城市綜合管廊的電氣工程設計探討

施亮

（上海市政交通設計研究院有限公司，上海市200030）

0　引言

城市地下管線綜合管廊俗稱共同溝，是一種將輸電線路、供水排水線路、供氣供暖線路納入其中集中敷設的市政設施。筆者在近幾年的設計中有幸設計了河南、湖北、廣西、山西等地的多條綜合管廊，主持設計的過程中發現現有綜合管廊沿用的主流設計方案中管廊的電氣設計存在的一些不足與可改進之處，結合后期施工及管理、運營的一些意見，基于規范依據提出一些建議以供參考。

1　供電電源負荷等級

管廊的負荷等級根據《城市綜合管廊工程技術規范》（GB 50838—2015）第 7.3.2條規定：該工程綜合管廊的消防設備、監控與報警設備、應急照明設備均按二級負荷供電。其他設備可按三級負荷供電[1]。但綜合管廊的規定尚未針對不同規模的管廊進行細分，所以設計時為了體現綜合管廊項目的特性，滿足配電設計的指導性要求，尚需要參考其他設計規范的設計要求來完善設計。

根據《供配電系統設計規范》（GB 50052—2009）中對于負荷等級規定在第3.0.1條中是這樣描述的：

（1）符合下列情況之一時，應視為一級負荷：

a.中斷供電將造成人身傷害時。

b.中斷供電將在經濟上造成重大損失時。

c.中斷供電將影響重要用電單位的正常工作。

（2）在一級負荷中，當中斷供電將造成人員傷亡或重大設備損壞或發生中毒、爆炸和火災等情況的負荷，以及特別重要場所不允許中斷供電的負荷，應視為一級負荷中特別重要的負荷。

（3）符合下列情況之一時，應視為二級負荷：

a.中斷供電將在經濟上造成較大損失時。

b.中斷供電將影響較重要用電單位的正常工作。

（4）不屬于一級和二級負荷者應為三級負荷[2]。

而其他諸多行業規范如《民用建筑電氣設計規范》（JGJ 16—2008）[3]中對于同一類項目，根據不同規模或者重要性而采用的負荷等級設計均要求不同。

在對綜合管廊項目的設計過程中，發現綜合管廊的規模和重要性實際上并不統一。如很多地區的一些管廊項目只是政府部門為了驗證綜合管理的實際使用效果而建設的范例工程，這類項目本身規模較小、倉位較少且入廊管線較少，它們的工程重要性與大長度、多倉位的綜合管廊的重要性不在同一層面。參考各類規范中對不同類型建筑、構筑物的規定，比如隧道（主要功能為行車）一般以長度來劃分負荷等級；民用建筑（各種民用功能，一般有人活動）一般按照使用人數及項目規模劃分，那么制定綜合管廊負荷等級時應該考慮到管廊供給電源用戶的負荷等級來劃分管廊的配電等級要求。特別是綜合管廊一般在道路地下或是道路中分帶和綠化帶的地下，而本身供氣、供暖管線和電力管線等的事故也有一定的風險性，所以綜合管廊的供電系統（特別是對檢測及防災探測的供電系統）的可靠性對其又是影響非常巨大的——如2011年杭州的110 kV輸電電纜事故主要原因就是因為綜合繼電保護系統的供電發生了故障，對居民生活、人員安全造成了巨大的危害。

所以設計人員設計綜合管廊時不能僅考慮管廊工程本身，需要統一考慮沿線引出口供水、供電、供暖、供氣的用戶的重要性不同。如為一級特別重要負荷的建筑物供電，為重大工程供電的綜合管廊，設計應該考慮將此段管廊的用電作為一級負荷甚至一級特別重要負荷的附屬設施考慮，以保證其電源和其他設施的安全可靠。另外設計時考慮周邊環境的因素，如燃氣管線、交叉管線的性質和重要性也是電氣設計人員確認負荷等級的因素。

另外參考了一些公建項目的經驗及設計規范，結合了多次參加管廊評審時各級領導專家的意見，考慮到積水是會對電氣設備和設施本身造成威脅的，城市道路本身就多見積水，現有建設包含如此諸多的綜合管線的管廊工程，基于城市安全的考慮應該在排水設施的供電上更有必要的考慮。

設計中，除排水、土建專業本身的防進水措施，如在綜合管廊內部在每個防火分區由各自分區內設置的排水泵、加裝密封井蓋避免大面積漏水等，電氣設計相應的設備應該也有可靠的供電保障。但是現有的《城市綜合管廊工程技術規范》中并未對排水泵提出明確的設計負荷分級要求，大多數設計人員定為三級負荷，且一般從分配電箱引出電源（第三級配電），特別是電源可靠性一般的地區造成排水泵電源并不夠可靠。進水、積水發生后損毀此電源極有可能影響管廊的整體安全，如在廣西等地的設計中職能部門已經提出將管廊的排水泵設施規定為二級負荷，這也是合理的設計要求。在大多數多雨、容易產生道路積水或者大面積城市內澇的地區，綜合管廊的進水風險是比較大的，而這一部分地區往往也存在管廊上級供電系統不可靠的因素。為了避免積水進而造成更大的事故，在配電室設置一臺排水泵雙電源切換配電柜放射式配出本配電室配電范圍內各防火分區排水泵控制箱，這樣就大大提高了排水設施的可靠性。

2　現有管廊的供電電源配置形式

在諸多城市綜合管廊設計過程中，管廊的電源配置形式可謂多種多樣。主流的設計方案采用沿管廊沿線設置變電所，變電所形式一般采用箱式變電所或地下附建土建變電所，這種形式一般單一變電所配電范圍在4～5個防火分區左右（每一分區200 m左右），每個防火分區在通風口或投料口設置配電間配電。也有很多設計單位設計中多點引入低壓電源，或者接入路旁路燈既有箱變的取電形式。從不同規模的項目經驗來看，沿管廊沿線設置變電所的設計更加合理。

這主要考慮：低壓引入電源時，往往因為管廊是沿路修建的長距離工程，而低壓電源引入配出范圍有限、容量有限，上級箱式變電所或配電箱在管廊沿線進出線位置繁多，不便于管理和統籌規劃、設計。如果利用路燈箱變的供電形式,那么上級的電源可靠性又很難保證，如鄭州市管理部門要求道路兩側的箱變考慮節能的要求在深夜一般切斷電源，這顯然就無法保證管廊設施的連續、可靠運行。單獨在外引入電源至管廊需設置電纜排管或電纜通道，也會造成二次開挖的問題。而設置變電所為管廊供電可以將管廊內風機、水泵、照明等一并納入，且節點設計時一并考慮設計沒有反復開挖或改造困難的后顧之憂，電源可靠性也較高。

當然管廊平時風機、水泵的運行時間較少，一般僅考慮檢修和巡查時的照明燈具負荷，實際變壓器負載率較低，運行效率不高。而為了保證管廊的用電可靠性，一般在同一變電所節點設置兩臺變壓器，互為備用，面積較大。部分設計考慮節省投資僅設置一臺變壓器配出電源至各分區配電間，應急電源由EPS提供備用電源，但管廊內部環境不佳、濕度較大，對EPS維護不便，所以EPS在管廊內部運行壽命及可靠性尚有待時間的驗證。另有部分設計為了進一步壓縮變電所節點尺寸而將高壓系統如環網柜置于地面或干脆省略了高壓系統的設計顯然也有所缺失。所以設計時應考慮優化配電系統的布置。

3　配電結構的優化以及變電所節點設計的優化

圖1為現有常見的采用埋地變設計綜合管廊變電所節點設計，設計人員采用了埋地式變壓器。從圖中我們可以看出雖然埋地變普遍為IP68的防水產品，但是埋地變參數一般本身變壓器采用油變，現有的設計為了滿足規范中對油浸式變壓器設計的要求而設置了油坑，增加了土建投資的成本。

圖2為另一種采用普通干式變壓器的設計方案，考慮到管廊變電所節點下方一般為電力或者綜合倉，地下油坑并沒有排出變壓器油的措施，在火災時有燒穿樓板擴大事故的可能性，從而采用了干式變壓器，取消了油坑。但是因為高壓進線綜合保護的要求需要加裝高壓柜，雖然設計人員一般也可以選用如SF6或其他氣體絕緣的小型化設備，但變電所節點還是不可避免地擴大，也造成了土建成本增加，也一定程度上增加了通排風設備的投資。

圖1　采用埋地室變壓器的變電所的一般設計形式（單位：mm）

另外我們從兩種方案的剖面示意圖均可觀察到管廊配電設備的安裝高度實則受到管廊的較大限制，配電設備頂部距離土建完成面過于接近對設備安裝人員會造成極大的不便，也帶來了進一步的安全隱患。

綜合這些情況及其他類型的項目經驗考慮了改進設計，建議引入成套地下變電所的設計理念，如圖3所示的設計形式。相比原有的設計理念，這種設計可以盡量減少土建節點的投資，安裝也較為方便。設備本身比現有的埋地變電所成熟，使用范圍也很廣——工礦、景觀、隧道等大中型項目都常見使用，從使用效果來看均很可靠。

如圖4所示，成套變壓器自帶高壓柜，增加了供電系統相對埋地變的可靠性。且通風及其他配套系統也可以根據設計要求統一配置。設計布置在滿足國際、國家通行規范的基礎上變得更為緊湊，安裝一般成套設備吊裝即可，大大節省了變電所節點的土建投資。另外為了緩解變壓器負載率較低的問題，建議鄰近的兩處變電所各可以引出通風（一般做消防風機）、水泵、照明等干線至同一區間的配電間，采用放射式配電形式。這樣既緩解了變電所負載率低的問題，進一步減小設備投資，也保證了用電的可靠性，并且較少地占用管廊內的自用橋架倉位，從而節省投資、創造經濟效益。

4　電纜、電線的選取

城市綜合管廊配電結構上現有的設計一般采用樹干式配出，設計一般采用剛性密集母線或預分支電纜的形式。剛性母線因其占據空間較大、在管廊內部施工難度較高等原因較少被設計采用。預分支電纜配電類似母線槽配電方式，具有良好的性能，占用空間小、安裝方便而被現有的設計廣泛使用。缺點是質量故障難以現場修復，該電纜針對特定工程條件加工，不具有互換性，從項目施工及后期管理情況來看越來越多的問題暴露了出來：現有的管廊作為城市總體規劃的一部分，一般在土建方面都考慮了與相鄰道路的綜合管廊接通，逐漸在建設過程中形成閉環的設計理念，分支電纜樹干式配出，電纜長度、分支電纜長度必須在設計時確認后方可訂貨安裝，且上一級配電柜內為固定負荷開關。一旦施工完畢，后期無法再增加分支和增加配出線容量，往往只能更改整條配出電纜，替換配電柜的出線艙室，費用多、影響大。顯然不利于現在新常態下城市日新月異的建設環境。

圖2　采用普通干式變壓器的變電所的一般設計形式（單位：mm）

圖3　成套變電所布置舉例（單位：mm）

圖4　成套埋地式變電所示意圖

前述除采用了放射式的優化配電形式，直接由低壓配電柜配出電纜至各節點分區，考慮到這樣的配電形式可以將電纜纜線的線徑縮小，且同一變電所供電的防火分區一般在4～5個，故實際投資也未見明顯提高，但供電可靠性大大提高，并且對于后期的改造也提供了有利的條件。

5　防火分區配電

《城市綜合管廊工程技術規范》第7.3.3.2條規定：綜合管廊應以防火分區為配電單元，各配電單元電源進線截面應滿足該配電單元內設備同時投入使用時的用電需要[1]。依照規范，應該將各管廊內部各獨立艙室作為防火分區配電。但因為規范編制時國內管廊建設工作處于起步階段，故并未規定分區配電的具體事宜。設計過程中參考《建筑設計防火規范》（GB 50016—2014）中第10.1.7條的規定[4]，將不同的防火分區消防設備配電干線分開，采用專用的配電回路配電。當然也有很多設計僅考慮將兩艙或多艙管廊分區的消防電源作為同一電源考慮，或許是這些設計人員認為管廊并非“建筑物”的特性，所以設計時往往并沒有按照《建筑設計防火規范》的條文嚴格執行。但是如果僅保證電源可靠而配電線路不可靠，那么很難保證消防供電在火災時發揮設計應有的功能，而且消防線路穿越防火分區的設計在火災發生時有擴大災害影響面積的隱患，還是應該按照相關規范根據防火分區劃分消防配電干線。

6　綜合管廊風機的配電及控制

基于城市綜合管理的基本功能是敷設各類管線，與建筑物內風機不同，管廊內的風機僅在人員進入巡查和作業時或按照暖通工藝要求時運行。一般工藝間隔配置排風口和送風口，其中送風口風機一般要求火災發生時立刻關閉，聯動關閉風口，故電氣設計人員一般僅需將此類風機設計為普通三級負荷。而排風口風機需考慮管廊發生火災時最不利的工況，將高溫煙氣排出，一般考慮火災工況下仍可運行30 min，或根據280℃閥門的動作而聯鎖關閉。顯然這個工況屬于消防排煙風機的設計要求，設計人員往往忽略了此類風機應按照常規排煙風機的配電要求設置在最末一級配電設置雙電源配電箱。另外火災發生時火場的溫度往往很高，如果安裝在管廊內部的消防設備配電箱及控制箱沒有防火保護措施，那么箱體溫度達到200℃及以上時，箱體內電器元件的外殼就會變形、跳閘，不能保證消防供電。所以設計中對管廊的消防設備配電箱和控制箱應采取防火隔離的措施，將這些設備設置于符合防火要求的配電間內，配電箱內襯巖棉等措施。

另外根據各類綜合管廊項目的施工、管理經驗，現有的設計中管廊的排風機仍有部分采用了普通風機的配電和控制方式，在火災發生時關斷電源，某些設計將管廊風機本身設計為耐高溫風機，即280℃運行仍然可持續運行30 min，且預留備用電源接入口。設計此類風機考慮在火災發生后攜帶移動電源（如小型柴油發電機等）進入管廊接入備用電源從而排出煙氣。但在火災的過程中，轟燃發生后，房間內所有可燃物都在猛烈燃燒，放熱速度很大，因而管廊內房間溫度升高很快，并出現持續性高溫，最高溫度可達1 000℃以上。且不論此類風機是否可以在1 000℃的高溫下保證機器完好無損，火災發生后積存的大量煙氣、熱量積存在管廊內部，既有可能發生次生災害，又需要工作人員等待自然冷卻后進入如此危險的環境排出煙氣和熱量，這顯然是不符合實際的。如考慮最不利情況，消防設備無法完全撲滅火災甚至沿途把火災蔓延到其他建筑物的部分，室內高溫還對建筑構件產生熱作用，使建筑構件的承載能力下降，難免造成建筑物局部或整體倒塌的破壞。所以建議設計過程中與暖通設計專業人員及時協調，確認控制要求，將災害減小到最低程度，共同改進尚不完善的設計內容，保證管廊的安全運行。

7　管廊的接地

管廊的接地系統在規范規定中較為詳細，考慮到管廊內一般設變電所及其信息化的建設要求等因素，根據《工業與民用配電設計手冊》[5]及《建筑物電氣裝置600問》[6]等手冊及著作的相關內容，低壓接地系統一般采用TN-S系統。除利用管廊本體鋼筋作為聯合接地系統以外，《城市綜合管廊工程技術規范》中規定管廊內部接地網宜采用-40 mm×5 mm的熱鍍鋅扁鋼，考慮到在伸縮縫處尚應補充說明將熱鍍鋅扁鋼帶改為軟銅編織帶的連接或按照為了保證電氣通路，以國標圖集14D504[7]中的連接方法為宜，并在過分區防火門處改為暗敷。根據諸多實施項目現場反映的情況來看，經常發現綜合管廊節點處管線及設備無處接地的情況，所以建議設計中在變電所節點處增設M EB總等電位端子箱作為管線接地用，投料口和通風口、引出口也應增設LEB局部等電位端子箱。

8　結語

（1）負荷等級建議根據管廊規模及用戶重要程度、地區情況劃分，并且滿足規范要求負荷等級規定。排水泵考慮到管廊的運行安全建議設置為二級負荷。

（2）在可靠性不能保證的情況下，電源不建議利用低壓電源分點引入的形式，而采用設置專用變電所的形式。

（3）考慮到管廊建設規模的逐漸擴大、要求的逐漸增多，建議還是采用放射式配電形式，并且對排水泵等防災設備應保證供電的可靠性和靈活性。

（4）改進現有的變電所設計形式，節省投資。

（5）考慮到管廊設備的安全運行，嚴格按照防火分區的劃分來區分消防設備的配電干線，不跨越防火分區。

（6）消防風機采用末端雙切的配電及控制形式，且嚴格按照相關規范的設計控制要求控制。選用耐高溫風機卻依照普通風機配電存在諸多隱患，預留電源接口可能無法使用，無法排除災害，應該與相關專業協調改進。

（7）管廊的接地采用TN-S系統，考慮到綜合管廊工程長度較長，有諸多伸縮縫，除去規范規定需要設計的扁鋼帶以外，在伸縮縫連接處應考慮改為銅編織帶連接保證電氣連通。在各節點設置等電位端子箱便于滿足施工時的設備、管線接地需求。

本文是筆者個人在設計及主持設計的過程中的經驗與現場實際反映的問題總結，供廣大專家、設計同仁參考。

山東濟泰高速全面開建

濟泰高速近期全面開工建設，預計2020年6月通車，屆時濟南到泰安開車僅需要半個小時。這是濟南“三環十二射”路網中的第十條射線。

濟泰高速起點位于濟南市繞城高速公路與二環東路南延交叉處，也就是市中區興隆街道澇坡村，終點位于泰安市徂徠鎮東北部，全線長55.9 km。早在2016年12月底，泰安段已開工。

濟泰高速濟南段目前已經進入了全線施工階段。由于濟泰高速位于南部山區與泰山余脈之中，工程施工難度大。濟泰高速工程橋隧比高達70%，要新建隧道5座（澇坡隧道、海螺峪隧道、小佛寺隧道、柳埠隧道、長城嶺隧道）、互通立交3處（澇坡互通、錦繡川互通、柳埠互通）、橋梁13座。

濟泰高速公路設計行車速度120 km/h，采用雙向6車道高速公路標準建設，路基寬度34.50 m。建設期42個月，計劃2020年6月份建成通車。

濟泰高速通車后，首先能夠縮短濟南到泰安之間的開車時間。濟泰高速全長55.9 km，限速120 km/h，理論上28 min就能跑完全程。

目前濟南到泰安主要有3條通道，東面一條是京滬高速（又叫濟萊高速、濟青高速南線），西面為國道104和京臺高速（又叫京福高速）。濟泰高速建成后，無疑將為濟南泰安之間再添一條主干道。與現有的交通干道相比，濟泰高速在路程、時間上的優勢對泰安經濟的發展更有帶動作用。

濟泰高速通過濟南南部山區的仲宮、柳埠以及西營，沿途有錦繡川、紅葉谷等風景區，在泰安市境內途經泰山景區、徂徠山汶河景區，一路綠色，可算得上是省內最具“顏值”的高速公路。