城市综合管廊的电气工程设计探讨

施亮

（上海市政交通设计研究院有限公司，上海市200030）

0　引言

城市地下管线综合管廊俗称共同沟，是一种将输电线路、供水排水线路、供气供暖线路纳入其中集中敷设的市政设施。笔者在近几年的设计中有幸设计了河南、湖北、广西、山西等地的多条综合管廊，主持设计的过程中发现现有综合管廊沿用的主流设计方案中管廊的电气设计存在的一些不足与可改进之处，结合后期施工及管理、运营的一些意见，基于规范依据提出一些建议以供参考。

1　供电电源负荷等级

管廊的负荷等级根据《城市综合管廊工程技术规范》（GB 50838—2015）第 7.3.2条规定：该工程综合管廊的消防设备、监控与报警设备、应急照明设备均按二级负荷供电。其他设备可按三级负荷供电[1]。但综合管廊的规定尚未针对不同规模的管廊进行细分，所以设计时为了体现综合管廊项目的特性，满足配电设计的指导性要求，尚需要参考其他设计规范的设计要求来完善设计。

根据《供配电系统设计规范》（GB 50052—2009）中对于负荷等级规定在第3.0.1条中是这样描述的：

（1）符合下列情况之一时，应视为一级负荷：

a.中断供电将造成人身伤害时。

b.中断供电将在经济上造成重大损失时。

c.中断供电将影响重要用电单位的正常工作。

（2）在一级负荷中，当中断供电将造成人员伤亡或重大设备损坏或发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所不允许中断供电的负荷，应视为一级负荷中特别重要的负荷。

（3）符合下列情况之一时，应视为二级负荷：

a.中断供电将在经济上造成较大损失时。

b.中断供电将影响较重要用电单位的正常工作。

（4）不属于一级和二级负荷者应为三级负荷[2]。

而其他诸多行业规范如《民用建筑电气设计规范》（JGJ 16—2008）[3]中对于同一类项目，根据不同规模或者重要性而采用的负荷等级设计均要求不同。

在对综合管廊项目的设计过程中，发现综合管廊的规模和重要性实际上并不统一。如很多地区的一些管廊项目只是政府部门为了验证综合管理的实际使用效果而建设的范例工程，这类项目本身规模较小、仓位较少且入廊管线较少，它们的工程重要性与大长度、多仓位的综合管廊的重要性不在同一层面。参考各类规范中对不同类型建筑、构筑物的规定，比如隧道（主要功能为行车）一般以长度来划分负荷等级；民用建筑（各种民用功能，一般有人活动）一般按照使用人数及项目规模划分，那么制定综合管廊负荷等级时应该考虑到管廊供给电源用户的负荷等级来划分管廊的配电等级要求。特别是综合管廊一般在道路地下或是道路中分带和绿化带的地下，而本身供气、供暖管线和电力管线等的事故也有一定的风险性，所以综合管廊的供电系统（特别是对检测及防灾探测的供电系统）的可靠性对其又是影响非常巨大的——如2011年杭州的110 kV输电电缆事故主要原因就是因为综合继电保护系统的供电发生了故障，对居民生活、人员安全造成了巨大的危害。

所以设计人员设计综合管廊时不能仅考虑管廊工程本身，需要统一考虑沿线引出口供水、供电、供暖、供气的用户的重要性不同。如为一级特别重要负荷的建筑物供电，为重大工程供电的综合管廊，设计应该考虑将此段管廊的用电作为一级负荷甚至一级特别重要负荷的附属设施考虑，以保证其电源和其他设施的安全可靠。另外设计时考虑周边环境的因素，如燃气管线、交叉管线的性质和重要性也是电气设计人员确认负荷等级的因素。

另外参考了一些公建项目的经验及设计规范，结合了多次参加管廊评审时各级领导专家的意见，考虑到积水是会对电气设备和设施本身造成威胁的，城市道路本身就多见积水，现有建设包含如此诸多的综合管线的管廊工程，基于城市安全的考虑应该在排水设施的供电上更有必要的考虑。

设计中，除排水、土建专业本身的防进水措施，如在综合管廊内部在每个防火分区由各自分区内设置的排水泵、加装密封井盖避免大面积漏水等，电气设计相应的设备应该也有可靠的供电保障。但是现有的《城市综合管廊工程技术规范》中并未对排水泵提出明确的设计负荷分级要求，大多数设计人员定为三级负荷，且一般从分配电箱引出电源（第三级配电），特别是电源可靠性一般的地区造成排水泵电源并不够可靠。进水、积水发生后损毁此电源极有可能影响管廊的整体安全，如在广西等地的设计中职能部门已经提出将管廊的排水泵设施规定为二级负荷，这也是合理的设计要求。在大多数多雨、容易产生道路积水或者大面积城市内涝的地区，综合管廊的进水风险是比较大的，而这一部分地区往往也存在管廊上级供电系统不可靠的因素。为了避免积水进而造成更大的事故，在配电室设置一台排水泵双电源切换配电柜放射式配出本配电室配电范围内各防火分区排水泵控制箱，这样就大大提高了排水设施的可靠性。

2　现有管廊的供电电源配置形式

在诸多城市综合管廊设计过程中，管廊的电源配置形式可谓多种多样。主流的设计方案采用沿管廊沿线设置变电所，变电所形式一般采用箱式变电所或地下附建土建变电所，这种形式一般单一变电所配电范围在4～5个防火分区左右（每一分区200 m左右），每个防火分区在通风口或投料口设置配电间配电。也有很多设计单位设计中多点引入低压电源，或者接入路旁路灯既有箱变的取电形式。从不同规模的项目经验来看，沿管廊沿线设置变电所的设计更加合理。

这主要考虑：低压引入电源时，往往因为管廊是沿路修建的长距离工程，而低压电源引入配出范围有限、容量有限，上级箱式变电所或配电箱在管廊沿线进出线位置繁多，不便于管理和统筹规划、设计。如果利用路灯箱变的供电形式,那么上级的电源可靠性又很难保证，如郑州市管理部门要求道路两侧的箱变考虑节能的要求在深夜一般切断电源，这显然就无法保证管廊设施的连续、可靠运行。单独在外引入电源至管廊需设置电缆排管或电缆通道，也会造成二次开挖的问题。而设置变电所为管廊供电可以将管廊内风机、水泵、照明等一并纳入，且节点设计时一并考虑设计没有反复开挖或改造困难的后顾之忧，电源可靠性也较高。

当然管廊平时风机、水泵的运行时间较少，一般仅考虑检修和巡查时的照明灯具负荷，实际变压器负载率较低，运行效率不高。而为了保证管廊的用电可靠性，一般在同一变电所节点设置两台变压器，互为备用，面积较大。部分设计考虑节省投资仅设置一台变压器配出电源至各分区配电间，应急电源由EPS提供备用电源，但管廊内部环境不佳、湿度较大，对EPS维护不便，所以EPS在管廊内部运行寿命及可靠性尚有待时间的验证。另有部分设计为了进一步压缩变电所节点尺寸而将高压系统如环网柜置于地面或干脆省略了高压系统的设计显然也有所缺失。所以设计时应考虑优化配电系统的布置。

3　配电结构的优化以及变电所节点设计的优化

图1为现有常见的采用埋地变设计综合管廊变电所节点设计，设计人员采用了埋地式变压器。从图中我们可以看出虽然埋地变普遍为IP68的防水产品，但是埋地变参数一般本身变压器采用油变，现有的设计为了满足规范中对油浸式变压器设计的要求而设置了油坑，增加了土建投资的成本。

图2为另一种采用普通干式变压器的设计方案，考虑到管廊变电所节点下方一般为电力或者综合仓，地下油坑并没有排出变压器油的措施，在火灾时有烧穿楼板扩大事故的可能性，从而采用了干式变压器，取消了油坑。但是因为高压进线综合保护的要求需要加装高压柜，虽然设计人员一般也可以选用如SF6或其他气体绝缘的小型化设备，但变电所节点还是不可避免地扩大，也造成了土建成本增加，也一定程度上增加了通排风设备的投资。

图1　采用埋地室变压器的变电所的一般设计形式（单位：mm）

另外我们从两种方案的剖面示意图均可观察到管廊配电设备的安装高度实则受到管廊的较大限制，配电设备顶部距离土建完成面过于接近对设备安装人员会造成极大的不便，也带来了进一步的安全隐患。

综合这些情况及其他类型的项目经验考虑了改进设计，建议引入成套地下变电所的设计理念，如图3所示的设计形式。相比原有的设计理念，这种设计可以尽量减少土建节点的投资，安装也较为方便。设备本身比现有的埋地变电所成熟，使用范围也很广——工矿、景观、隧道等大中型项目都常见使用，从使用效果来看均很可靠。

如图4所示，成套变压器自带高压柜，增加了供电系统相对埋地变的可靠性。且通风及其他配套系统也可以根据设计要求统一配置。设计布置在满足国际、国家通行规范的基础上变得更为紧凑，安装一般成套设备吊装即可，大大节省了变电所节点的土建投资。另外为了缓解变压器负载率较低的问题，建议邻近的两处变电所各可以引出通风（一般做消防风机）、水泵、照明等干线至同一区间的配电间，采用放射式配电形式。这样既缓解了变电所负载率低的问题，进一步减小设备投资，也保证了用电的可靠性，并且较少地占用管廊内的自用桥架仓位，从而节省投资、创造经济效益。

4　电缆、电线的选取

城市综合管廊配电结构上现有的设计一般采用树干式配出，设计一般采用刚性密集母线或预分支电缆的形式。刚性母线因其占据空间较大、在管廊内部施工难度较高等原因较少被设计采用。预分支电缆配电类似母线槽配电方式，具有良好的性能，占用空间小、安装方便而被现有的设计广泛使用。缺点是质量故障难以现场修复，该电缆针对特定工程条件加工，不具有互换性，从项目施工及后期管理情况来看越来越多的问题暴露了出来：现有的管廊作为城市总体规划的一部分，一般在土建方面都考虑了与相邻道路的综合管廊接通，逐渐在建设过程中形成闭环的设计理念，分支电缆树干式配出，电缆长度、分支电缆长度必须在设计时确认后方可订货安装，且上一级配电柜内为固定负荷开关。一旦施工完毕，后期无法再增加分支和增加配出线容量，往往只能更改整条配出电缆，替换配电柜的出线舱室，费用多、影响大。显然不利于现在新常态下城市日新月异的建设环境。

图2　采用普通干式变压器的变电所的一般设计形式（单位：mm）

图3　成套变电所布置举例（单位：mm）

图4　成套埋地式变电所示意图

前述除采用了放射式的优化配电形式，直接由低压配电柜配出电缆至各节点分区，考虑到这样的配电形式可以将电缆缆线的线径缩小，且同一变电所供电的防火分区一般在4～5个，故实际投资也未见明显提高，但供电可靠性大大提高，并且对于后期的改造也提供了有利的条件。

5　防火分区配电

《城市综合管廊工程技术规范》第7.3.3.2条规定：综合管廊应以防火分区为配电单元，各配电单元电源进线截面应满足该配电单元内设备同时投入使用时的用电需要[1]。依照规范，应该将各管廊内部各独立舱室作为防火分区配电。但因为规范编制时国内管廊建设工作处于起步阶段，故并未规定分区配电的具体事宜。设计过程中参考《建筑设计防火规范》（GB 50016—2014）中第10.1.7条的规定[4]，将不同的防火分区消防设备配电干线分开，采用专用的配电回路配电。当然也有很多设计仅考虑将两舱或多舱管廊分区的消防电源作为同一电源考虑，或许是这些设计人员认为管廊并非“建筑物”的特性，所以设计时往往并没有按照《建筑设计防火规范》的条文严格执行。但是如果仅保证电源可靠而配电线路不可靠，那么很难保证消防供电在火灾时发挥设计应有的功能，而且消防线路穿越防火分区的设计在火灾发生时有扩大灾害影响面积的隐患，还是应该按照相关规范根据防火分区划分消防配电干线。

6　综合管廊风机的配电及控制

基于城市综合管理的基本功能是敷设各类管线，与建筑物内风机不同，管廊内的风机仅在人员进入巡查和作业时或按照暖通工艺要求时运行。一般工艺间隔配置排风口和送风口，其中送风口风机一般要求火灾发生时立刻关闭，联动关闭风口，故电气设计人员一般仅需将此类风机设计为普通三级负荷。而排风口风机需考虑管廊发生火灾时最不利的工况，将高温烟气排出，一般考虑火灾工况下仍可运行30 min，或根据280℃阀门的动作而联锁关闭。显然这个工况属于消防排烟风机的设计要求，设计人员往往忽略了此类风机应按照常规排烟风机的配电要求设置在最末一级配电设置双电源配电箱。另外火灾发生时火场的温度往往很高，如果安装在管廊内部的消防设备配电箱及控制箱没有防火保护措施，那么箱体温度达到200℃及以上时，箱体内电器元件的外壳就会变形、跳闸，不能保证消防供电。所以设计中对管廊的消防设备配电箱和控制箱应采取防火隔离的措施，将这些设备设置于符合防火要求的配电间内，配电箱内衬岩棉等措施。

另外根据各类综合管廊项目的施工、管理经验，现有的设计中管廊的排风机仍有部分采用了普通风机的配电和控制方式，在火灾发生时关断电源，某些设计将管廊风机本身设计为耐高温风机，即280℃运行仍然可持续运行30 min，且预留备用电源接入口。设计此类风机考虑在火灾发生后携带移动电源（如小型柴油发电机等）进入管廊接入备用电源从而排出烟气。但在火灾的过程中，轰燃发生后，房间内所有可燃物都在猛烈燃烧，放热速度很大，因而管廊内房间温度升高很快，并出现持续性高温，最高温度可达1 000℃以上。且不论此类风机是否可以在1 000℃的高温下保证机器完好无损，火灾发生后积存的大量烟气、热量积存在管廊内部，既有可能发生次生灾害，又需要工作人员等待自然冷却后进入如此危险的环境排出烟气和热量，这显然是不符合实际的。如考虑最不利情况，消防设备无法完全扑灭火灾甚至沿途把火灾蔓延到其他建筑物的部分，室内高温还对建筑构件产生热作用，使建筑构件的承载能力下降，难免造成建筑物局部或整体倒塌的破坏。所以建议设计过程中与暖通设计专业人员及时协调，确认控制要求，将灾害减小到最低程度，共同改进尚不完善的设计内容，保证管廊的安全运行。

7　管廊的接地

管廊的接地系统在规范规定中较为详细，考虑到管廊内一般设变电所及其信息化的建设要求等因素，根据《工业与民用配电设计手册》[5]及《建筑物电气装置600问》[6]等手册及著作的相关内容，低压接地系统一般采用TN-S系统。除利用管廊本体钢筋作为联合接地系统以外，《城市综合管廊工程技术规范》中规定管廊内部接地网宜采用-40 mm×5 mm的热镀锌扁钢，考虑到在伸缩缝处尚应补充说明将热镀锌扁钢带改为软铜编织带的连接或按照为了保证电气通路，以国标图集14D504[7]中的连接方法为宜，并在过分区防火门处改为暗敷。根据诸多实施项目现场反映的情况来看，经常发现综合管廊节点处管线及设备无处接地的情况，所以建议设计中在变电所节点处增设M EB总等电位端子箱作为管线接地用，投料口和通风口、引出口也应增设LEB局部等电位端子箱。

8　结语

（1）负荷等级建议根据管廊规模及用户重要程度、地区情况划分，并且满足规范要求负荷等级规定。排水泵考虑到管廊的运行安全建议设置为二级负荷。

（2）在可靠性不能保证的情况下，电源不建议利用低压电源分点引入的形式，而采用设置专用变电所的形式。

（3）考虑到管廊建设规模的逐渐扩大、要求的逐渐增多，建议还是采用放射式配电形式，并且对排水泵等防灾设备应保证供电的可靠性和灵活性。

（4）改进现有的变电所设计形式，节省投资。

（5）考虑到管廊设备的安全运行，严格按照防火分区的划分来区分消防设备的配电干线，不跨越防火分区。

（6）消防风机采用末端双切的配电及控制形式，且严格按照相关规范的设计控制要求控制。选用耐高温风机却依照普通风机配电存在诸多隐患，预留电源接口可能无法使用，无法排除灾害，应该与相关专业协调改进。

（7）管廊的接地采用TN-S系统，考虑到综合管廊工程长度较长，有诸多伸缩缝，除去规范规定需要设计的扁钢带以外，在伸缩缝连接处应考虑改为铜编织带连接保证电气连通。在各节点设置等电位端子箱便于满足施工时的设备、管线接地需求。

本文是笔者个人在设计及主持设计的过程中的经验与现场实际反映的问题总结，供广大专家、设计同仁参考。

山东济泰高速全面开建

济泰高速近期全面开工建设，预计2020年6月通车，届时济南到泰安开车仅需要半个小时。这是济南“三环十二射”路网中的第十条射线。

济泰高速起点位于济南市绕城高速公路与二环东路南延交叉处，也就是市中区兴隆街道涝坡村，终点位于泰安市徂徕镇东北部，全线长55.9 km。早在2016年12月底，泰安段已开工。

济泰高速济南段目前已经进入了全线施工阶段。由于济泰高速位于南部山区与泰山余脉之中，工程施工难度大。济泰高速工程桥隧比高达70%，要新建隧道5座（涝坡隧道、海螺峪隧道、小佛寺隧道、柳埠隧道、长城岭隧道）、互通立交3处（涝坡互通、锦绣川互通、柳埠互通）、桥梁13座。

济泰高速公路设计行车速度120 km/h，采用双向6车道高速公路标准建设，路基宽度34.50 m。建设期42个月，计划2020年6月份建成通车。

济泰高速通车后，首先能够缩短济南到泰安之间的开车时间。济泰高速全长55.9 km，限速120 km/h，理论上28 min就能跑完全程。

目前济南到泰安主要有3条通道，东面一条是京沪高速（又叫济莱高速、济青高速南线），西面为国道104和京台高速（又叫京福高速）。济泰高速建成后，无疑将为济南泰安之间再添一条主干道。与现有的交通干道相比，济泰高速在路程、时间上的优势对泰安经济的发展更有带动作用。

济泰高速通过济南南部山区的仲宫、柳埠以及西营，沿途有锦绣川、红叶谷等风景区，在泰安市境内途经泰山景区、徂徕山汶河景区，一路绿色，可算得上是省内最具“颜值”的高速公路。