理的隧道如紅星路隧道、東城根南街隧道、東城根北延線隧道等幾座200

6、5 年以前交付使用的隧道而言，電氣系統(tǒng)中較多采用10KV雙電源（取自不同的區(qū)域變電站）， 已經(jīng)具備一級負荷供電條件，而且， 在風(fēng)機供電上已經(jīng)采用末端切換。那么，對已出現(xiàn)問題的EPS系統(tǒng)的修復(fù)應(yīng)該說必要性不強，以免投入更大的資金。（二） 、供電系統(tǒng)總體思路。1、 由于大多數(shù)長大隧道已經(jīng)為10KV獨立雙電源引入，已經(jīng)具備一級負荷供電條件。如果有條件的有人值守獨立式隧道泵站也可以一路 10KV再配一臺柴油發(fā)電機。2、 采用取自不同10KV低壓母線段的低壓雙電源末端切換既可以滿足水泵系統(tǒng)，也能完全滿足消防報警和通風(fēng)系統(tǒng)用電要求。不需要配置大容量EPS系統(tǒng)。3、 應(yīng)急照明和疏散指示可以采用小容量EPS系

7、統(tǒng)集中供電，也可以采用分散式應(yīng)急照明燈。二、有關(guān)消防電氣設(shè)計值得注意的是，新版規(guī)范規(guī)定，一、二類隧道通行機動車輛的隧道應(yīng)設(shè)置火災(zāi)報警系統(tǒng)，三類隧道宜設(shè)置火災(zāi)報警系統(tǒng)。隧道主要用電設(shè)備房應(yīng)設(shè)置消防報警系統(tǒng)。目前， 我市最近幾年建成的下穿隧道基本屬于三類或四類無人值守隧道， 無專門中心機房，設(shè)置消防報警系統(tǒng)將存在中心消防機房的選擇問題。由于我市公安消防總隊擔(dān)負市政消防系統(tǒng)的管理職能，隧道火災(zāi)報警信息須通過電信光纖傳輸?shù)较揽傟牨O(jiān)控中心來實現(xiàn)遠程監(jiān)控。 如何協(xié)調(diào)處理市政隧道維護單位與公安消防系統(tǒng)之間的消防系統(tǒng)管理關(guān)系一直是調(diào)試、檢修等實際操作中存在的問題。另外，由于隧道粉塵大、潮濕度高，消防電子設(shè)備

8、故障多發(fā)，檢修條件差，造成消防系統(tǒng)本身的維護成本相當(dāng)高。以上這些因素需要建設(shè)管理單位和設(shè)計單位認真考慮確定三類隧道中設(shè)置消防火災(zāi)報警系統(tǒng)的必要性。三、照明電氣設(shè)計若干問題（1） 、重視隧道照明布置設(shè)計在我市的隧道中照明設(shè)計中布局對于入口段，過渡段， 基本照明、出口照明、應(yīng)急照明的照明設(shè)計特別是燈具布置有值得商榷的地方。由于照明存在白天和黑夜兩種基本運行模式，在實際運行中，勢必有時會亮一些燈，有時會關(guān)一些燈。由于燈的交錯布置，在經(jīng)過隧道時候感覺照極不整齊，很容易給市民造成維護不善的印象。同時，交錯設(shè)計給燈具維修的線路識別造成了很大的困難。在對歐洲城市隧道的照明考察發(fā)現(xiàn)，隧道照明采用較高的照度標準

9、，無嚴格入口、過渡、基本照明的劃分，燈具照明整齊劃一，十分美觀。 當(dāng)然， 推行不同段采用不同的照度對于電能的合理使用是值得提倡的， 但如何既滿足一定照度變化規(guī)律又能夠使觀感整齊美觀是設(shè)計師們需要考慮的問題?？梢钥紤]在隧道縱向增加平行排列，避免交錯設(shè)計來實現(xiàn)。相應(yīng)的， 隧道燈具產(chǎn)品應(yīng)具有符合不同角度布置的光強曲線。另外， 建議在施工中給不同線路照明以一定的標志，便于檢修維護。（2） 、照明燈具應(yīng)采用帶獨立保險裝置的鈉燈運行中發(fā)現(xiàn)，高壓鈉燈鎮(zhèn)流器短路故障經(jīng)常造成回路短路跳閘，同一回路中的所有燈具完全熄滅。在如何查找故障燈的時候往往一盞一盞燈具查找，非常麻煩。所以，建議采用有獨立保護裝置的鈉燈。（3

10、） 、對船槽照明的設(shè)計1、對隧道的照明設(shè)計應(yīng)考慮周邊環(huán)境照明的設(shè)計，如高桿路燈等。目前幾乎所有的隧道都考慮了船槽設(shè)計，但在運行中發(fā)現(xiàn)，由于隧道上方已有足夠亮度的高桿路燈，船槽照明變得可有可無。2、目前廠家生產(chǎn)的隧道燈往往不具備室外燈功能。在船槽中廣泛采用隧道燈的結(jié)果是燈具玻璃罩經(jīng)常由于日曬雨淋冷熱冰裂，不能正常使用，往往成為影響道路美觀的一個重要因素。所以，應(yīng)引起設(shè)計院關(guān)注。（四）關(guān)于新型光源的使用目前，有少量隧道照明選用“無極燈”、 “ LED”等新型“綠色”光源。LED光源近十年的新突破是科技進步和時代發(fā)展的產(chǎn)物，具有節(jié)能、環(huán)保、白光、長壽命等多項優(yōu)點，按2007 年國際上先進的大功率白光

11、LED產(chǎn)業(yè)化水平，發(fā)光效率普遍達到60-90lm/W，節(jié)能效果已經(jīng)相當(dāng)具有吸引力。雖然LED在照明領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿薮?，但作為照明主體的研發(fā)艱難和產(chǎn)品質(zhì)量遠沒有成熟也是不爭的事實，如它的芯片制作、芯片材料、發(fā)光效率、散熱性能、延長壽命、封裝方式、封裝材料、 驅(qū)動特性和性價比等都有大量的工作需要進行。散熱的改善更是目前LED發(fā)展必須突破的瓶頸，如散熱欠佳就會造成LED光色的改變，還會造成發(fā)光效率和壽命明顯降低。目前，高發(fā)光效率的1W白光LED價位在35元左右，顯然高于市場推廣水平。“無極燈”由于沒有電極，所以壽命很長（大多數(shù)放電燈的壽命在很大程度上取決于燈泡電極的壽命），非常適宜于如隧道這種難以經(jīng)

12、常換燈的地方，另外還具有瞬時點燃、連續(xù)調(diào)光、無閃爍等優(yōu)點，當(dāng)主要缺點是有電磁干擾，價格教貴。從我市紅星路東側(cè)隧道無極燈改造項目來情況看，在隧道中間段光色柔和，照度分布均勻，導(dǎo)向性較好。 但在隧道入口和出口要達到高壓鈉燈同樣的照度需求則要密集布置更多的燈具，因為同高壓鈉燈相比，目前無極燈尚受到大功率的限制，這是在隧道照明設(shè)計或節(jié)能改造中應(yīng)注意的問題。四、泵站電氣可靠性設(shè)計的常見問題在我處所轄泵站機電設(shè)施的管理中，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)水泵電控柜電氣設(shè)計存在諸多方面的問題。這些問題的存在給泵站的可靠運行和維護管理帶來一定的隱患。比較常見的有以下幾個方面：（一）電氣一次系統(tǒng)問題1、電動機主回路沒設(shè)置隔離電器在目前

13、我處管理的幾乎所有泵站都存在這個問題。根據(jù)GB50055-93 通用用電設(shè)備配電設(shè)計規(guī)范的規(guī)定，一般情況下每臺電動機主回路均應(yīng)裝設(shè)隔離電器。其目的在于在檢修時使電動機及其控制電器與帶電體有效隔離。當(dāng)以下兩種情況可以幾臺電動機共用一組隔離電器：（ 1） 數(shù)臺電動機共用一套短路保護；（ 2）由同一配電箱（屏）供電，且允許無選擇性地斷開的一組電動機。根據(jù)IEC947的規(guī)定，隔離電器應(yīng)具有“絕緣+動觸頭位置指示”兩種功能。能做隔離電器的有：多極或單極的隔離電器、隔離開關(guān)、插頭或插座、熔斷器式連接片、不需拆除導(dǎo)線的特殊端子等。有的電氣技術(shù)人員錯誤地把所有的低壓斷路器也當(dāng)作 “隔離電器+保護電器”雙重功能

14、使用，這是不符合安全要求的。目前市面上的DZ20、 CM1、 SM30、 C45N、 TM30等均不具備隔離電器的功能。Ismax S、GV2、 NS、 MS325等系列符合隔離電器的要求，可以充當(dāng)隔離電器的功能。值得一提的是，由于有些泵站的設(shè)計單位只把泵站所需的動力電源設(shè)計到位，泵站電控柜的電氣設(shè)計由水泵中標廠家配套。由于廠家對電氣設(shè)計相關(guān)規(guī)范認知不夠或處于成本節(jié)約的考慮，往往在水泵電氣控制柜中沒考慮隔離電器，這給泵站的安全維護和管理造成了一定的隱患。這種情況希望在以后的工程設(shè)計及施工管理中能夠避免。2、數(shù)臺電動機共用一套短路保護的問題在很多市政泵站的電氣設(shè)計均存在這個問題。羊市街隧道泵站2

15、004 年發(fā)生故障，導(dǎo)致水泵控制柜主開關(guān)跳閘后引起整座下穿隧道被淹。根據(jù)事后分析，該控制柜共有三臺30KW水泵，采用一臺250A空氣開關(guān)作為共用保護，在其中一臺水泵故障后，引起總開關(guān)跳閘，水泵全部停止工作，最終導(dǎo)致隧道被淹。GB50055-93通用用電設(shè)備配電設(shè)計規(guī)范 第 2.4.2 明確規(guī)定，每臺交流電動機應(yīng)分別裝設(shè)相間短路保護。符合以下兩條的可以數(shù)臺電動機共用一套短路保護電器：（ 1） 總計算電流不超過20A，且允許無選擇性切斷時；（ 2） 工藝要求，必須同時啟停的一組電動機，不同時切斷將危及人身設(shè)備安全時。顯然， 我處管轄的泵站電機的電氣設(shè)計不存在這兩種情況。那么 根據(jù)規(guī)范和使用安全性要

16、求，應(yīng)增設(shè)短路保護。3、短路保護電器SPCD的選型問題在筆者的經(jīng)歷中，也形成了熔斷器容易熔斷，使用起來很麻煩的一些觀念。但應(yīng)該不是使用熔斷器本身的問題，而是在熔斷器選型時不夠嚴謹所致，加上某些國內(nèi)廠家的熔斷器在技術(shù)、生產(chǎn)和管理中所存在的質(zhì)量不高，管理不嚴，推廣不力等一些問題，造成了人們對熔斷器的使用上的一些偏見。另外，在選擇短路保護電器時應(yīng)注意：（ 1） 水泵電動機熔斷器保護選擇應(yīng)選擇aM型，不宜選擇g型。熔斷器的額定電流應(yīng)根據(jù)其安秒特性曲線略高于電動機啟動電流和啟動時間的交叉點來選取，但不得小于電動機的額定電流。（ 2）電動機主回路的斷路器應(yīng)采用保護電動機型。、電動機是否采取降壓啟動設(shè)計的相

17、關(guān)問題（ 1）建議在電源滿足條件時以下水泵首先選擇直接啟動目前成都市雨水泵站電機普遍采用降壓啟動，主要兩種方式：一是自耦降壓，另外一種是軟啟動。在最近幾年的設(shè)計中普遍采用軟啟動，最初是采用“一控三”模式，現(xiàn)在在使用單位的要求下，逐漸使用“一控一”模式，以降低軟啟動故障帶來的系統(tǒng)癱瘓風(fēng)險。目前， 軟啟動在水泵啟動設(shè)計被普遍采用。軟啟動的不僅增加了設(shè)備投資，而且，由于維護技術(shù)要求高，普通單位不具備修理水平帶來的故障風(fēng)險特別大，特別在“一控三”模式下，軟啟動的故障意味著水泵系統(tǒng)癱瘓，這在汛期是特別危險的。在目前成都市中心城區(qū)下穿隧道雨水泵站的潛水泵普遍采用籠型電機，電壓22-90KW不等。現(xiàn)在，沒有

18、一個通用的計算公式確定多大功率電機可以直接啟動，多大功率電機應(yīng)該降壓啟動，只有通過啟動電壓波動和啟動壓降的計算值，根據(jù)目前相關(guān)規(guī)范來確定是否采取降壓啟動措施。關(guān)于電機啟動的端子電壓問題：絕大多數(shù)電動機不需要驗算啟動時的端子電壓，只有少數(shù)特重負載才可能驗算，水泵負載屬于中輕負載，顯然不屬于需要驗算這一類。而且，某種意義上說， 啟動電流在變壓器和水泵線路上的電壓降在一定程度上也使全壓啟動并非實際意義上的全壓啟動，降低了沖擊轉(zhuǎn)矩，是一定程度上的降壓啟動。因此，電動機啟動時端子電壓不應(yīng)作為驗算條件。關(guān)于啟動時電動機溫升問題：無論理論和實際測量均表明，籠型電動機起動時繞組發(fā)熱比全壓起動時更嚴重。因此，

19、電動機起動時溫升不應(yīng)作為全壓啟動的限制條件；另外， 隧道雨水泵站電機不存在沖擊轉(zhuǎn)矩承受力的問題，綜上，筆者建議，在滿足電源和啟動條件要求時，盡可能采用直接啟動。 針對雨水泵站水泵全壓啟動的條件一般比較簡單：配電母線上的電壓不低于額定電壓的80%（雨水泵站水泵屬于不頻繁啟動）。對于母線電壓降和電機端子電壓，可以通過簡單計算得出。拿具有代表性的羊市街隧道來說，設(shè)計采用三臺泵（30KW） ，兩用一備，水泵啟動電流385A。 250KVA變壓器供電，變壓器短路阻抗4.3%。水泵控制柜至水泵采用3*25+1*16 電纜，長110米。為簡化計算，可以假定變壓器高壓側(cè)容量為無限大，低壓側(cè)電機啟動引起高壓側(cè)電

20、壓波動是很小的，可以忽略不計。其次，假定電機投入后，變壓器達滿負荷運行，事實上變壓器負載率總低于1，以此假設(shè)條件得出的結(jié)果是偏于保守的。在此假設(shè)條件下，可以采用下式計算母線電壓（引用陳元麗現(xiàn)代建筑電氣設(shè)計指南P310） 。1 0.6x*U m*3U d 0.93I q Sb 0.85P1 Xbdq bdSbUm*電動機啟動時母線電壓標么值X*變壓器電抗標么值Ud*_電動機額定電壓，KV15Iq 電動機額定電流， Sb變壓器額定容量， 根據(jù)泵站所給條件，AKVAU m*1 0.0431 0.6 0.0430.38 0.93 385 250 0.85 300.99Ud *U m*250Um*結(jié)果和下面公式計算。3I q 0.4 r00.85 x0 lU d 10 6Ud*電動機啟動時電動機端電壓標么值r 0線路比電阻，歐姆/Kmx0線路比電抗，歐姆/Kml 線路長度，mIq