隧道电气设计

1、城市下穿隧道改造项目中电气设计若干问题探讨Discussion on the Electric Designof Underground Tunnel in Urban Road近年来，面对越来越拥挤的城市交通，道路改造项目不断增多， 局部地段采用下穿隧道改造使城市立体交通得到一定程度的实现。 下 穿隧道在方便交通的同时，也带来了运行、维护和防灾方面的问题。 隧道电气设计主要包括供电系统设计、 照明设计、 电气防灾系统设计 以及泵站电气设计等几个方面。如何为业主提供一个安全、经济、可 靠、可维护性的设计方案， 避免不合理设计给维护成本和防灾安全带 来过大的压力是设计人员考虑的首要目标。 下面想

2、分别就几个需要重 点关注的问题同业内人士做简单探讨：一、合理进行供电系统设计（一）、关于负荷等级的确定 隧道负荷主要有照明、通风、消防电气报警系统、雨水机泵、火 灾应急照明等组成。1、雨水泵站属于下穿隧道最重要的负荷之一。由于成都市地下 水位较高，即使在非雷雨天气情况下， 地下水会几个小时内大量聚集， 造成隧道路面积水，因此其正常运行与否将直接影响隧道的交通功 能，所以雨水泵站应确定为隧道中的重要负荷。 根据我市目前电网条 件，采用10KV独立双电源供电是合理的。2、消防及通风用电根据隧道类别确定供电负荷等级。一、二类 隧道视为一级负荷，三类隧道为二级负荷。确定隧道类别是防灾电气设计中的首要环

3、节， 将影响负荷等级的 确定，以及是否设计自动报警系统、通风系统等。 2006建筑设计防 火规范将城市隧道分为四类：隧道分类用途隧道封闭段长度一类二类三类四类可通行化学危险品等L>1500500<LW 1500L< 500机动车仅限通行非化学危险L>30001500VLW 3000500<L<L< 500品等机动车1500仅限人行或通行非机L>1500L< 1500动车根据成都市交通管理规范，三环路以内将禁止化学危险品机动车 进入,所以，以东城根南街隧道（长912米）为例,应被确定为三类隧 道。因此，东城根南街隧道消防报警和通风系统采用二级

4、负荷标准供 电是合乎要求的。3、合理使用EPS应急电源系统（1）、问题的提出07年4月13日，东城根南街4#风机EPS电池柜爆炸起火，造成 EPS系统烧毁的严重事故，几乎造成整个隧道交通堵塞。在该隧道的 1#、2#、3#风机EPS系统和红星路隧道EPS系统也一直由于这样那样 的问题处于非正常运行状态。当然其中有维护力量跟不上和维护成本 过高的原因。现在在电气设计中较多的采用 EPS应急电源系统。EPS具有柴油 发电机不具备的使用方便，占用空间小的优点，但由于维护技术要求 复杂和成本高所以在隧道电气设计中也需要谨慎使用。 在几乎所有改 造的下穿隧道中，往往设备房空间都十分狭小， EPS并不具备良

5、好的 通风散热条件，造成EPS系统运行环境恶劣，故障频发，而且维护起 来相当困难。并且，EPS电池一般寿命3-5年，在通风散热不好的情 况下，寿命会显著缩短，极大地增加了维护的成本。（2）重新考虑对早期隧道电气供电系统出现问题后的修复调整由于我市很多下穿隧道设计是在 2005 年以前设计的，当时尚无 专门针对城市隧道的设计规范，造成设计标准不一，多数标准偏高， 大量使用双电源+EPS系统模式。GB50016-2006对隧道防火设计进行 了专门描述。 因此，对运行中存在问题的早期隧道供电系统根据新的 规范进行重新考虑并不多余， 而且对今后新的隧道电气合理设计可以 提出新的思路。就成都市排水设施管

6、理处管理的隧道如红星路隧道、 东城根南街 隧道、东城根北延线隧道等几座 2005 年以前交付使用的隧道而言， 电气系统中较多采用10KV双电源（取自不同的区域变电站），已经具 备一级负荷供电条件， 而且，在风机供电上已经采用末端切换。 那么， 对已出现问题的EPS系统的修复应该说必要性不强，以免投入更大的 资金。（二）、供电系统总体思路。1、由于大多数长大隧道已经为10KV独立双电源引入，已经具备 一级负荷供电条件。 如果有条件的有人值守独立式隧道泵站也可以一 路10KV再配一台柴油发电机。2、采用取自不同10KV低压母线段的低压双电源末端切换既可以 满足水泵系统， 也能完全满足消防报警和通风

7、系统用电要求。 不需要 配置大容量EPS系统。3、应急照明和疏散指示可以采用小容量 EPS系统集中供电，也 可以采用分散式应急照明灯。二、有关消防电气设计值得注意的是， 新版规范规定，一、二类隧道通行机动车辆的隧 道应设置火灾报警系统， 三类隧道宜设置火灾报警系统。 隧道主要用 电设备房应设置消防报警系统。目前，我市最近几年建成的下穿隧道基本属于三类或四类无人值 守隧道，无专门中心机房， 设置消防报警系统将存在中心消防机房的 选择问题。 由于我市公安消防总队担负市政消防系统的管理职能， 隧 道火灾报警信息须通过电信光纤传输到消防总队监控中心来实现远 程监控。如何协调处理市政隧道维护单位与公安消

8、防系统之间的消防 系统管理关系一直是调试、检修等实际操作中存在的问题。另外，由 于隧道粉尘大、潮湿度高，消防电子设备故障多发，检修条件差，造 成消防系统本身的维护成本相当高。以上这些因素需要建设管理单位和设计单位认真考虑确定三类 隧道中设置消防火灾报警系统的必要性。三、照明电气设计若干问题（一）、重视隧道照明布置设计 在我市的隧道中照明设计中布局对于入口段， 过渡段，基本照明、 出口照明、应急照明的照明设计特别是灯具布置有值得商榷的地方。 由于照明存在白天和黑夜两种基本运行模式， 在实际运行中， 势必有 时会亮一些灯，有时会关一些灯。由于灯的交错布置，在经过隧道时 候感觉照极不整齐，很容易给市

9、民造成维护不善的印象。同时，交错 设计给灯具维修的线路识别造成了很大的困难。在对欧洲城市隧道的照明考察发现， 隧道照明采用较高的照度标 准，无严格入口、过渡、基本照明的划分，灯具照明整齐划一，十分 美观。当然，推行不同段采用不同的照度对于电能的合理使用是值得 提倡的，但如何既满足一定照度变化规律又能够使观感整齐美观是设 计师们需要考虑的问题。 可以考虑在隧道纵向增加平行排列， 避免交 错设计来实现。 相应的， 隧道灯具产品应具有符合不同角度布置的光 强曲线。另外，建议在施工中给不同线路照明以一定的标志， 便于检修维 护。（二）、照明灯具应采用带独立保险装置的钠灯 运行中发现，高压钠灯镇流器短路

10、故障经常造成回路短路跳闸， 同一回路中的所有灯具完全熄灭。 在如何查找故障灯的时候往往一盏 一盏灯具查找，非常麻烦。所以，建议采用有独立保护装置的钠灯。（三）、对船槽照明的设计1、对隧道的照明设计应考虑周边环境照明的设计，如高杆路灯 等。目前几乎所有的隧道都考虑了船槽设计，但在运行中发现，由于 隧道上方已有足够亮度的高杆路灯，船槽照明变得可有可无。2、目前厂家生产的隧道灯往往不具备室外灯功能。在船槽中广 泛采用隧道灯的结果是灯具玻璃罩经常由于日晒雨淋冷热冰裂， 不能 正常使用，往往成为影响道路美观的一个重要因素。所以，应引起设 计院关注。（四）关于新型光源的使用目前，有少量隧道照明选用“无极灯

11、” 、“LED等新型“绿色” 光源。LED光源近十年的新突破是科技进步和时代发展的产物，具有节 能、环保、白光、长寿命等多项优点，按 2007 年国际上先进的大功 率白光LED产业化水平，发光效率普遍达到 60-90lm/W，节能效果已 经相当具有吸引力。虽然LED在照明领域的发展潜力巨大，但作为照 明主体的研发艰难和产品质量远没有成熟也是不争的事实， 如它的芯 片制作、芯片材料、发光效率、散热性能、延长寿命、封装方式、封 装材料、 驱动特性和性价比等都有大量的工作需要进行。 散热的改善 更是目前LED发展必须突破的瓶颈，如散热欠佳就会造成LED光色的 改变，还会造成发光效率和寿命明显降低。目

12、前，高发光效率的 1W 白光LED价位在35元左右，显然高于市场推广水平。“无极灯”由于没有电极，所以寿命很长（大多数放电灯的寿命 在很大程度上取决于灯泡电极的寿命） ，非常适宜于如隧道这种难以 经常换灯的地方，另外还具有瞬时点燃、连续调光、无闪烁等优点， 当主要缺点是有电磁干扰， 价格教贵。 从我市红星路东侧隧道无极灯 改造项目来情况看，在隧道中间段光色柔和，照度分布均匀，导向性 较好。但在隧道入口和出口要达到高压钠灯同样的照度需求则要密集 布置更多的灯具， 因为同高压钠灯相比， 目前无极灯尚受到大功率的 限制，这是在隧道照明设计或节能改造中应注意的问题。四、泵站电气可靠性设计的常见问题 在

13、我处所辖泵站机电设施的管理中， 陆续发现水泵电控柜电气设 计存在诸多方面的问题。 这些问题的存在给泵站的可靠运行和维护管 理带来一定的隐患。比较常见的有以下几个方面：（一）电气一次系统问题1、电动机主回路没设置隔离电器在目 前我处管理的几乎所有泵站都存在这个问题。 根据 GB50055-93通用用电设备配电设计规范的规定，一般情况下每 台电动机主回路均应装设隔离电器。 其目的在于在检修时使电动机及 其控制电器与带电体有效隔离。 当以下两种情况可以几台电动机共用一组隔离电器：（1） 数台电动机共用一套短路保护；（2）由同一配电箱（屏）供电，且允许无选择性地断开的一组 电动机。目前，部分电气人员对

14、隔离电器存在一些认识不足的情况。根据 IEC947 的规定，隔离电器应具有“绝缘 +动触头位置指示” 两种功能。能做隔离电器的有：多极或单极的隔离电器、隔离开关、 插头或插座、熔断器式连接片、不需拆除导线的特殊端子等。有的电气技术人员错误地把所有的低压断路器也当作 “隔离电器 +保护电器”双重功能使用，这是不符合安全要求的。目前市面上的 DZ20 CM1 SM30 C45N TM30等均不具备隔离电器的功能。Ismax S GV2 NS MS325等系列符合隔离电器的要求，可以充当隔离电器的 功能。值得一提的是， 由于有些泵站的设计单位只把泵站所需的动力电 源设计到位， 泵站电控柜的电气设计由

15、水泵中标厂家配套。 由于厂家 对电气设计相关规范认知不够或处于成本节约的考虑， 往往在水泵电 气控制柜中没考虑隔离电器， 这给泵站的安全维护和管理造成了一定 的隐患。这种情况希望在以后的工程设计及施工管理中能够避免。2 数台电动机共用一套短路保护的问题 在很多市政泵站的电气设计均存在这个问题。羊市街隧道泵站 2004 年发生故障，导致水泵控制柜主开关跳闸后引起整座下穿隧道 被淹。根据事后分析，该控制柜共有三台 30KW水泵，采用一台250A 空气开关作为共用保护，在其中一台水泵故障后，引起总开关跳闸， 水泵全部停止工作，最终导致隧道被淹。GB50055-93通用用电设备配电设计规范第242明确

16、规定， 每台交流电动机应分别装设相间短路保护。 符合以下两条的可以数台 电动机共用一套短路保护电器：(1)总计算电流不超过20A,且允许无选择性切断时；( 2) 工艺要求，必须同时启停的一组电动机，不同时切断将危 及人身设备安全时。显然，我处管辖的泵站电机的电气设计不存在这两种情况。 那么 根据规范和使用安全性要求，应增设短路保护。3、短路保护电器SPCD勺选型问题在笔者的经历中， 也形成了熔断器容易熔断， 使用起来很麻烦的 一些观念。但应该不是使用熔断器本身勺问题， 而是在熔断器选型时 不够严谨所致， 加上某些国内厂家勺熔断器在技术、 生产和管理中所 存在勺质量不高，管理不严，推广不力等一些

17、问题，造成了人们对熔 断器勺使用上勺一些偏见。另外，在选择短路保护电器时应注意：(1)水泵电动机熔断器保护选择应选择 aM型，不宜选择gG型。 熔断器勺额定电流应根据其安秒特性曲线略高于电动机启动电流和 启动时间勺交叉点来选取， 但不得小于电动机勺额定电流。( 2)电动机主回路勺断路器应采用保护电动机型。4、电动机是否采取降压启动设计的相关问题( 1 )建议在电源满足条件时以下水泵首先选择直接启动目前成都市雨水泵站电机普遍采用降压启动， 主要两种方式： 一 是自耦降压， 另外一种是软启动。 在最近几年的设计中普遍采用软启动，最初是采用“一控三”模式，现在在使用单位的要求下，逐渐使 用“一控一”

18、模式，以降低软启动故障带来的系统瘫痪风险。目前， 软启动在水泵启动设计被普遍采用。 软启动的不仅增加了 设备投资，而且， 由于维护技术要求高，普通单位不具备修理水平带 来的故障风险特别大，特别在“一控三”模式下，软启动的故障意味 着水泵系统瘫痪，这在汛期是特别危险的。在目前成都市中心城区下穿隧道雨水泵站的潜水泵普遍采用笼 型电机，电压22-90KW不等。现在，没有一个通用的计算公式确定多 大功率电机可以直接启动， 多大功率电机应该降压启动， 只有通过启 动电压波动和启动压降的计算值， 根据目前相关规范来确定是否采取 降压启动措施。 关于电机启动的端子电压问题： 绝大多数电动机不需 要验算启动时

19、的端子电压， 只有少数特重负载才可能验算， 水泵负载 属于中轻负载，显然不属于需要验算这一类。而且，某种意义上说， 启动电流在变压器和水泵线路上的电压降在一定程度上也使全压启 动并非实际意义上的全压启动， 降低了冲击转矩， 是一定程度上的降 压启动。因此，电动机启动时端子电压不应作为验算条件。关于启动时电动机温升问题： 无论理论和实际测量均表明， 笼型 电动机起动时绕组发热比全压起动时更严重。 因此，电动机起动时温 升不应作为全压启动的限制条件； 另外，隧道雨水泵站电机不存在冲 击转矩承受力的问题，综上，笔者建议，在满足电源和启动条件要求时，尽可能采用直 接启动。针对雨水泵站水泵全压启动的条件

20、一般比较简单： 配电母线 上的电压不低于额定电压的 80%（雨水泵站水泵属于不频繁启动） 。对于母线电压降和电机端子电压，可以通过简单计算得出拿具有代表性的羊市街隧道来说，设计采用三台泵（30KV）两用一备，水泵启动电流385A。250KVA变压器供电，变压器短路阻抗 4.3%。水泵控制柜至水泵采用 3*25+1*16电缆，长110米。为简化计算，可以假定变压器高压侧容量为无限大，低压侧电机启动引起高压侧电压波动是很小的，可以忽略不计。其次，假定电机 投入后，变压器达满负荷运行，事实上变压器负载率总低于1,以此假设条件得出的结果是偏于保守的。在此假设条件下，可以采用下式计算母线电压（引用陈元丽

21、现代建筑电气设计指南P310）。10.6x*m*d 0.93lq Sb-0.85Pd1 XbSbUm电动机启动时母线电压标么值X*变压器电抗标么值Ud*_电动机额定电压，KVIq 电动机额定电流，ASb变压器额定容量，KVA 根据泵站所给条件，Um*1 00431 0B 0-0430.99+ 3 x 0.38江 0.93江 385+250-0.85汇 30250电动机启动时端电压也可以根据 Um结果和下面公式计算。Ud+ <Ti q(0.4 r0 +0.85 x0 )1U d 10 6Ud* 电动机启动时电动机端电压标么值r o线路比电阻，欧姆/Kmxo线路比电抗，欧姆/KmI 线路长度，