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摘要:在寸土寸金的城市中,地铁车辆段占地面积大,用地不够灵活,不符合可持续发展理念,带有上盖物业开发的盖下车辆段应运而生。相较普通车辆段,盖下车辆段设计中有不少异同点。由于增加了上盖物业开发,地上建筑转为了盖下建筑,部分室外道路改为盖下道路,因此项目对消防疏散、通风排烟以及防雷接地等有更严格的规范要求;室内室外的区分也由原来的单体与室外,变为盖板下与室外的区分。着重在变电所选址、配电综合路由设置、盖下智能低压系统、智能及分区照明控制、综合接地防雷系统、消防应急疏散指示设计、咽喉区灯具设置等方面进行分别阐述和效果分析。依据多个盖下车辆段低压配电设计中遇到的各种问题,提出了一系列解决方案和解决思路,以期对后续盖下车辆段的配电专业设计有借鉴和指导意义。
关键词:盖下车辆段;低压配电;重要设计分析;应用效果分析
Design of the Low Voltage Distribution for the Undercover Metro Depots with Overhead Property Development
Qin Zhiyuan
(Guangzhou Metro Design&Research Institute Co.,Ltd.,Guangzhou 510010,China)
Abstract:In cities with limited land,metro depots cover a large area and are not flexible enough to meet the concept of sustainable development.Therefore,the undercover metro depot with overhead property development came into being.There are many similarities and differences in the design of undercover metro depots compared with normal metro depots.Due to the overhead property development,the above ground buildings were changed to under cover buildings and some outdoor roads were changed to under cover roads.Therefore,the project needed to follow more strict specifications for fire evacuation,ventilation and smoke exhaust,lightning protection and grounding.The distinction between indoor and outdoor was also changed from the original single building and outdoor to the distinction between under the cover plate and outdoor.The substation site selection,power distribution integrated route setting,intelligent low-voltage system under the cover,intelligent and partition lighting control,integrated grounding lightning protection system,fire emergency evacuation indication design,throat area lamp setting and other aspects were described and analyzed respectively.According to various problems encountered in low-voltage power distribution design of multiple covered depots,a series of solutions and solutions have been proposed,with a view to providing reference and guidance for the subsequent power distribution professional design of covered depots.
Key words:undercover metro depots;low voltage distribution;important design analysis;application effect analysis
0引言
带有上盖物业开发的盖下车辆段是目前轨道交通主推的车辆段建设模式,满足了以公共交通为导向的开发(Transit-Oriented Development,TOD)模式[1]。车辆段上盖物业开发的必要性源自城市土地资源的稀缺与车辆段占地面积大之间的矛盾。因此从空间立体方式上想办法,来合理利用这一庞大的城市用地确实更符合城市可持续发展的理念[2]。由于增加了上盖物业开发,地上建筑转为了盖下建筑,部分室外道路改为盖下道路,项目对消防疏散、通风排烟以及防雷接地等都需要遵循更严格的规范[3]。因此,盖下车辆段的设计工作相比于普通车辆段更加复杂。
基于此,本文结合作者在实际设计工作中的经验教训并结合国内类似项目的设计思路在变电所选址、配电综合路由设置、盖下智能低压系统、智能及分区照明控制、综合接地防雷系统、消防应急疏散指示设计、咽喉区灯具设置等方面进行分别阐述和效果分析。
1主要设计原则
1.1主要设计范围
盖下车辆段与普通车辆段一致,从变电所0.4 kV低压开关柜馈电开关下口起至末端配电及照明设备均为低压配电专业的设计范围。主要包括以下内容:电气火灾、消防电源监控系统的设计;动力配电、控制设计;照明配电、控制设计;应急照明及疏散指示系统设计;相关设备的选型及安装设计;低压电缆、管线选型及敷设设计;防雷接地安全设计;节能设计。
1.2基本设计原则
低压配电系统应安全可靠、技术先进、经济合理、维护方便,并具有一定的灵活性。
低压配电系统采用220/380 V三相四线制系统(TN-S系统)。
消防设备与非消防设备自变电所低压柜出线起分开供电,自成系统。非消防设备在火灾工况下自动切除[4]。
2重要设计分析
2.1 400 V降压变电所选址
降压变电所是整个车辆段的能源源头。变电所选址会极大地影响供配电线路的工程量。在车辆段设计中,变电所的数量和选址一般由低压配电专业来明确。
对于车辆段的低压配电专业设计来说,初步设计阶段就要有宏观设计思维,根据负荷的分布情况和建筑总平面设置情况来决定400 V降压变电所的数量和位置。
在决定降压变电所位置时,应当遵循以下原则[5]:(1)降压所要靠近用电负荷集中处,因此一般将变电所设置在综合楼一楼(弱电设备多)和检修库的辅跨(工艺设备多);(2)有条件的降压所尽量与牵引所合设,即设置牵引混合所,以减少建筑单体数量;(3)进出线和设备吊装运输方便。
除此之外,相较于普通车辆段,盖下车辆段相对于这层盖板来说,算是地下部分。因此应当考虑盖上盖下的环境因素对变电所位置的制约。例如变电所对温湿度的要求会影响通风设计。因此需要根据现场环境,与土建及其他专业协作,合理决定盖下变电所位置。
同时由于增加了物业开发,远期物业开发部分的用电是否从盖下站场引来,或者物业开发变电所是否也要考虑设置在盖下,也是低压专业需要跟盖上低压专业、变电专业配合的情况。
2.2配电路由设计原则
2.2.1室外配电综合管网
决定好变电所设置情况后,应当首先进行整体的配电路由设计并宜将路由尽可能的接入室外综合管廊系统。具体就是与高压、弱电等专业合理地进行共管廊敷设[6]。在进行室外共管廊敷设时候需要根据低压配电的电缆类型来区别对待。可以大致把低压配电专业线缆分为动力线缆和信号线缆,信号电缆中非消防信号缆有智能照明控制总线。消防相关信号缆有消防电源监控系统总线、电气火灾监控系统总线、消防应急照明和疏散指示系统总线。具体敷设及接入综合管廊系统的设计原则如下。
(1)室外低压配电的动力电缆由于低压配电的线路是从变电所放射出来的,因此室外动力管线的干线可以与供电的廊道进行合设。部分支线无法与供电廊道合设置的可以单独做排管。
在廊道内的低压电力电缆应当采用铠装电缆,增加抗破坏能力,防止鼠类等动物破坏。廊道内的消防干线应当分设在电缆廊道的两侧,其中消防干线应当采用矿物绝缘电缆。与供电高压线路共同敷设的电缆廊道剖面图参考如图1所示。
(2)室外低压配电的信号电缆
智能照明系统、消防电源监控系统、电气火灾监控系统、消防应急照明和疏散指示系统等室外信号电缆,优先走弱电管廊(需要弱电专业和室外管综专业的配合),以减少信号干扰。如确有困难无法走弱电管廊,也可以在增加屏蔽措施后与低压共管廊。但要严格遵从弱电管线敷设的规范。将这些低压配电设计范围的电力电缆和弱电信号电缆路径及敷设要求需求统一提资给综合管线专业,配合形成室外综合管廊。与其他弱电专业合设的弱电管廊剖面图参考如图2所示。
2.2.2室内配电综合管网
(1)设计中面临问题
如果车辆段运用库、检修库放置在了盖下,那么车辆段运用库和检修库内通常需要设置机械排烟系统,风机多且分布分散,需要设置大量桥架,敷设路径复杂。
运用库、检修库净空高度高,工艺设备数量多,配电箱分布分散,如果采用单一桥架方式,则电缆需要从高桥架下到配电箱,不便于敷设配电箱的进线电缆。同时大库内桥架下行到配电箱需要避开起重机等,施工复杂度高。
(2)解决思路
运用库、检修库内的排烟风机直接采用矿物绝缘电缆供电,矿物绝缘电缆可直接明敷,可不走桥架,降低了桥架的布置复杂度。
运用库、检修库内增设电缆沟,能够直接从电缆沟敷设到配电箱的直接从电缆沟经由地坪埋管敷设到配电箱,不再绕行桥架。部分不能直接地坪敷设到位的,再经由桥架敷设。也减少了非消防桥架的布置复杂度。
综上两个方式都是为了减少高大库房内的桥架敷设。
建议盖下车辆段的运用库和检修库都可以采用电缆沟(主)+桥架(备)的综合辐射模式,主干线为电缆沟。桥架主要为“顶上”的用电设施进行配电,例如风阀和照明灯具;
桥架也可以作为电缆沟的有效补充,利用桥架更灵活、更不受土建制约的优点,用于后期新增用电设备的配电[7]。
2.3盖下车辆段智能低压系统
不带上盖的车辆段由于通风条件好,风机风阀数量少,都是直接通过FAS、BAS直接监控风机、风阀等设备,一般无需设置智能低压系统。
带有上盖的车辆段类似车站的设备区,检修库、运用库、咽喉区等常常是需要设置机械排风、排烟的,因此环控专业在盖下库房和盖下咽喉区会设有大量风机,并有与各个风机连锁的风阀。风机和风阀数量多、控制模式复杂,直接通过FAS、BAS来监控风机和风阀变得无比复杂[8]。
因此在满足规范的前提下,盖下车辆段在环控电控室内设置智能低压装置对风机及风阀进行统一配电和集中控制,降低了FAS、BAS系统复杂性,简化了AS、BAS与低压专业,FAS、BAS与通风专业的接口。智能低压系统功能强,可以实现对配电回路的测量、监视、故障报警和预报警等功能。同时,接线简单,通过通信口与上位监控系统BAS接线。同时可实现各种电机不同的启动控制方式[9-10]。
2.4分区智能照明
2.4.1整体智能照明设计
普通车辆段和盖下车辆段目前都建议设置智能照明系统。整套系统分别将照明配电箱内的控制模块用现场总线进行连通,构成环路,可在车辆段DCC控制室、安防中心或主门卫等区域进行远程集中控制,也可通过分布在车辆段各处的控制面板进行就地控制[11]。
室外路灯、景观灯、大库房内灯都宜纳入智能照明系统,可以实现节能和远程、自动控制,降低能耗。建议运营部门设置合理的照明管理模式,进一步节约能源。
2.4.2库内功能区分区设置照明
不管是普通车辆段还是盖下车辆段目前都在积极推行库内分区照明,目的是满足照度要求的同时也能实现节能减排。
传统的大库房灯具的布置和控制模式无法实现根据功能区域功能来设置灯具数量和灵活控制灯具开闭的效果。灯具只是按照均匀分布原则布满整个库房。
更为合理的设置是按照大库内不同功能区域的照度要求设置灯具数量和灯具回路,做到灯具布置与功能分区相结合,灯具开关独立区域独立控制。设计时不同功能分区的灯具由智能照明控制箱不同的回路供电,可以独立地开闭。运营人员既可以根据工作日程通过智能照明主控制器对相应区域照明进行智能控制,也可以通过设置在各库房门口的控制面板就地对某个区域的灯具进行控制。
2.5综合接地防雷系统
相比较于普通车辆段,盖下车辆段盖板以上远期是有物业开发的。上盖物业开发本身也需要进行防雷接地设计,这就给盖下车辆段防雷和接地系统提出了新要求。
(1)盖板防雷系统
一般来说盖下车辆段和盖上的物业开发不会同期实施的,也就是盖下车辆段需要先行建设施工。
因此在上盖物业开发开始前,为了保护盖下车辆段内设备和人员的安全,需要对整个盖板进行防雷设计。低压配电专业需要设置接闪器,并与结构专业配合做好引下线埋设。
(2)盖下接地系统
不带上盖的车辆段的接地主要是满足各个单体的防雷需要。带有上盖物业开发的盖下车辆段接地系统除了需要满足盖下单体建筑内的接地要求之外还要满足整个盖板物业开发的接地要求。低压配电设计在整合两个需求后进行综合考虑设置盖下接地网[12]。
2.6消防应急疏散指示系统
(1)疏散路径
由于带有盖板,盖下车辆段的建筑不再是一个个孤立的单体,疏散路径不再是以疏散到单体门外作为疏散的终点。带有上盖的车辆段有更加复杂的疏散通道、消防车道以及盖板安全出口设置。这些都影响了最终疏散的路径。
基本原则是以最近的路径疏散到盖外或者疏散到建筑设计设置的安全出口处。同时低压配电设计应当注意带电区域围栏的设置,疏散路径应当避免被围栏阻隔[13]。低压配电专业设置的疏散照明灯具布置分布及疏散指示系统指示的疏散方向都应当与建筑专业的疏散路线密切配合、保持一致[14]。
(2)设备选择
盖下咽喉区、高大库房内,由于净空高度高,应当灵活使用大型疏散指示标识,以达到疏散指示的视觉连续性。
由于盖下道路也需要设置疏散指示,因此相比于传统车辆段,供电的单回路路径变长,为了避免能失效,需要采用大截面的供电线,也可合理设置分机,进行中继信号加强[15]。
2.7咽喉区灯具设置
有上盖的车辆段咽喉区域内有柱子和接触网等,灯具照明设置要比普通车辆段复杂。咽喉区灯具可以采用柱子侧面悬挂和高处悬吊两种方式。选择何种灯具悬挂和布置方式根据不同情况分析如下。
(1)有接触网的情况
如果有接触网,为了方便检修,同时考虑到放置在接触网上方的灯具可能被接触网遮挡光线。那么这种情况下优先选择在柱子的侧面悬挂。这种做法的缺点就是侧面照射的灯具是投射灯,照射方向比较局限,需要设计时考虑到照射角度。
照射角度需要覆盖整个轨行区尤其是道岔区,同时又不可直射司机眼睛以免引起炫光[16]。灯具宜采用可调节角度的射灯。另外就是由于侧面悬挂容易被柱子挡住光线,灯具数量也比吊装要多布置一些。
(2)无接触网的情况
无接触网的情况下,两种悬挂方式均可,均匀分布悬挂高处的方式照度会更均匀,也更节约灯具的数量。
不过悬挂高处的方式需要注意的是与运营人员确认灯具是否要避开轨道。如果运营的检修车是轨道式检修车,为了方便检修,灯具在满足照度要求的前提下,可沿着轨道布置。如果运营的检修车不可以进入轨道,那么灯具应当避免在轨道的正上方。
3应用效果分析
3.1优化敷设路径
大库内采用桥架+电缆沟模式的立体敷设管网,极大地节约了电缆的敷设长度、优化了敷设路径、降低了施工单位的施工难度。
不设置电缆沟的方案,桥架在“天上”,配电箱在“地上”,电缆需要上下游走。设置电缆沟后,配电箱的进出线可以通过电缆沟辐射出去。据施工单位实际现场测算,以建筑净空高度8m的检修库为例(400 V降压所设置在运用库的运转综合楼),走电缆沟比从走桥架要节约23%的电缆用量。
那么是不是就可以不设置桥架?也就是全部电缆都从电缆沟辐射出去。那当然是不可以的。原因一是,要给“天上”的负荷进行配电。原因二是桥架更灵活。而且电缆沟敷设的条件也很苛刻。
相对于桥架,电缆沟辐射出去的电缆需要在地坪浇筑前预埋,而且有横穿轨道等情况时还要在机构里预埋管。这一点就没有桥架灵活了。对于用电点位的准确度要求就高,需要其他专业提资准确,因为一旦地坪浇筑后,则不能再通过电缆沟+地坪预埋的方式进行电缆敷设。而且后续增加用电设备时,也无法进行补充。
因此桥架也是需要设置的,桥架仅可为“天上”的用电负荷进行配电,并作为备用的用电主杆路由,覆盖到电缆沟地坪埋设无法覆盖的地方即可。因此相较于单纯用桥架的方案,也可以大量节约桥架的数量。
3.2减少土建投资
(1)合设变电所
通过降压所与牵引所的合建设,减少了降压所单体的设置,相应减少了该单体的土建造价。
(2)减少管廊数量
与供电专业合设电力廊道,低压控制回路与弱电专业共设弱电廊道可以避免低压廊道、排管单独建设的投资浪费。
电力廊道需要设置电缆沟、电力埋管需要进行混凝土包封,这些都需要大量的土建材料,通过合理合设可以节约大量的土建材料。
3.3节约电能
分区智能照明的设置,不但优化了灯具的控制模式,也提高了灯具的使用寿命和灯具分区供电的施行,节约了能源。具体实现的能源减排计算如下。
根据《工业与民用配电设计手册》,采用负荷系数法对项目年用电量进行核算。具体公式如下:年电能消耗量=有功功率(计算容量)×年平均负荷系数×年工作时间。项目年工作时间按365天计,照明每天按12 h计算[17]。
单独照明用电量计算如表1所示。
车辆段运营期主要能源消耗为电,为了便于对能源进行计算、对比和分析,需要选定某种标准燃料作为计算依据,然后用各种能源实际含热值与标准燃料热值之比,即能源折算系数,计算出各种能源折算成标准燃料的数量。根据《综合能耗计算通则》(GB/T2589-2008),本次能耗折算采用标准煤作综合换算指标。
那么按照采用智能照明和分区照明后,车辆段内总体公共区域照明按节约8%的电能消耗来计算,一年运行下来节约的电能约为243.3×0.08=19.46万kW·h,那么能耗折算如表2~3所示。
3.4提升集成化程度
盖下车辆段设置智能低压系统对大库房内、咽喉区的风机及电动风阀进行配电和集中控制,降低了BAS/FAS系统复杂性,简化了BAS/FAS与低压专业、BAS/FAS与通风专业的接口[18]。
通过智能低压的环控柜,风机、风阀的控制集成在环控柜内,现场的操作箱不设置复杂的二次控制回路,降低了现场操作箱的造价。
4结束语
本文结合作者在实际设计工作中的经验教训并结合国内类似项目的设计思路在变电所选址、配电综合路由设置、盖下智能低压系统、智能及分区照明控制、综合接地防雷系统、消防应急疏散指示设计、咽喉区灯具设置等方面进行分别阐述和效果分析提出一系列解决方案和解决思路,以期对后续盖下车辆段的配电专业设计有借鉴和指导意义。
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