地鐵供電系統(tǒng)設(shè)計中車站空間的節(jié)省

摘　要　從地鐵設(shè)計節(jié)省空間即是節(jié)約投資的思想出優(yōu)的設(shè)計方案付諸實施。
發(fā),分析了地鐵供電設(shè)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(tǒng)正常運營的條件下最大限度地節(jié)省空間、縮減用地規(guī)模的有效措施。進而為車站建筑規(guī)模的進一步優(yōu)化創(chuàng)造了便利條件。
關(guān)鍵詞　地鐵車站,供電系統(tǒng),空間布設(shè)
地鐵因“地下”這一特性決定了建設(shè)的復(fù)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(guī)模成了問題的切入點。地鐵中區(qū)間隧道由于結(jié)構(gòu)單一, 縮減規(guī)模相對簡單,因而研究重點應(yīng)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(shè)備和管理用房面積,優(yōu)化車站布局,使其更緊湊簡捷。
1 　供電系統(tǒng)設(shè)計中節(jié)約投資的途徑
供電系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)節(jié)約投資有兩大途徑:一是直接的節(jié)約投資,方法是精心設(shè)計,合理選材,在實現(xiàn)功能的前提下盡量縮減設(shè)備和材料的費用(如采用供電設(shè)備的國產(chǎn)化);二是間接的節(jié)約投資,即在滿足系統(tǒng)正常運營的條件下最大限度地節(jié)省空間、縮減用地規(guī)模,從而減少土建投資。
地鐵供電系統(tǒng)設(shè)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(jié)省占地的研究
地鐵車站內(nèi)供電系統(tǒng)的變電所按功能分為兩大類:一是牽引變電所,負責(zé)向機車牽引系統(tǒng)供電; 二是降壓變電所,用于向地鐵其他動力和照明設(shè)備供電。
牽引變電所的布設(shè)要根據(jù)供電計算決定供電半徑的大小,然后按需要在相應(yīng)車站設(shè)置,因此,并非每個車站都設(shè)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(shè)備和照明器材,設(shè)備總?cè)萘恳话阍? 500～2 500 kW 之間,無法實現(xiàn)長距離低壓供電,所以在地鐵每個車站均設(shè)有降壓變電所。為了節(jié)省設(shè)備占地,減小變電所的設(shè)置規(guī)模,應(yīng)把握好以下原則:
1) 牽引變電所、降壓變電所均設(shè)時,采用混合設(shè)置方案,可節(jié)減功能用房(直接減掉兩所的重復(fù)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(dāng)站臺面積不夠?qū)捲r,可將牽引部分的直流開關(guān)柜室、整流變壓器室移至站廳層。
2) 降壓變電所單獨設(shè)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(shè)備較重,大部分設(shè)備的運輸要借助軌道,且高中壓電纜需通過隧道敷設(shè),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(shè)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(yīng)減少穿越車站的電纜, 但卻增加了低壓配電柜的數(shù)量,使控制趨于復(fù)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(shè)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(yōu)勢。分析動力負荷,其中70 % 以上是環(huán)控設(shè)備所占負荷,每個地下車站在環(huán)控用房區(qū)均設(shè)有專為環(huán)控設(shè)備供電的環(huán)控電控室,這也替代了變電所深入負荷中心配電的優(yōu)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(nèi)) ,全站設(shè)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(shè)備簡稱解釋如下:
TD ———動力變壓器GF ———蓄電池盤F 直流開關(guān)柜OV 鋼軌電位限制裝置AH —10 kV 開關(guān)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(jù)GB 50060 -92
《3～110 kV 高壓配電裝置設(shè)計規(guī)范》第5. 3. 2 條規(guī)定的配電裝置室內(nèi)各種通道的最小寬度(凈距) 值。見表1 。
表1 　配電裝置室內(nèi)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(guān)柜不需就地檢修時,其通道寬度可適當(dāng)減小。
(3) 固定式開關(guān)柜靠墻布置時,柜背離距離宜取50 mm。
(4) 當(dāng)采用35 kV 手車式開關(guān)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(guān)柜采用同室布置,可節(jié)省面積?！督ㄖ姎庠O(shè)計手冊》第160 頁規(guī)定:
“在高壓配電室內(nèi)一般只裝設(shè)高壓開關(guān)柜,當(dāng)柜的數(shù)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(nèi),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(yīng)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(guān)柜和400 V 低壓配電柜(MNS 等) 設(shè)于同一室內(nèi)。布置時將變壓器置于高壓開關(guān)柜一排的兩端,與低壓開關(guān)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(shù)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(guān)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(guī)范的要求。GB 50053 -94《10 kV 及以下變電所設(shè)計規(guī)范》第4. 2. 9 條規(guī)定了低壓配電室內(nèi)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(dāng)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(shè)計規(guī)范》第5. 3. 5 條規(guī)定:“ 設(shè)置于屋內(nèi)的干式變壓器,其外廓與四周墻壁的凈距不應(yīng)小于0. 6 m , 干式變壓器之間距離不應(yīng)小于1 m , 并應(yīng)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?！边@一條對低壓配電室內(nèi)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(shè)計實例。
實例一:常規(guī)的變電所室內(nèi)設(shè)備當(dāng)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(lián)絡(luò)兩段母線時,一般采取設(shè)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(lián)絡(luò)采取柜底電纜聯(lián)絡(luò)實現(xiàn)。如圖3 所示(受房屋面積限制,低壓開關(guān)柜室采用面對面非對稱布置;直流開關(guān)柜室一排柜靠墻布置) 。

圖3 　變電所室內(nèi)布置實例
　　實例二:地鐵車站內(nèi)的變電所受車站建筑柱網(wǎng)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(fā)生,但在極端情況下,柱后的開關(guān)柜可采取不連續(xù)布置。為了規(guī)避柜內(nèi)母線裸露造成的安全隱患、保持室內(nèi)美觀,可布置空柜連系。如圖4 所示(房屋面積所限,低壓開關(guān)柜室采用面對面非對稱布置;0. 4 kV 開關(guān)柜室內(nèi)有柱子, 影響柜前操作,故柱后設(shè)空柜聯(lián)絡(luò)) 。
實例三:如圖5 所示,這是又一種受面積限制不能采取設(shè)備對稱布置的方式。根據(jù)實際情況,布置成環(huán)形,而且變壓器側(cè)邊不設(shè)通道,變壓器選用柜內(nèi)全封閉干式變壓器,滿足規(guī)范要求。

圖4 　低壓開關(guān)柜室布置實例(一)

圖5 　低壓開關(guān)柜室布置實例(二)
3 　動力照明設(shè)備用房節(jié)省用地的措施
3. 1 　環(huán)控電控室設(shè)置
環(huán)控電控室設(shè)計中節(jié)省用地措施可從兩個方面考慮:
首先,在設(shè)計中應(yīng)精心安排環(huán)控設(shè)備控制回路的布置,盡量減少柜體(如繼電器屏的設(shè)計數(shù)量等) 。在必須設(shè)置的柜體數(shù)量確訂以后,先根據(jù)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(fēng)機、事故風(fēng)機的電控柜以及一些現(xiàn)場操作柜等都可置于設(shè)備現(xiàn)場。經(jīng)過以上篩選,最終確定應(yīng)該布置于環(huán)控電控室內(nèi)的柜體數(shù)量。
其次,環(huán)控電控室的設(shè)置,要緊緊結(jié)合環(huán)控機房的布設(shè),原則是要深入到環(huán)控負荷中心。這樣形成的房屋形狀往往不規(guī)則。對環(huán)控電力設(shè)備的布置要因地而異,既要滿足規(guī)范要求,又要本著合理、節(jié)約的思想進行設(shè)計。環(huán)控電控室內(nèi)低壓配電柜的布置也應(yīng)與上述的變電所低壓柜布置方法相同。不僅如此,由于環(huán)控電控室不設(shè)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(jié)合建筑模樣布置為一字型、L 型、[型、環(huán)型及其他滿足規(guī)范要求的形狀,以壓縮占地面積。
3. 2 　照明配電室設(shè)置
照明配電室擔(dān)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(shè)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(shè)電纜井。為了配電合理、管理方便,也為了節(jié)省空間,應(yīng)盡量把電纜井布設(shè)于配電室旁邊,或?qū)崿F(xiàn)半井半屋的布置形式。
在此強調(diào)一點,有些設(shè)計采用組合低壓開關(guān)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(jié)省空間。配電箱則不同,體積小,又可掛墻安裝,能實現(xiàn)根據(jù)配電室的形狀隨意組合掛墻的方案,優(yōu)勢十分明顯。
3. 3 　蓄電池室設(shè)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(shè)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(yīng)擔(dān)負變電所的操作電源。它的設(shè)置最好與變電所相鄰,如建筑場所限制時,可根據(jù)情況適當(dāng)調(diào)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(shè)
地鐵車站中電纜井的設(shè)置在兩處以上。由于電纜井占用豎向空間,它的布設(shè)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(nèi)應(yīng)設(shè)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(shè)電纜;電纜井平面為長條形時,可僅在一面墻上布設(shè)電纜,另一面留出爬行檢修通道。
4 　電力管線及橋架敷設(shè)中節(jié)省空間的方法探討
4. 1 　低壓配電回路的合并
地鐵內(nèi)有效空間十分有限,但低壓供電回路數(shù)量卻相當(dāng)大。例如,標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(huán)控電控室至環(huán)控設(shè)備的配電回路達90 多回。這些數(shù)字足以說明配電回路數(shù)量是何等之大! 因此,在配線時應(yīng)盡量考慮減少線纜數(shù)量,合并回路,使配置的每一根線纜在載流量范圍內(nèi)充分發(fā)揮其價值。
地鐵車站低壓配電采用三相五線制(TN -S) 系統(tǒng),拓撲結(jié)構(gòu)采用樹形和星形相結(jié)合的方式。鑒于減少線纜數(shù)量的考慮,除在設(shè)備末端采用放射式的星形結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。
合并回路的考慮應(yīng)從以下原則著手:
(1) 動力配線和照明配線分設(shè),不能合并;
(2) 不同負荷等級的設(shè)備和照明燈具其配線不應(yīng)合并;
(3) 位置不集中、位于配電盤不同方向的用電設(shè)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(yīng)合并。
除以上幾種情況外,對于同類型、走線方向相同、設(shè)備集中的各用電點應(yīng)盡量合并配線回路,充分發(fā)揮樹干式配線的優(yōu)勢,對節(jié)約空間、節(jié)約投資、減少故障率十分有益。
4. 2 　電纜的合理敷設(shè)
地鐵車站供電系統(tǒng)是由各種不同電壓等級和不同型號規(guī)格的電力電纜、控制電纜聯(lián)系而成的一個網(wǎng)絡(luò)。這些電纜的走向及敷設(shè)除滿足電力規(guī)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(guī)定了高壓電纜在站臺板下和站臺側(cè)邊冒石下沿支架敷設(shè),且車站站臺廁所、自動扶梯占據(jù)了站臺的一側(cè),站臺板下兩側(cè)又設(shè)有通風(fēng)道,因而除降壓變電所的聯(lián)絡(luò)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(jīng)站臺板下走線外,其余站臺所有低壓電線電纜應(yīng)在站臺層結(jié)構(gòu)中板下沿橋架敷設(shè),導(dǎo)線應(yīng)穿PVC 管保護。
在站廳層,由于無地下通道,故明敷的電纜及導(dǎo)線只有沿站廳層結(jié)構(gòu)頂板下設(shè)橋架敷設(shè)。管理用房的配線采用穿管在頂棚內(nèi)、隔墻內(nèi)及地板下暗敷設(shè);設(shè)備用房的配線采用明敷設(shè)即可。
總之,本著節(jié)省空間、使用安全、管理方便的原則,車站內(nèi)的電線電纜從降壓變電所—配電室—設(shè)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(shè)于站臺板下、吊頂內(nèi)、電纜夾層內(nèi)以及電纜豎井內(nèi)。在設(shè)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(qū)、管理用房區(qū)等設(shè)吊頂?shù)牟课?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(jié)構(gòu)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(shè)計手冊編寫組. 建筑電氣設(shè)計手冊. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,1991
2 　施仲衡. 地下鐵道設(shè)計與施工. 西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,1997