地鐵車站建筑與機場建筑低壓配電設計差異研究

林 挺

(福州軌道交通設計院有限公司 福建福州 350004)

0 引言

近年來，隨著我國交通建設事業的深入發展，城市軌道交通和民用機場在全國各地掀起建設熱潮。地鐵車站建筑和機場建筑由于建筑形式、建筑體量的差異，電氣設計方案也不盡相同。筆者通過自身參與過的福州地鐵4號線和上海某機場建筑，研究比較地鐵車站建筑電氣設計與機場建筑低壓配電設計的異同。

1 變配電系統方案對比

項目一為福州地鐵4號線某車站，為地下二層標準車站，總建筑面積2.6萬m2，分為站臺層和站廳層，目前已完成施工圖設計。項目二為上海某機場建筑，為I類機場航站樓，總建筑面積62萬m2，包括地上六層和地下一層，已于2019年投入運營。二者的變配電系統系統方案如表1所示。

表1 變配電系統系統方案對比表

從表中可以看出，雖然項目一的建筑體量遠小于項目二，但因項目一的電源由全線主變電所集中式供電，供電距離較遠，因此采用35/0.4 kV變配電系統。項目二電源引自就近市政變電所，供電距離較近，且根據電業常規用電分界接口，因此選用10/0.4 kV變配電系統。由于進線電源方案的不同，項目一的市政電源相對而言可靠性更高，因此項目二設置了低壓柴油機作為后備電源，項目一則不設置。兩種供電方案從可靠性而言，均可滿足自身用電需求。主要原因在于進線電源方案的差異，而這取決于與當地電業局的接口談判。

在UPS設置方案上，項目一采用了各系統獨立設置UPS的方案。一方面是由于各系統后期運維屬于不同部門，另一方面是該方案為前序線路延續做法。若采用集中設置UPS，則涉及到各系統界面的接口重新分界。項目二則根據各系統運維主體的不同，對屬于機場運維部分的機房UPS進行整合，對屬于海關、邊檢等獨立運維的機房由相關單位單獨設置，并根據負荷的重要性，對不同的集中UPS采用了“1+1并機”、“UPS雙機+STS靜態開關”等不同配電方式。通過對比二者的UPS方案，可以看出項目二在UPS設置上更為合理，集中UPS在系統造價上更省，且能節省建筑空間，還可節省后期運維成本。在后期地鐵項目設計時，地鐵車站的UPS設置方案可借鑒項目二及全國其他地鐵項目的UPS整合經驗，從負荷類型及重要性、運維主體等方面對UPS進行整合方案比選，使配電方案更好地滿足使用需求，減少運營維護成本。

2 主要負荷配電方案對比

地鐵車站建筑與機場建筑的主要負荷不盡相同，《地鐵設計規范》GB50157[1]和《交通建筑電氣設計規范》JGJ243[2]中，關于地鐵和民用機場用電負荷等級劃分及供電方式的相關規定也有一定區別。兩個項目均針對不同等級的負荷，采用了有針對性的配電方案，以滿足不同負荷對供電可靠性的要求。對于一級負荷中的特別重要負荷，如重要弱電系統負荷、應急照明等，均在兩路市電的基礎上增設應急電源；對于一級負荷，如主排水泵、雨水泵等，均采用兩路市電配電，并根據負荷容量采用放射式或樹干式配電；對于二三級負荷，均采用單回路配電。然而在消防風機的配電方案上，兩個項目存在較大差異，具體對比如表2所示。

表2 消防風機配電方案對比

在消防風機的配電方案上，項目一采用了在車站兩端環控機房附近集中設置環控電控柜的方案，并在環控電控柜中采用了單母線分段加母聯開關的配電形式。主要在于地鐵車站的通風空調設備均設置在車站兩端的環控機房內，通過就近設置環控電控柜，利于后期運營的集中維護管理。單母線分段的配電方式相對而言，可靠性更高，但需注意上下級母聯開關的配合；而項目二中空調風機根據建筑布局情況，設置在不同樓層和不同區域，在機房內就地設置雙電源切換箱的形式更為適合，同時考慮到項目二作為國際交通樞紐機場的重要性，因此對其消防負荷增設柴油機作為后備電源，保障了消防負荷的供電可靠性。在實際項目設計過程中，應結合工程實際情況，從項目重要性、建筑形式等方面對消防負荷配電方案進行比選，保證消防負荷的供電可靠性。

3 低壓配電保護方案對比

項目一和項目二根據自身項目情況，在低壓配電保護方案上也存在一定差異，如表3所示。

表3 低壓配電保護方案對比

從表中可以看出，兩個項目在0.4kV柜的配電保護方案上是基本一致的，但在配電箱配電保護方案上存在較大差異。項目一在配電總箱及分箱的進線開關均選用斷路器，并設置短路瞬時保護及過負荷長延時保護。其理由為在地鐵車站中配電間和變電所在運營管理中分屬不同工班，因此在末端配電回路發生故障時，應將故障在本級切斷，不應擴大故障影響范圍，導致上級配電回路跳閘。項目二則在配電總箱及分箱的進線開關均選用了隔離開關，僅采用了分支電纜配電的配電箱進線處設置斷路器。其理由為配電箱出線回路均設置了斷路器，當配電箱內出線斷路器以上位置發生故障時，由上級配電箱柜出線回路斷路器，進行保護切斷。

對于配電箱進線處是否設置斷路器，可根據配電回路不同位置，發生故障的不同情況，進行分析。如圖1所示，配電箱回路故障點可分為A，B，C三點。當故障發生在C點時，可通過配電箱出線斷路器與上級斷路器的上下級配合，保證故障點在配電箱出線側切除。當A點發生故障時，無論配電箱進線是否設置斷路器，均只能由0.4kV低壓柜出線斷路器保護。因此僅需分析B點發生故障時的情況。常見的電氣故障可分為相間短路、接地故障、過負荷[4]。根據機場建筑及地鐵車站建筑負荷特點，配電箱的同時系數Kx均設置在0.8～1.0之間，因此，在配電箱所有出線回路未產生過負荷的情況下，B點產生過負荷故障的概率較低。當B點發生相間短路時，按標準地鐵站內配電總箱設置最遠距離250米考慮，短路電流將遠大于0.4 kV柜出線斷路器的瞬動整定值或短延時整定值。這種情況下，即使在配電箱進線處設置斷路器，也無法保證0.4 kV柜出線斷路器不動作。當B點發生接地故障時，若B點與變電所距離較近，則短路電流較大，情況與相間短路情況相同；若B點與變電所距離中等，因項目一0.4 kV出線斷路器整定值均為下級配電箱進線斷路器整定值的1.15～1.2倍之間，而根據斷路器的反時限脫扣器動作特性，下級斷路器的可靠動作電流為1.3倍的整定值[3]，上下級斷路器脫扣曲線存在交叉重合，無法保證上下級可靠配合。若B點與變電所距離較遠，無法通過0.4 kV柜斷路器的瞬動、短延時或長延時保護做接地故障保護時，0.4 kV柜斷路器通常會設置專門的接地故障保護裝置。而配電箱總開關由于造價原因，通常不會設置獨立的接地故障保護裝置。這種情況下若B點發生接地故障，則0.4 kV柜將提前動作。根據以上分析，可以確定在配電箱進線處設置斷路器并無必要。

供配電系統應簡單可靠，低壓配電級數不宜多于三級[5]，因此在實際設計過程中，建議多與建設運營方溝通，通過對項目可能出現的故障情況進行分析，減少不必要或重復的配電保護設置，減少項目建設成本,如圖1所示。

圖1 低壓配電回路故障情況簡圖

4 結語

本文通過福州地鐵4號線某車站和上海某機場建筑的低壓配電方案對比，梳理了典型地鐵車站建筑和機場建筑低壓配電設計方案的異同，對其中的原因進行了分析，并對兩者進行了比選。地鐵車站建筑和機場建筑同屬于重要的交通建筑，低壓配電系統均較為復雜，在實際設計過程中，應針對具體項目情況，認真做好配電設計的多方案比選，以期做到保障人身和財產安全，節約能源、技術先進、完善功能、經濟合理、配電可靠和安裝運行方便。