地铁供电系统设计中车站空间的节省
摘 要 从地铁设计节省空间即是节约投资的思想出优的设计方案付诸实施。
发,分析了地铁供电设计占用车站空间资源的情况。通过列举工程实例,提出了如何在满足供电系统正常运营的条件下最大限度地节省空间、缩减用地规模的有效措施。进而为车站建筑规模的进一步优化创造了便利条件。
关键词 地铁车站,供电系统,空间布设
地铁因“地下”这一特性决定了建设的复杂和投资的巨大。为了使地铁在更多的城市造福于人民,在满足功能的前提下尽量缩减地铁投资规模成了问题的切入点。地铁中区间隧道由于结构单一, 缩减规模相对简单,因而研究重点应落在车站上。以往地下车站每延米的土建造价约30 万元,解决措施是在大的客流集散点采用多层式车站,一般客流则考虑单层式车站。这要求严格控制车站设备和管理用房面积,优化车站布局,使其更紧凑简捷。
1 供电系统设计中节约投资的途径
供电系统设计实现节约投资有两大途径:一是直接的节约投资,方法是精心设计,合理选材,在实现功能的前提下尽量缩减设备和材料的费用(如采用供电设备的国产化);二是间接的节约投资,即在满足系统正常运营的条件下最大限度地节省空间、缩减用地规模,从而减少土建投资。
地铁供电系统设计中采用的供电制式(如二级供电或三级供电) 对地下空间以及投资控制有着举足轻重的作用,在变电站、牵引、降压变电所及混合变电所的用地上更是明显不同。
2 变电所平面布置中节省占地的研究
地铁车站内供电系统的变电所按功能分为两大类:一是牵引变电所,负责向机车牵引系统供电; 二是降压变电所,用于向地铁其他动力和照明设备供电。
牵引变电所的布设要根据供电计算决定供电半径的大小,然后按需要在相应车站设置,因此,并非每个车站都设有牵引变电所。降压变电所则不同,因为每个车站都有大量的动力设备和照明器材,设备总容量一般在1 500～2 500 kW 之间,无法实现长距离低压供电,所以在地铁每个车站均设有降压变电所。为了节省设备占地,减小变电所的设置规模,应把握好以下原则:
1) 牵引变电所、降压变电所均设时,采用混合设置方案,可节减功能用房(直接减掉两所的重复用房) 。典型的混合变电所如图1 。这种布置是基于站台层有足够大面积时的布置形式。当站台面积不够宽裕时,可将牵引部分的直流开关柜室、整流变压器室移至站厅层。
2) 降压变电所单独设置时,尽量在满足供电要求的前提下采用一所供电。
降压变电所的设备较重,大部分设备的运输要借助轨道,且高中压电缆需通过隧道敷设,故车站降压变电所都布置在岛式站台层的端部。
降压变电所分设车站两端布置可以使变压器和低压母线更靠近车站两端的负荷中心,从而减少电缆的长度和截面,并相应减少穿越车站的电缆, 但却增加了低压配电柜的数量,使控制趋于复杂, 而且要多占一些空间,管理起来也很不方便。
另外,由于车站照明在车站的每层两端均设有配电所,照明末端配线距离相对较短,取代了两所供电在照明中的优势。分析动力负荷,其中70 % 以上是环控设备所占负荷,每个地下车站在环控用房区均设有专为环控设备供电的环控电控室,这也替代了变电所深入负荷中心配电的优势。综合以上因素,在车站长度不是太长的前提下(建议长度在200 m 以内) ,全站设一座降压变电所较为合理。
图1 典型牵引降压混合变电所平面布置图 图中设备简称解释如下:
TD ———动力变压器GF ———蓄电池盘F 直流开关柜OV 钢轨电位限制装置AH —10 kV 开关柜R ———整流柜AC ———交流盘AA —0. 4 kV 低压柜N ———负极柜AD 直流盘C 充电机盘RT 整流变压器CP 控制信号盘DR 电容器柜
3) 变电所高压室的布置可依据GB 50060 -92
《3～110 kV 高压配电装置设计规范》第5. 3. 2 条规定的配电装置室内各种通道的最小宽度(净距) 值。见表1 。
表1 配电装置室内各种通道最小宽度值 mm
注: (1) 通道宽度在建筑物墙柱个别突出处,允许缩小200 mm。
(2) 手车式开关柜不需就地检修时,其通道宽度可适当减小。
(3) 固定式开关柜靠墙布置时,柜背离距离宜取50 mm。
(4) 当采用35 kV 手车式开关柜时,柜后通道不宜小于1 m。
变电所高低压部分合用一室,变压器与开关柜采用同室布置,可节省面积。《建筑电气设计手册》第160 页规定:
“在高压配电室内一般只装设高压开关柜,当柜的数量较少时(4 台及以下) 也可和低压配电屏布置在同一房间内,但不宜面对面布置。单列布置时与低压配电屏之间的净距不应小于2 m”。
由于采用干式变压器,无爆炸危险,故可将变压器、10 kV (35 kV) 开关柜和400 V 低压配电柜(MNS 等) 设于同一室内。布置时将变压器置于高压开关柜一排的两端,与低压开关柜面对面布置, 受空间限制时高低压配电盘均可靠墙布置。上海地铁1 号线工程大多数降压变电所采用这种布置方式,如图2 。
4) 在降压变电所中,占地面积最大的是低压配电室。往往由于空间所限,多达20 面以上的低压成套开关柜与两台干式变压器同处一室,既要满足建筑平面形状的局限,又要满足规范的要求。GB 50053 -94《10 kV 及以下变电所设计规范》第4. 2. 9 条规定了低压配电室内成排布置的配电屏,其屏前、屏后的通道最小宽度(如表2) 。
表2 低压配电室成排布置配电屏的通道宽度 mm
注:当建筑物墙面遇有柱类局部凸出部位的通道宽度可减少200 mm。
图2 上海地铁1 号线降压变电所布置图
从表2 可得,对于双排面对面布置的抽屉柜, 屏前通道为2 300 mm , 屏后需要维护的通道最小为800 mm , 不需要维护的可靠墙安装(如上海通用电气广电有限公司的MLS 型MCC 柜可靠墙安装) 。
GB 50060 -92 《3～110 kV 高压配电装置设计规范》第5. 3. 5 条规定:“ 设置于屋内的干式变压器,其外廓与四周墙壁的净距不应小于0. 6 m , 干式变压器之间距离不应小于1 m , 并应满足巡视维修的要求。全封闭型的干式变压器可不受上述距离的限制。”这一条对低压配电室内干式变压器的布置方式描述得十分清楚,采用全封闭型的干式变压器则可靠墙安装。
为了对以上情形作进一步阐述,特列举如下的设计实例。
实例一:常规的变电所室内设备当采用双排布置时,为了维护和管理方便,也为了整齐美观,特别是采用柜顶母线桥联络两段母线时,一般采取设备对称布置方式,但在房屋面积很难满足时,最好采用非对称布置的方式,母线联络采取柜底电缆联络实现。如图3 所示(受房屋面积限制,低压开关柜室采用面对面非对称布置;直流开关柜室一排柜靠墙布置) 。
图3 变电所室内布置实例
实例二:地铁车站内的变电所受车站建筑柱网的影响严重。通常情况下,建筑和变电所双方可尽量避免这种情况的发生,但在极端情况下,柱后的开关柜可采取不连续布置。为了规避柜内母线裸露造成的安全隐患、保持室内美观,可布置空柜连系。如图4 所示(房屋面积所限,低压开关柜室采用面对面非对称布置;0. 4 kV 开关柜室内有柱子, 影响柜前操作,故柱后设空柜联络) 。
实例三:如图5 所示,这是又一种受面积限制不能采取设备对称布置的方式。根据实际情况,布置成环形,而且变压器侧边不设通道,变压器选用柜内全封闭干式变压器,满足规范要求。
图4 低压开关柜室布置实例(一)
图5 低压开关柜室布置实例(二)
3 动力照明设备用房节省用地的措施
3. 1 环控电控室设置
环控电控室设计中节省用地措施可从两个方面考虑:
首先,在设计中应精心安排环控设备控制回路的布置,尽量减少柜体(如继电器屏的设计数量等) 。在必须设置的柜体数量确订以后,先根据用途合理安排电控柜的布置位置,采取化整为零的办法。如冷水机组的电控柜、送排风机、事故风机的电控柜以及一些现场操作柜等都可置于设备现场。经过以上筛选,最终确定应该布置于环控电控室内的柜体数量。
其次,环控电控室的设置,要紧紧结合环控机房的布设,原则是要深入到环控负荷中心。这样形成的房屋形状往往不规则。对环控电力设备的布置要因地而异,既要满足规范要求,又要本着合理、节约的思想进行设计。环控电控室内低压配电柜的布置也应与上述的变电所低压柜布置方法相同。不仅如此,由于环控电控室不设变压器,纯属低压配电室范畴,所以配电柜布置形式更加多样化,可结合建筑模样布置为一字型、L 型、[型、环型及其他满足规范要求的形状,以压缩占地面积。
3. 2 照明配电室设置
照明配电室担负着车站照明电源的输配功能。由于地铁车站空间狭长,为了缩小低压供电半径, 一般车站在站厅和站台两端各设一个配电室,面积在12 m2 左右。由于配电室电源来源于站台层的降压变电所,站台和站厅间须设电缆井。为了配电合理、管理方便,也为了节省空间,应尽量把电缆井布设于配电室旁边,或实现半井半屋的布置形式。
在此强调一点,有些设计采用组合低压开关柜的形式替代配电箱供电,这种方法在地铁车站中是不理想的。因为配电柜落地安装,本身的体积较大,又要留出操作和维护通道,使配电室的面积膨胀,不利于节省空间。配电箱则不同,体积小,又可挂墙安装,能实现根据配电室的形状随意组合挂墙的方案,优势十分明显。
3. 3 蓄电池室设置
地下车站的地域特性,决定了事故照明容量很大,因而须专门设置蓄电池室,为事故照明集中供电。由于变电所的操作电源一般都为直流220 V , 所以蓄电池室还应担负变电所的操作电源。它的设置最好与变电所相邻,如建筑场所限制时,可根据情况适当调整位置和形状。蓄电池室面积较小时,可考虑靠墙安装蓄电池柜。
3. 4 电缆井的布设
地铁车站中电缆井的设置在两处以上。由于电缆井占用竖向空间,它的布设要影响到上下两层建筑房屋的布置,在地下空间拥挤时电缆井的选位和形状的确值得研究。
在电缆井内应设若干竖向排列的电缆支架,电缆沿一排排支架整齐排列。电缆井平面为方形时, 可在相邻的两面墙上布设电缆;电缆井平面为长条形时,可仅在一面墙上布设电缆,另一面留出爬行检修通道。
4 电力管线及桥架敷设中节省空间的方法探讨
4. 1 低压配电回路的合并
地铁内有效空间十分有限,但低压供电回路数量却相当大。例如,标准地下二层车站降压变电所低压柜馈出的车站动力配电回路数达70 多回,至车站照明配电箱的配电回路达40 多回;而且每面照明配电箱又各有10 回左右的馈线,由环控电控室至环控设备的配电回路达90 多回。这些数字足以说明配电回路数量是何等之大! 因此,在配线时应尽量考虑减少线缆数量,合并回路,使配置的每一根线缆在载流量范围内充分发挥其价值。
地铁车站低压配电采用三相五线制(TN -S) 系统,拓扑结构采用树形和星形相结合的方式。鉴于减少线缆数量的考虑,除在设备末端采用放射式的星形结构外,长距离的配电线路、尤其是配电干线及支干线宜采用树干式结构。
合并回路的考虑应从以下原则着手:
(1) 动力配线和照明配线分设,不能合并;
(2) 不同负荷等级的设备和照明灯具其配线不应合并;
(3) 位置不集中、位于配电盘不同方向的用电设备,由于合并回路后需绕行才能到达各用电点, 增加了配线长度,从而也增加了压降损失和线路电能损耗,这类线路也不应合并。
除以上几种情况外,对于同类型、走线方向相同、设备集中的各用电点应尽量合并配线回路,充分发挥树干式配线的优势,对节约空间、节约投资、减少故障率十分有益。
4. 2 电缆的合理敷设
地铁车站供电系统是由各种不同电压等级和不同型号规格的电力电缆、控制电缆联系而成的一个网络。这些电缆的走向及敷设除满足电力规程的要求外,对于地铁还形成一些自己特有的模式。
在地铁车站,由于规定了高压电缆在站台板下和站台侧边冒石下沿支架敷设,且车站站台厕所、自动扶梯占据了站台的一侧,站台板下两侧又设有通风道,因而除降压变电所的联络控制线以及供废水泵、自动扶梯、污水泵等的低压线缆必须经站台板下走线外,其余站台所有低压电线电缆应在站台层结构中板下沿桥架敷设,导线应穿PVC 管保护。
在站厅层,由于无地下通道,故明敷的电缆及导线只有沿站厅层结构顶板下设桥架敷设。管理用房的配线采用穿管在顶棚内、隔墙内及地板下暗敷设;设备用房的配线采用明敷设即可。
总之,本着节省空间、使用安全、管理方便的原则,车站内的电线电缆从降压变电所—配电室—设备、灯具及插座的整个走径中,都要尽可能利用汇线桥架、电缆支架,敷设于站台板下、吊顶内、电缆夹层内以及电缆竖井内。在设计的整个过程中要遵循以下原则:
(1) 慎重使用站台板下的“金地”。
(2) 公共区、管理用房区等设吊顶的部位,综合与其他管道的轻重缓急, 布线采用紧凑的桥架布线。
(3) 跨建筑结构横梁、柱及与控制、给排水管道有冲突时,局部采用穿软管或直敷方式,以减小空间占有率,保证建筑净空要求。
参 考 文 献
1 建筑电气设计手册编写组. 建筑电气设计手册. 北京:中国建筑工业出版社,1991
2 施仲衡. 地下铁道设计与施工. 西安:陕西科学技术出版社,1997
