浅谈城市管廊电气设计研究与应用方案

摘要：根据新店外环路综合管廊项目电气设计的经验，结合相关设计规范，将综合管廊电气部分按功能分为电力电缆，供电系统，照明系统，监控与报警系统以及防雷接地系统，以实际工程项目为例，对各系统的设计理念，设计要求以及·设计实例进行阐述，并针对在设计过程中遇到的实际情况进行分析。*后，结合设计体会，立足于综合管廊今后发展的需求，展望今后综合管廊的设计理念。
关键词:综合管廊；电气；防火分隔；照明；监控
 
0引言
      综合管廊,起源于法国巴黎,别称共同沟,共同管道,是容纳两种及以上工程管线的重要基础设施在国外,英国、德国、日本、俄罗斯、西班牙等国家都在开展综合管廊的建设。在我国,1958年的北京天安门就已经建设有1000多米的综合管廊。目前,我国现有的地下管线系统大多形成于20世纪初期,随着城市的发展、居民生活水平的提高,逐渐老化的管线已经无法满足需求,但滞后于道路建设的管线增扩容导致了反复开挖线路、管线事故频发等现象,传统的单一管线建设已经无法适应社会的发展。为解决管线建设的用地、施工问题以及“拉链路”、城市内涝等社会问题,我国正大力推进综合管廊建设.综合管廊包含热力,天然气以及电力等管道,在实际运行中,确保各管道的安全运行是工程的重中之重,其中电气设计包含了电力电缆、供电系统、照明系统、监控与报警系统与防雷接地系统，直接关系着综合管廊的日常运维
      笔者根据自身在福州市新店外环路道路综合管廊电气设计的经验.结合行业标准与工程实例，简述现今综合管廊电气设计的技术要求,为相似工程设计人员提供参考。
 
1电力电缆
    在综合管廊的设计过程中,电力电缆设计依据除了电压等级、绝缘性能、电力容量等一般电力设计要求外,还需考虑到电力电缆对其他管线的影响。根据统计显示,综合管廊的电力电缆是火灾的大隐患。根据电压等级将电力电缆分为不大于1000V的低压电缆.35kV及以下的中压电缆和大于35kV的高压电缆。以现有工程实例及国家标准来看,在中低压电缆的设计过程中，只要采用支架形式、选择符合标准的阻燃或不燃电缆,并设有电气火灾监控系统及自动灭火装置,其余参照现行的《电力工程电缆设计规范》即可。但由于高压电缆在运行过程中发热从而引起的火灾以及干扰弱电信号的可能,其在设计过程中就有较多的限制,如:不能与通信电缆同舱设置。基于上述要求并根据项目实际需要,在新店外环路项目中,电力电缆的设置如图1所示。
 
 
     在设计过程中,高压电缆布置在单独的舱中,电压电缆设有阻燃线槽。为保证随着经济发展带来的电力需求变大,在综合舱与高压舱中都设有电力电缆备用支架,避免后续电力扩容带来的综合管廊扩建问题,违背综合管廊设计初衷。
     此外.虽然根据目前国内外综合管廊的实际工程设计来看,电力电缆与热力电缆存在同舱敷设的现象[8],但新修订的GB50838-2015《城市综合管廊工程技术规范》中,为确保综合管廊内各工程管线的安全运行,都明确规定热力管道不能与电力电缆同舱敷设[9]因此,在新项目的设计过程中,应以规范为依据。

2供电系统
     正常稳定的电力供应,是确保综合管廊内各附属配套设备安全可靠运行的重要前提。根据负荷对综合管廊安全运行的重要性,将综合管廊中的用电负荷分为二级负荷和三级负荷。其中,二级负荷主要包括消防设备、监控报警设备、应急照明设备、天然气管道舱的管道紧急切断阀、事故风机,其余用电负荷为三级负荷。根据二级负荷的供电要求,应采用双回路供电。当双回路无法实现时,应设置备用电源。新店外环路项目中供电系统设计如图2所示。
 
 
该项目采用公用电网提供的两路10kV电源供电，两路电源接自不同变电站或同一变电站的不同母线。供电方式采用单母线不分段的方式,各供电线路的备用回路引自另一母线。采用不间断电源(Unin-terruptiblePowerSystem,UPS)作为备用电源。
 
     为保证运维中的用电需求，根据GB508382015,应设置间隔不大于60m且安装位置不低于0.5m的交流220V/380V分区检修插座箱,在该项目中,管廊内每间隔50m进行敷设。为保证供电质量项目设计中还设有无功补偿装置,确保高压侧功率因素大于0.9。
3照明系统
    综合管廊是位于地下的城市管道,缺少自然光源,照明系统完全依靠人工敷设。综合管廊的照明系统总的可为一般照明与应急照明两部分.根据用途与场合可再细分为综合管廊一般照明、综合管廊应急照明、综合管廊疏散照明、设备房一般照明与设备房应急照明等5类。为兼顾能源的节约与运维人员在日常检修中的安全和工作,需要以及应对紧急突发情况时的疏散需求,新店外环路综合管廊项目照明系统的照度设计略高于GB50838-2015中要求的低值，其主要照明系统设置如表1所示
 
在设计中,针对出人口、设备操作处以及控制室等关键位置进行照度的增强。表1中高压配电室设计值略低于标准值,是由于根据功率密度的要求，应低于7W/m,当高压配电室照度选取185lx时,其功率密度为6.8W/m’。因此,不宜选取更高的照度,否则功率密度会超出标准值。
      由于综合管廊处于地底,工况相对复杂,特别是对防水、防尘的要求较高,因此照明系统所用灯具采用防护等级大于等于IP54的荧光灯,且在防触电、防外力冲撞上都应设置相应的保护措施，如将能触及的导电部分与固定线路的PE线相连接,设置灯具外壳接地专用线等,而用于应急照明的荧光灯还需带有。供电时间为90min的蓄电池。此外,在重要出人口,综合管廊内还设有疏散指示灯、安全出口灯。
 
4监控与报警系统
     监控与报警系统是对综合管廊在运行过程中的管理与保护,在发现故障隐患、限制故障范围、保护工作人员与设备的安全等方面发挥着重要作用,通常包括环境与设备监控系统、安全防范系统、通信系统、预警与报警系统、地理信息系统与统一管理信息平台等。在新店外环路综合管廊的项目中,根据综合管廊内实际情况与实际工程需求,将于火灾防护部分独立出来进行加强设计。在设计中主要将监控与报警系统分为火灾自动报警及联动控制系统与监控系统两大部分。
4.1火灾自动报警及联动系统
     由于综合管廊内工程管线种类多,工况复杂,在各管道的工作过程中存在漏气、漏电的可能性,各附属设备在运行过程中存在着局部放电、短路电弧等产生明火的可能,这些都是诱发火灾的潜在因素。为保障综合管廊内工作人员的安全与各工程管线的正常运行,除在管廊建设过程中设置的防火区以及设备材料选型中选用阻燃、不燃的材质外.还需针对火灾可能发生的关键位置安装火灾监控装置,以及设计假设火灾发生后的快速灭火方案。从火灾发生前、发生时、发生后采取全方位的针对措施。
根据新店外环路综合管廊项目的实际需要，项目中火灾自动报警及联动系统由一台放置于弱电控制室的火灾报警联动主机和各防火分区内的区域火灾报警控制器与气体灭火控制器组成。主机与控制器通过1000Mbps快速以太环网相连接。在弱电控制室即可监测所有火灾报警信号和联动控制信号，并控制重要消防设备。系统具体的设备包括:火灾探测器、手动报警按钮、火灾声光报警器、消防专用电话、火灾报警控制器、感温探测主机、感温光纤、消防联动控制器、应急照明控制器、气体灭火控制器、防火门监控系统、消防电源监控系统、直流备用电源、弱电控制室图形显示装置等。以火灾发生到灭火为例,系统的主要工作原理如图3所示。
 
 
      当探测器或工作人员发现火灾险情时,发送命令气体灭火控制器,随后启动设备联动、火警显示、释放门灯显示以及火灾发生区域的灭火装置。除灭火外,当发生火灾时,系统应将火灾发生区域进行隔离,保护工作人员以及其他防火分区的设备并引导工作人员脱离火灾区域。工程中为实现此目的专门设计了防火门,但根据近年来事故的分析报告,火灾发生时,有较多的防火门出现门体损坏、关闭不严等隐患,没能发挥预期的效果,导致火灾造成的损失变大。基于此,需采用相应的防火门监控系统对防火门的运行状态,保证防火门在火灾中能发挥作用。
根据防火门的日常工作状态.将防火门分为常闭型与常开型。通常情况下采用常闭型防火门,在人员出入频繁的场合,为避免使用上的不便以及频繁使用导致的设备损坏、关闭不严等问题,宜采用常开型防火门。对两类防火门来说,都需设置相应的防火门控制器,能将防火门的故障信息、状态信息传送至控制主机,并实现联动控制。根据实际场合的需要,针对常闭型防火门,由于火灾发生时不需要改变运行状态，因此在设计中保留联动信号接口，但不接入联动系统;而常开型防火门需接入联动系统中,当在关闭后,工作人员可通过手动开关开启,随后再次关闭。火灾发生时,关闭重要设备、引导疏散人员、灭火等多方面同步进行,力争将火灾造成的损失降到较低。
4.2监控系统
    根据GB50838-2015的规范要求,在综合管廊内应对环境参数、通风设备、排水泵、电气设备以及各类管线设置环境与设备监控系统,并监控报警统一管理平台。
 
    与火灾自动报警及联动系统相类似,同样在弱电控制室中设置一监控主机并通过千兆工业以太环网与各分区监控系统进行通信。各分区监控系统包括:现场检测仪表系统、防入侵报警系统、视频监控系统、出入口控制系统、电子巡查系统以及环境参数监测系统。主要监控风机运行工况、照明系统运行工况、排水泵运行工况、配电柜智能网络仪表、红外对射装置，H2S、CH，气体、氧气浓度值、温湿度探测器以及静压式液位计。其中环境监测指标如表2所示。

 
监控系统各部分的相互通信如图4所示。
 
 
        各监控设备的敷设主要依据规范要求,敷设在诸如投料口、通风不利处、出入口、电力电缆接头处电气设备间、送排风口以及管道阀门处等关键节点。监控系统的运行控制原理为:当分区监控系统监测到温度高于40C,湿度高于或氧气浓度低于设定值时，控制器启动该分区的通风机,强制换气,保障综合管廊内设施和工作人员的安全;当防入侵系统监测到发生入侵时,发出警报并打开相关区域的照明,将报警现场画面切换到指定的图像显示设备；当给水管、温泉管出现爆管时,监控分区柜将信号传送至主机,远程控制电动阀门关闭。
 
5防雷接地系统
      虽然综合管廊位于地下,但与地上的设备间、变电站以及输电线路仍有连接。当雷直击所连接的设备或雷落在输电线路旁时,会在金属导体或线路上产生/感应出高电压、大电流,对地下设备产生冲击.导致设备损坏,甚至引发火灾等严重事故。综合管廊作为城市生命线,关系着城市居民与企业的日常生活生产,为避免雷击带来的危害,结合项目实际,新店外环路综合管廊项目,将工程电子信息系统防雷按B级设置,并对各配电箱和控制箱装设电源浪涌防护器弱电控制室按三类防雷建筑设计:接地系统采用TN-S接地系统，工作接地、防雷接地、保护接地以及弱电接地共用一接地体。
      在防直接雷方面,利用屋面四周敷设直径12mm的热镀锌圆钢.使屋面形成网格不大于20mx20m或24mx16m的避雷网;将屋顶上所有凸起的物体沿其顶部四周装设避雷带，所有金属构筑物和金属管道均与避雷带焊接;利用结构柱内2根直径大于16mm的对角主筋通长焊接作为避雷引下线，上端与避雷带焊接、下端与地梁底2根主筋焊接。在接地体方面.将综合管廊结构主钢筋及预埋钢板可靠焊接在一起作为自然接地体,并将其与弱电室接地体和管廊接地体焊接形成接地网,在接地网中预留人工接地体点,当接地网接地电阻大于12时,加人人工接地极。在防雷电波侵入上,在进出综合管廊的金属管道在入户处就近与防雷接地装置连通。
 
6设计经验交流分析
      在项目设计过程中,除严格按照规范要求进行设计,还需综合项目整体与实际情况进行通盘考虑.在细节的把控上实现更合理的设计。现根据笔者在设计过程中遇到的实际情况进行分析讨论。
6.1通风系统设计
     通风机的作用是正常情况下保持管廊内空气的流通,事故时将管廊内由于火灾而产生的烟雾排出。在GB50016-2014《建筑设计防火规范》中.将防、排烟设施归人消防设施的目录中[川],因此在综合管廊的早期设计中,部分设计者将通风机纳入在消防类的设计中[12]。但在综合管廊的项目中其消防理念与其余项目不同之处在于,当采用气体灭火时,其通风机在火灾发生时应处于关闭状态,在灭火后才开启,将烟气排出。若将通风机纳入消防类设计,依据供电系统与火灾自动报警及联动系统的设计,在火灾发生时.切断非消防类电源,仍保留消防类电源。如此一来,便与通风机的工作要求相冲突。
为规范通风机的设计,在新旧两版《综合管廊工程技术规范》中都在通风系统的设计要求中明确指出:火灾发生时,发生火灾的防火分区及其相邻分区的通风设备应自动关闭,灭火后,应启动通风机将烟雾排出管廊。
6.2火灾探测器设计
     对于火灾的发现越早,便能将其造成的损失降至越低。选择合适的火灾探测器正是实现这一目标大前提。
根据综合管廊内火灾发生的情况,其主要的火灾隐患来自电缆和热力管线的保护层,在火灾刚发生时,往往会产生浓密的烟气,因此在舱室等管廊的节点位置,应采用感烟火灾探测器;此外,对于综合管廊这样一个位于地下且空间受限的狭长通道内,除烟气外另一重要火灾预警信号是温度。结合设计规范中对监控与报警设备防护等级不宜低于IP65的要求由于感烟探测器在防护等级上达到要求的技术难度大,且近年来感温光纤的技术不断发展完善,在管廊的走廊通道内,宜采用感温光纤火灾探测器。
 
7 AcrelEMS-UT综合管廊能效管理平台
7.1平台概述
    AcrelEMS-UT综合管廊能效管理平台集电力监控、能源管理、电气安全、照明控制、环境监测于一体，为建立可靠、安全、高效的综合管廊管理体系提供数据支持，从数据采集、通信网络、系统架构、联动控制和综合数据服务等方面的设计，解决了综合管廊在管理过程中存在内部干扰性强、使用单位多及协调复杂的根本问题，大大提高了系统运行的可靠性和可管理性，提升了管廊基础设施、环境和设备的使用和恢复效率。
7.2平台组成
     安科瑞城市地下综合管廊能效管理系统是一个深度集成的自动化平台，它集成了10KV/O.4KV变电站电力监控系统、变电所环境监控系统、智能马达监控系统、电气火灾监控系统、消防设备电源系统、防火门监控系统、智能照明系统、消防应急照明和疏散指示系统。用户可通过浏览器、手机APP获取数据，通过一个平台即可全局、整体的对管廊用电和用电安全进行进行集中监控、统一管理、统一调度，同时满足管廊用电可靠、安全、稳定、高效、有序的要求。
7.3平台拓扑
 
 
 
7.4平台子系统
7.4.1电力监控
     电力监控主要针对10/0.4kV地面或地下变电所，对变电所高压回路配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV出线配置多功能计量仪表，用于测控出线回路电气参数和用能情况，可实时监控高低压供配电系统开关柜、变压器微机保护测控装置、发电机控制柜、ATS/STS、UPS，包括遥控、遥信、遥测、遥调、事故报警及记录等。
 
 
7.4.2环境监测
     环境监测包括温湿度、烟感温感、积水浸水、可燃气体浓度、门禁、视频、空调、消防数据的采集、展示和预警，同时也可接入管廊舱室内的水泵和通风排烟风机等设备集成的第三方系统完成管廊环境综合监控。

 

 
 
 
7.4.3电气安全
AcrelEMS-UT能效管理系统针对配电系统的电气安全隐患配置相应的电气火灾传感器、温度传感器，消防设备电源传感器、防火门状态传感器，接入消防疏散照明以及指示灯具的状态实时显示，并且对UPS的蓄电池温度、内阻进行实时监视，发生异常时通过声光、短信、APP及时预警。
 
 
7.5相关平台部署硬件选型清单
7.5.1电力监控及配电室环境监控系统
 
 
 
 
 
 
8结论
    结合综合管廊的设计规范、工程应用实例以及在新店外环路综合管廊项目电气设计中的经验，主要有如下的结论:
    (1)综合管廊工况更复杂,设计规范更严。综合管廊与以往的电气设计的主要区别在于:管廊中工程管线众多.设计中应考虑各类管线共同运行带来的影响,针对不良影响在设计中应加以规避;管廊位于地下,在日常运维上的工作量远远大于单一的管线运维.应在地下创造出保证工作人员安全的施工环境需要更高的安全防范系数,设计过程中应兼顾工作人员的工作体验、工作安全;此外,在远程控制管理上也需要更严谨的监控系统,将监管触角延伸到综合管廊各个部分。
    (2)综合管廊意义更重大,设计需求更多。综合管廊建设不仅要改善提高城市的交通环境、人居环境,且其作为城市的生命线,是社会经济发展的重要保障。因此,在设计过程中,不仅秉持建设百年工程的基本理念,还要全方位地考虑工程项目的安全性可扩展性,安全稳定可靠的运行是根本的要求，在确保现有城市发展需求的基础上,应预留今后城市扩容带来的管线扩容、智慧城市发展带来的管理升级确保在城市发展的进程中,已有的综合管廊不会被淘汰。
目前,我国综合管廊的建设正在快速的推进中从设计、建设到管理等过程的经验仍有待完善,综合管廊设计经验不能照搬照抄,在个别环境下的设计要求应远远高于国家标准。在设计过程中,应结合项目落地区域的地理环境、结合各相关规范要求、秉持可持续发展理念,制定合理、合适的设计思路。