大型地铁地下空间电气设计方法

蒲晓成，石银河

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308）

1 大型地下空间机电系统设计特点

在地下空间发展过程中，应遵循“以人为中心”的发展理念，借鉴城市的规划、设计、施工等多种方式，使之更具人性化。在建设项目中，要充分利用空间与地面的有效连接，使地下与城市的空间结合更加紧密。例如，通过与地面的高效转换可以增强与地面的连接。同时，引入了自然光线、绿地等相关建筑设备，可以使整个建筑的整体质量得到进一步提升。对于大型地下空间机电系统，由于建筑面积庞大，并且各子系统功能复杂、防火分区多，使得设备配置错综复杂、零散，各个子系统的制式、模式和设备的空间分布不明确。因此，各个区域的电气设备通常要单独布置。

大型地下空间商业开发部分的业态需求有着巨大的不确定性，因此，更需要提高机电系统配置的合理性，增强机电系统配置的可扩充性，既满足业态需求，又避免资源浪费。此外，复杂的大型地下空间需要有能够体现其更高价值性的地面景观设计，将交叉延伸的地下空间发展形成了立体的城市交通体系。

每个区域的管理与维护工作都不是一成不变的，所以对机电设备需要细化操作、维护和管理。机电一体化技术能有效地解决地下室内的密闭、压抑问题，提高室内的空气品质，解决大型地下空间防灾处理困难的问题，全面完善系统功能。如何正确地规划地下空间的专用界面，是目前地铁工程机电一体化的一个重要问题。在地下空间机电系统选择方面，需要根据具体的建筑规模、功能，并综合考虑其他方面因素，明确适合其空间发展的制式和模式系统。

2 大型地下空间机电系统设计原则

考虑到大面积地下空间的特征，必须根据其发展规律进行空间电气系统的规划，主要表现为以下方面：

（1）在满足空间设计原则的前提下，转变地下空间设计理念，加强空间的和谐性和服务性，创造出更加和谐舒适的空间环境。不断提高和完善机电系统功能，进一步增强大型地下空间机电系统在管理运营方面的空间机电系统设计优化。不断完善和创新技术，在已有技术的基础上，根据具体的设备技术发展情况，综合设计更加统一、协调的地下空间机电系统。

（2）不断提高技术创新水平，增强机电系统技术发展走创新之路。在现有技术设备的基础之上，开拓思维、创新技术、完善设备安全性能、提高设备环保节能效率、增强设备运行稳定性，并在自身技术安全、可靠的前提下，做出开创性技术变革，能够完善生产技术和工艺，设计出节能、环保、安全、可靠的新型建筑材料和产品，从而为建设更加安全舒适、方便快捷的新型地下空间提供保障。

（3）大型地下空间建筑是庞大、复杂的结构系统，如果设计不当，可能对防灾救援措施产生不利影响。因此，针对不同地区的灾害防治标准，提出更为科学、合理的灾害防治思想，并开展针对性的主题宣传与研讨。

3 大型地铁地下空间电气设计的重点

首先明确大型地铁地下空间的功能分区，根据各功能区对电力资源的需求做针对性的设计，以适应用电负荷种类多、用电设备分散的特点。同时，考虑设备的特性，匹配合适的供配电系统，提供电力资源供应保障。

部分大型地铁地下空间发生火灾事故时存在救援难度大的局限性。出于安全考虑，电气设计时必须保证供电系统的可靠性。大型地铁地下空间的功能分区丰富，各区含有不同类型的电气设备，必须有针对性地设计供配电系统。设计时，确定供配电系统的电气设备分布位置、规格及数量，在合适的区域规划电气用房，减少对建筑空间完整性的影响，并精简子系统，提升配电的可靠性[1]。

地下空间的土建成本高，减少对商业面积的占用，同时保证供电的合理性，是供电设计中的重点内容。为保证供电的合理性，需注重对供电设施布置位置的规划。应在负荷中心布置变电所或其他电气设备用房，缩短供电距离，减少电压损耗。如果周边环境对供电设计的限制性较强，例如为满足商业开发的用地要求而不允许出现电气设备房占用商用面积的情况，需综合考虑各类特殊条件。本文提出的变电所位置设计思路：①临近负荷中心，缩短供电距离；②临近电源侧；③根据设备安装便捷性的要求规划设计；④不设在多尘、存在大量水雾的场所，若由于条件限制而无法满足此要求，优先将变电所规划在污源的下风侧；⑤不设在振动剧烈的场所；⑥不设在经常积水区域的正下方；⑦不设在有火灾危险场所的正下方或正上方；⑧禁止在危险爆炸场所内设置变电所。

4 工程实例

某大型地铁地下空间工程项目，建筑面积约92 580 m2，地处城市中心区域。地面下沉式广场及地下物业区包含-3F 物业部分设备管理用房区、-2F 地下车库、-1F 商业娱乐及展览扩展空间和地面下沉式广场。各层间连通，应用到的连通设施包含自动扶梯、观光电梯、步行阶梯等。

5 大型地铁地下空间的电气设计

5.1 供电系统总体设计

从地区变电所单独引两回路10 kV 高压电源至地下空间供电系统，每路均可承受工程全部一、二级用电负荷。各变电所均设计2 台变压器，总容量6400 kV·A。变电所分别设在-2F 及地铁2 号线的-3F，物业部分的变电所采用10/0.4 kV，并于-2F、-3F 设置应急照明电源装置。10 kV 高压电源电缆引入电缆井道，广场灯控室布置在-2F，考虑到灯控室控制范围广、容量大的特点（包括景观照明、喷泉水泵），为了保证电力使用的安全性，从变电站的集中式母线导入到灯控制室的配电箱中。

每一楼层消防区域都设有配电室，地铁1 号线设牵引降压混合变电所1 处、跟随式变电所2 处，布置位置分别在1 号线的-2F 和-3F、2 号线的-4F。广场中部变电所、地铁2 号线-3F物业部分均有1 处电缆井，电缆穿越电缆井的人防墙体均预留钢管。地铁电源与物业开发电源分别源自于不同的电源，为避免彼此间交叉，进行相互对立配置。

5.2 负荷分级及供电要求

负荷分级方式为一、二、三级负荷，具体的供电要求如下：

（1）一级负荷，包含通信、设备监控、消防泵、废水泵、防灾报警、排烟风机、消防电梯、应急照明等。电源需求：由变电站的两个低电压母线各进一回路，两端开关；紧急灯光由一组紧急电力供应系统提供。

（2）二次负载，包括风机、设备管理用房照明、一般照明、污水泵、集水泵、送风机等。电源需求：通过变电站一节低电压母线馈入一环，应急时切断电源，保证电力供应的安全性。

（3）三级负荷，包含空调机组、电热设备、对冷冻室及其配套设备、广告照明及清洗设备等。供电需求：一节高压母排供电，当电力供应只有1 台时，该部分将被切断。

5.3 主接线及运行方式

例如-2F 变电站10 kV 高压母线，其主要连接方式为单母断线路，具体接线情况如图1 所示。两路电源协同供电，2 段母线各带2 台变压器，分段断路器正常开路。若一路10 kV 电源暂停供电，联跳0.4 kV 低压侧的三级负荷及地面广场用电负荷，同时本路进线断路器失压跳闸，10 kV 断路器可实现自动闭合，4 个变压器均采用10 kV 普通线路供电。-3F 变电站的电源采用-2F 变电站2 个10 kV 母线分别接一条线路。

图1 单母线断路器分段接线示意

5.4 变压器容量的设定

以实际用电负荷为准，设计时适当预留余量，保证变压器长期的稳定运行。变电所按2 台等容量变压器设计，单台为1600 kV·A，在此设计方式下，就算有1 座变压器出了问题，剩下的1 座也能继续工作，保证一、二负荷的供电能力。在位置的规划上，按照大的一阶的变压器进行了预留[2]。

5.5 0.4 kV 侧接线及运行方式

在常规工况下，采用分段断路器，两端各有1/2 负载，可达到总负载的需求。当1 条0.4 kV 进线发生故障时，进线和三次负载的总开关会自动断电压，并将其自动投入使用。，此时全所的一、二级负荷用电均由另一路0.4 kV 进线电源提供，此设计方式下可确保2 段母线的一、二级负荷供电需求得到满足。

5.6 继电保护和自动装置设计

10 kV 的进线，设置了过流速断、过流和无电压的防护；馈线过流保护，断流保护；母线分段采取过电流保护措施；10/0.4 kV变压器进线过流速断、温度保护；10 kV 母线分段及0.4 kV 母线分段配置自动投入装置且需带有闭锁功能；0.4 kV 进线设短路短延时、过负荷、失压和接地保护。

5.7 动力供电设计

放射式配电设计方式，具体线路如图2 所示。变电所2 段低压母线均配置一回末端切换供电，以满足一级负荷的用电需求；部分一级负荷的容量较小同时远离变电所，设计时采取分片两回路供电的方式；在一些次级负载的低容量情况下，采用以树枝形式进行电力供应的方式。集中式控制的对象是风机、水泵等，应针对此类装置进行监控，保证装置的稳定运行。

图2 放射式配电线路

（1）通风空调系统设备的控制借助BAS 系统实现，具备就地控制和集中控制两种控制策略，控制对象包含冷却泵、冷冻泵、冷冻机、空调机、新风机等，监测信号分为装置状况和意外状况。

（2）一般情况下，BAS 在ISCS 内整合到一个站点，中央级、车站级的BAS 功能由ISCS 实现。对于平时用于送、排风，火灾时执行防排烟任务的车站共用设备，由BAS 控制。专用排烟风机、消防泵、防火阀等火灾专用的消防设施是通过FAS 来实现的。在火灾发生时，FAS 向BAS 发出火灾模式指令，系统与FAS 或ISCS 系统进行通信，接收救援命令，并根据火情类型对现场的操作进行操作，其中FAS 是最优的。

（3）防火卷帘门、防火阀、挡烟垂板等设备的控制由FAS 系统进行，采取集中控制和就地控制两种控制机制。火灾发生时，FAS 系统随即响应，切除配电所的三级负荷总开关。监视信号的类型分为设备状态信号和事故信号。对于消防水泵、集水泵、污水泵，控制方式联合应用的是就地手动控制和液位自动控制。通常情况采取直接启动方式，对于功率在37 kW 以上的电机，采用软启动或降压启动的方法[3]。

5.8 接地系统设计

通过对工程地质报告、施工资料、周边地下管线资料的综合考虑，提出了一种基于工程地质报告、施工资料及周边地下管线数据的数学模型，并进行可行性研究。通过可行性论证，最终得出了最优的接地方式。地铁地面及地面系统包括3 个接地网，其中1、2 号线的地面接地网采用-3F 和-4F，而房地产开发的地面系统采用-2F 接地网。

6 结束语

在大型地铁空间的设计中，电气设计属于重要内容，应由专业人员进行深入研究，以保证工程电气设计安全、地铁运营安全及周边环境安全。本文提出大型地铁地下空间电气设计思路与具体设计方法，以期为相关设计提供参考。