地鐵供電系統設計中車站空間的節省

摘　要　從地鐵設計節省空間即是節約投資的思想出優的設計方案付諸實施。
發,分析了地鐵供電設計占用車站空間資源的情況。通過列舉工程實例,提出了如何在滿足供電系統正常運營的條件下最大限度地節省空間、縮減用地規模的有效措施。進而為車站建筑規模的進一步優化創造了便利條件。
關鍵詞　地鐵車站,供電系統,空間布設
地鐵因“地下”這一特性決定了建設的復雜和投資的巨大。為了使地鐵在更多的城市造福于人民,在滿足功能的前提下盡量縮減地鐵投資規模成了問題的切入點。地鐵中區間隧道由于結構單一, 縮減規模相對簡單,因而研究重點應落在車站上。以往地下車站每延米的土建造價約30 萬元,解決措施是在大的客流集散點采用多層式車站,一般客流則考慮單層式車站。這要求嚴格控制車站設備和管理用房面積,優化車站布局,使其更緊湊簡捷。
1 　供電系統設計中節約投資的途徑
供電系統設計實現節約投資有兩大途徑:一是直接的節約投資,方法是精心設計,合理選材,在實現功能的前提下盡量縮減設備和材料的費用(如采用供電設備的國產化);二是間接的節約投資,即在滿足系統正常運營的條件下最大限度地節省空間、縮減用地規模,從而減少土建投資。
地鐵供電系統設計中采用的供電制式(如二級供電或三級供電) 對地下空間以及投資控制有著舉足輕重的作用,在變電站、牽引、降壓變電所及混合變電所的用地上更是明顯不同。

2 　變電所平面布置中節省占地的研究
地鐵車站內供電系統的變電所按功能分為兩大類:一是牽引變電所,負責向機車牽引系統供電; 二是降壓變電所,用于向地鐵其他動力和照明設備供電。
牽引變電所的布設要根據供電計算決定供電半徑的大小,然后按需要在相應車站設置,因此,并非每個車站都設有牽引變電所。降壓變電所則不同,因為每個車站都有大量的動力設備和照明器材,設備總容量一般在1 500～2 500 kW 之間,無法實現長距離低壓供電,所以在地鐵每個車站均設有降壓變電所。為了節省設備占地,減小變電所的設置規模,應把握好以下原則:
1) 牽引變電所、降壓變電所均設時,采用混合設置方案,可節減功能用房(直接減掉兩所的重復用房) 。典型的混合變電所如圖1 。這種布置是基于站臺層有足夠大面積時的布置形式。當站臺面積不夠寬裕時,可將牽引部分的直流開關柜室、整流變壓器室移至站廳層。
2) 降壓變電所單獨設置時,盡量在滿足供電要求的前提下采用一所供電。
降壓變電所的設備較重,大部分設備的運輸要借助軌道,且高中壓電纜需通過隧道敷設,故車站降壓變電所都布置在島式站臺層的端部。
降壓變電所分設車站兩端布置可以使變壓器和低壓母線更靠近車站兩端的負荷中心,從而減少電纜的長度和截面,并相應減少穿越車站的電纜, 但卻增加了低壓配電柜的數量,使控制趨于復雜, 而且要多占一些空間,管理起來也很不方便。
另外,由于車站照明在車站的每層兩端均設有配電所,照明末端配線距離相對較短,取代了兩所供電在照明中的優勢。分析動力負荷,其中70 % 以上是環控設備所占負荷,每個地下車站在環控用房區均設有專為環控設備供電的環控電控室,這也替代了變電所深入負荷中心配電的優勢。綜合以上因素,在車站長度不是太長的前提下(建議長度在200 m 以內) ,全站設一座降壓變電所較為合理。

圖1 　典型牽引降壓混合變電所平面布置圖　　　圖中設備簡稱解釋如下:
TD ———動力變壓器GF ———蓄電池盤F 直流開關柜OV 鋼軌電位限制裝置AH —10 kV 開關柜R ———整流柜AC ———交流盤AA —0. 4 kV 低壓柜N ———負極柜AD 直流盤C 充電機盤RT 整流變壓器CP 控制信號盤DR 電容器柜
　　3) 變電所高壓室的布置可依據GB 50060 -92
《3～110 kV 高壓配電裝置設計規范》第5. 3. 2 條規定的配電裝置室內各種通道的最小寬度(凈距) 值。見表1 。
表1 　配電裝置室內各種通道最小寬度值　mm

注: (1) 通道寬度在建筑物墻柱個別突出處,允許縮小200 mm。
(2) 手車式開關柜不需就地檢修時,其通道寬度可適當減小。
(3) 固定式開關柜靠墻布置時,柜背離距離宜取50 mm。
(4) 當采用35 kV 手車式開關柜時,柜后通道不宜小于1 m。

變電所高低壓部分合用一室,變壓器與開關柜采用同室布置,可節省面積。《建筑電氣設計手冊》第160 頁規定:
“在高壓配電室內一般只裝設高壓開關柜,當柜的數量較少時(4 臺及以下) 也可和低壓配電屏布置在同一房間內,但不宜面對面布置。單列布置時與低壓配電屏之間的凈距不應小于2 m”。
由于采用干式變壓器,無爆炸危險,故可將變壓器、10 kV (35 kV) 開關柜和400 V 低壓配電柜(MNS 等) 設于同一室內。布置時將變壓器置于高壓開關柜一排的兩端,與低壓開關柜面對面布置, 受空間限制時高低壓配電盤均可靠墻布置。上海地鐵1 號線工程大多數降壓變電所采用這種布置方式,如圖2 。
4) 在降壓變電所中,占地面積最大的是低壓配電室。往往由于空間所限,多達20 面以上的低壓成套開關柜與兩臺干式變壓器同處一室,既要滿足建筑平面形狀的局限,又要滿足規范的要求。GB 50053 -94《10 kV 及以下變電所設計規范》第4. 2. 9 條規定了低壓配電室內成排布置的配電屏,其屏前、屏后的通道最小寬度(如表2) 。
　表2 　低壓配電室成排布置配電屏的通道寬度　mm

注:當建筑物墻面遇有柱類局部凸出部位的通道寬度可減少200 mm。

圖2 　上海地鐵1 號線降壓變電所布置圖
　　從表2 可得,對于雙排面對面布置的抽屜柜, 屏前通道為2 300 mm , 屏后需要維護的通道最小為800 mm , 不需要維護的可靠墻安裝(如上海通用電氣廣電有限公司的MLS 型MCC 柜可靠墻安裝) 。
GB 50060 -92 《3～110 kV 高壓配電裝置設計規范》第5. 3. 5 條規定:“ 設置于屋內的干式變壓器,其外廓與四周墻壁的凈距不應小于0. 6 m , 干式變壓器之間距離不應小于1 m , 并應滿足巡視維修的要求。全封閉型的干式變壓器可不受上述距離的限制。”這一條對低壓配電室內干式變壓器的布置方式描述得十分清楚,采用全封閉型的干式變壓器則可靠墻安裝。
為了對以上情形作進一步闡述,特列舉如下的設計實例。
實例一:常規的變電所室內設備當采用雙排布置時,為了維護和管理方便,也為了整齊美觀,特別是采用柜頂母線橋聯絡兩段母線時,一般采取設備對稱布置方式,但在房屋面積很難滿足時,最好采用非對稱布置的方式,母線聯絡采取柜底電纜聯絡實現。如圖3 所示(受房屋面積限制,低壓開關柜室采用面對面非對稱布置;直流開關柜室一排柜靠墻布置) 。

圖3 　變電所室內布置實例
　　實例二:地鐵車站內的變電所受車站建筑柱網的影響嚴重。通常情況下,建筑和變電所雙方可盡量避免這種情況的發生,但在極端情況下,柱后的開關柜可采取不連續布置。為了規避柜內母線裸露造成的安全隱患、保持室內美觀,可布置空柜連系。如圖4 所示(房屋面積所限,低壓開關柜室采用面對面非對稱布置;0. 4 kV 開關柜室內有柱子, 影響柜前操作,故柱后設空柜聯絡) 。
實例三:如圖5 所示,這是又一種受面積限制不能采取設備對稱布置的方式。根據實際情況,布置成環形,而且變壓器側邊不設通道,變壓器選用柜內全封閉干式變壓器,滿足規范要求。

圖4 　低壓開關柜室布置實例(一)

圖5 　低壓開關柜室布置實例(二)
3 　動力照明設備用房節省用地的措施
3. 1 　環控電控室設置
環控電控室設計中節省用地措施可從兩個方面考慮:
首先,在設計中應精心安排環控設備控制回路的布置,盡量減少柜體(如繼電器屏的設計數量等) 。在必須設置的柜體數量確訂以后,先根據用途合理安排電控柜的布置位置,采取化整為零的辦法。如冷水機組的電控柜、送排風機、事故風機的電控柜以及一些現場操作柜等都可置于設備現場。經過以上篩選,最終確定應該布置于環控電控室內的柜體數量。
其次,環控電控室的設置,要緊緊結合環控機房的布設,原則是要深入到環控負荷中心。這樣形成的房屋形狀往往不規則。對環控電力設備的布置要因地而異,既要滿足規范要求,又要本著合理、節約的思想進行設計。環控電控室內低壓配電柜的布置也應與上述的變電所低壓柜布置方法相同。不僅如此,由于環控電控室不設變壓器,純屬低壓配電室范疇,所以配電柜布置形式更加多樣化,可結合建筑模樣布置為一字型、L 型、[型、環型及其他滿足規范要求的形狀,以壓縮占地面積。
3. 2 　照明配電室設置
照明配電室擔負著車站照明電源的輸配功能。由于地鐵車站空間狹長,為了縮小低壓供電半徑, 一般車站在站廳和站臺兩端各設一個配電室,面積在12 m2 左右。由于配電室電源來源于站臺層的降壓變電所,站臺和站廳間須設電纜井。為了配電合理、管理方便,也為了節省空間,應盡量把電纜井布設于配電室旁邊,或實現半井半屋的布置形式。
在此強調一點,有些設計采用組合低壓開關柜的形式替代配電箱供電,這種方法在地鐵車站中是不理想的。因為配電柜落地安裝,本身的體積較大,又要留出操作和維護通道,使配電室的面積膨脹,不利于節省空間。配電箱則不同,體積小,又可掛墻安裝,能實現根據配電室的形狀隨意組合掛墻的方案,優勢十分明顯。
3. 3 　蓄電池室設置
地下車站的地域特性,決定了事故照明容量很大,因而須專門設置蓄電池室,為事故照明集中供電。由于變電所的操作電源一般都為直流220 V , 所以蓄電池室還應擔負變電所的操作電源。它的設置最好與變電所相鄰,如建筑場所限制時,可根據情況適當調整位置和形狀。蓄電池室面積較小時,可考慮靠墻安裝蓄電池柜。
3. 4 　電纜井的布設
地鐵車站中電纜井的設置在兩處以上。由于電纜井占用豎向空間,它的布設要影響到上下兩層建筑房屋的布置,在地下空間擁擠時電纜井的選位和形狀的確值得研究。
在電纜井內應設若干豎向排列的電纜支架,電纜沿一排排支架整齊排列。電纜井平面為方形時, 可在相鄰的兩面墻上布設電纜;電纜井平面為長條形時,可僅在一面墻上布設電纜,另一面留出爬行檢修通道。
4 　電力管線及橋架敷設中節省空間的方法探討
4. 1 　低壓配電回路的合并
地鐵內有效空間十分有限,但低壓供電回路數量卻相當大。例如,標準地下二層車站降壓變電所低壓柜饋出的車站動力配電回路數達70 多回,至車站照明配電箱的配電回路達40 多回;而且每面照明配電箱又各有10 回左右的饋線,由環控電控室至環控設備的配電回路達90 多回。這些數字足以說明配電回路數量是何等之大! 因此,在配線時應盡量考慮減少線纜數量,合并回路,使配置的每一根線纜在載流量范圍內充分發揮其價值。
地鐵車站低壓配電采用三相五線制(TN -S) 系統,拓撲結構采用樹形和星形相結合的方式。鑒于減少線纜數量的考慮,除在設備末端采用放射式的星形結構外,長距離的配電線路、尤其是配電干線及支干線宜采用樹干式結構。
合并回路的考慮應從以下原則著手:
(1) 動力配線和照明配線分設,不能合并;
(2) 不同負荷等級的設備和照明燈具其配線不應合并;
(3) 位置不集中、位于配電盤不同方向的用電設備,由于合并回路后需繞行才能到達各用電點, 增加了配線長度,從而也增加了壓降損失和線路電能損耗,這類線路也不應合并。
除以上幾種情況外,對于同類型、走線方向相同、設備集中的各用電點應盡量合并配線回路,充分發揮樹干式配線的優勢,對節約空間、節約投資、減少故障率十分有益。
4. 2 　電纜的合理敷設
地鐵車站供電系統是由各種不同電壓等級和不同型號規格的電力電纜、控制電纜聯系而成的一個網絡。這些電纜的走向及敷設除滿足電力規程的要求外,對于地鐵還形成一些自己特有的模式。
在地鐵車站,由于規定了高壓電纜在站臺板下和站臺側邊冒石下沿支架敷設,且車站站臺廁所、自動扶梯占據了站臺的一側,站臺板下兩側又設有通風道,因而除降壓變電所的聯絡控制線以及供廢水泵、自動扶梯、污水泵等的低壓線纜必須經站臺板下走線外,其余站臺所有低壓電線電纜應在站臺層結構中板下沿橋架敷設,導線應穿PVC 管保護。
在站廳層,由于無地下通道,故明敷的電纜及導線只有沿站廳層結構頂板下設橋架敷設。管理用房的配線采用穿管在頂棚內、隔墻內及地板下暗敷設;設備用房的配線采用明敷設即可。
總之,本著節省空間、使用安全、管理方便的原則,車站內的電線電纜從降壓變電所—配電室—設備、燈具及插座的整個走徑中,都要盡可能利用匯線橋架、電纜支架,敷設于站臺板下、吊頂內、電纜夾層內以及電纜豎井內。在設計的整個過程中要遵循以下原則:
(1) 慎重使用站臺板下的“金地”。
(2) 公共區、管理用房區等設吊頂的部位,綜合與其他管道的輕重緩急, 布線采用緊湊的橋架布線。
(3) 跨建筑結構橫梁、柱及與控制、給排水管道有沖突時,局部采用穿軟管或直敷方式,以減小空間占有率,保證建筑凈空要求。

參　考　文　獻
1 　建筑電氣設計手冊編寫組. 建筑電氣設計手冊. 北京:中國建筑工業出版社,1991
2 　施仲衡. 地下鐵道設計與施工. 西安:陜西科學技術出版社,1997