城市地下空间供配电设计初探

郑新阳

中交第四航务工程勘察设计院有限公司　广东广州　510230

摘　要：通过分析广州某地下空间的需求，提出供配电设计方案，包括电力负荷等级划分、电源、变电所及柴油发电机房设置、中压配电系统、低压配电系统等。

关键词：城市地下空间；供配电；设计方案

Discussion on the Power Supply and Distribution Design of Urban Underground Space in City

ZHENG Xinyang

(CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd. Guangzhou 510230 ,China)

Abstract: In according of the electrical demands for an urban underground space in Guangzhou city, the power supply and distribution design scheme,which include the grading of power load ,power source ,the allocations of the substations and the own diesel generator rooms，MV distribution system, LVdistribution system, etc., is introduced in this paper.

Key Words: Urban Underground Space; Power Supply and Distribution; Design Scheme

中图分类号：TM421 文献标识码：A

前言：

工程设计必须面向具体项目，不同的需求有相对应的设计方案。随着社会的进步和科技的发展，城市地下空间的开发利用的技术越来越复杂，机电设备也不例外，特别在防灾方面，对供配电的安全性、可靠性提出较高要求，本文以广州某地下空间为例，对城市地下空间的供配电系统的设计进行初步探讨。

1　项目简介

地下空间工程项目（以下简称：本项目）位于广州市，是一涵盖各种交通接口的多种用途的地下公共建筑工程项目。本项目为地下民用建筑，地下共三层，建筑面积约27 万平方米，长度最大处1200m，宽度最大处120 米，周边呈现不规则折线。地面上为绿化广场、城市道路、人行天桥、防洪渠。地下功能主要为换乘交通通道、交通配套设施、公共服务设施、集中供冷设施、文化设施、停车库、人防工程等。其中集中供冷设施是为本项目周边的建筑提供冷源，拟采用冰蓄冷技术，初步预留满足54000kW 冷量的设备空间。

2　电力负荷等级

电力负荷分级的意义在于正确地反映它对供电可靠性要求的界限，以便根据负荷等级采取相应的供电方式，提高投资的经济效益和社会效益。《供配电系统设计规范》3.0.1条款中对电力负荷的划分给出原则性规定。在《建筑设计防火规范》、《民用建筑电气设计规范》、《人民防空工程设计防火规范》、《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》、《城市地下空间开发利用规划与设计技术规程》中对于电力负荷等级的划分也基本遵循上述规定，这些规范中也给出比较详细或明确的规定。综合考虑，对本项目的电力负荷划分表2-1。考虑到本项目的作为地下人行和车行的交通重要通道的因素，为避免在照明断电后引起的公众的恐慌，造成秩序的混乱，公共场所的照明，公共照明的供电系统应采取必要的措施，保证在事故时具备正常照度，其电源的转换时间应提高标准。如果将火灾自动报警系统、安防系统、计算机系统用电列入一级负荷中的特别重要负荷，提高负荷等级，这将增加工程的造价。

3　电源

《供配电系统设计规范》第3.0.2 款规定一级负荷的供电要求“一级负荷应由双重电源供电，当一电源发生故障时，另一电源不应同时受到损坏”；目前，城市的电力网中，很难有完全独立的两路市电提供给一级负荷，通常把不同区域变电站（110kV 或35kV）或同一区域变电站的不同10kV 母线引出的两条10kV 馈线看作两路独立电源。

然而，在电力部门的《供电营业规则》第十一条规定中可以了解到，供电部门的高可靠性电源（备用、保安电源）也可能出现中断电源的情况，因此，一级负荷除了两路市电外，将表2-1　电力负荷分级表序号负荷分级用电设备1 一级应急照明、疏散指示标志灯、导向标志照明（事故时仍需点亮）、公共照明（事故时仍需点亮）、消防水泵、消防与平时合用风机、消防风机及风阀、事故风机及风阀、排水泵、排污泵、气体灭火设备、所用电、消防设备房用电、通信系统、安防系统、环境及设备监控系统、防灾报警系统、电机械停车设备、救助中心、其它事故仍需工作的用电设备。

2 二级

设备区照明、管理区照明、导向标志照明、污水泵、电梯和扶梯（消防时无需运行）、各类弱电机房照明和空调、生活水泵、维修电源、其它为一级负荷服务的用电设施。

3 三级

一般照明、景观照明、广告照明、一般空调系统、集中供冷系统、清洁工具、一般服务设施、其它与事故无关（可以断电）的用电设备。

采用备用柴油发电机组作为备用电源，保证供电的可靠性。备用柴油发电机组的容量，除了保证一级负荷外，在投资变化不大的情况下，同时考虑对二级负荷进行供电，进一步项目满足功能需求。

在双重电源供电的系统中，必须考虑双重电源的切换时间和维持设备正常运行允许切换时间。根据用电设备的性质、用途和有关规定，第二电源投入时间有不同的要求，应急照明的投入时间在1.5s~5s 之间，电子计算机设备供电电源的转换时间为0~4ms，市电及自备发电机电源不能满足这种要求，必须使用UPS、蓄电池（或干电池）或其它专用的电源装置作为补充，来满足双电源切换时设备连续运行的使用要求，这些电源装置通常有EPS，UPS，直流备用电源等。

本项目考虑采用UPS 来保证计算机系统、安防系统、设备监控系统的安全、可靠运行；采用EPS 电源来满足集中供电的消防用电设备的连续工作，如应急照明、疏散指示标志灯、公共照明（事故仍需工作）、指示灯箱等；采用干电池作为消防主机的备用电源、应急照明及疏散指示标志灯的内置备用电源。UPS 的持续供电时间，由于有备用柴油发电机组，在满足电源切换所需的时间同时留一定的余地，通常选用0.5h。由于本项目内设置了集中冷站，故不考虑空调冷源部分的用电负荷，预估总负荷为10800kW；一级负荷按30% 计，为3240kW；二级负荷按20% 计，为2160kW。通过调查本项目所在区域的电源现状和电力规划的情况，附近有3 个规划的110kV 区域变电站，可以提供多路10kV 电源。集中冷站负荷较大，可采用引入多路10kV 市电直接引入的方案，其它变电所由市电引入两路10kV 市电，经分配后，可满足一级负荷对电源的要求。

目前，在建筑工程中大都采用高速柴油发电机组作为自备电源，发电机组输出电压等级较多采用低压400V，少量采用10kV；多台机组时按变电所分布布置，或集中布置方式；机组的冷却方式基本采用风冷方式。如果采用低压400V输出机组，由于需要备用柴油发电机组供电的用电设备分布较广，每个变电所都需要设置发电机组，发电机组利用率会较低、总容量会较大，而且机房占据的总空间较大，环保处理的代价较高，低压结线比较复杂，建成后运行和维护也比较麻烦。在本项目中，采用低压10kV 输出机组，备用柴油发电机房可与集中冷站专用的变电所比邻设置，可以最大限度优化建筑空间的使用功能，节省设备用房的面积，同时方便管理，有利于防灾，环保工程集中处理较好；但是10kV 配电系统比较复杂、10kV 电缆用量稍多、机组的价格较高。集中或分散，从技术方面来讲，可靠性、安全性没有特别明显的区别，从使用、管理方面来讲，集中布置的方案对供电系统的可靠性、安全性将有明显的优点。

综合考虑，备用柴油发电机组集中设置，输出电压采用交流10kV，低压配电系统简单，可保证电源的质量，提高可靠性，综合效益较高。

4　供配电系统

本项目建筑占地范围较大，在考虑了负荷分布、低压供电半径、防涝防灾、建筑空间使用功能等方面因素后，在负2 层设置3 个变电所，在集中冷站设备区设1 个集中冷站专用的变电所。备用柴油发电机房与集中冷站专用的变电所比邻设置。开闭所的布置需要进一步与供电部门沟通落实，比较好的方案是设置2 个开闭所，并靠近市电电缆进线位置，其中1个开闭所的邻近集中冷站。在建筑平面上需要设置若干配电间，满足分区控制的需要，配电间上下位置对齐，同时在配电间内设置电缆垂直通道（电缆竖井）。

按照上述负荷预测和电源的情况，结合规范对一级负荷供电要求，每个变电所设置2 台变压器，采用2 路10kV 市电进线，市政10kV 电源向每个变电所分别提供2 路10kV 电源，在10kV配电中心，系统采用单母线结线，独立运行方式，两路电源分别接至不同的母线段，正常情况下母联开关断开，两路电源同时供电，当其中一路电源故障时，通过母联开关手动/ 自动闭合，由另一路高压电源向全部负荷供电。所有高压配出线回路均采用放射式供电方式。其结线见图4-1。图4-1　10kV市电配电系统备用柴油发电机组采用集中设置，考虑分段并列，以提高其可靠性。如采用多台并列运行，可减少总安装容量。出线电压采用10kV，为每个变电所提供2 路备用电源，其结线见图4-2。目前10kV 输出电压水平的单台民用柴油发电机组容量可达2500kVA，具体机组的数量和单台容量需要根据具体的用电设备参数和使用的要求来确定。机组的选型必须考虑可单台机组低负荷（20%~30%）安全运行，机组的自启动的信号来自2个10kV 进线总开关或其两段母线，只有在2 路市电电源均失电时，才执行自启动程序。图4-2　发电机分段并列考虑到日常操作以低压为主，且备用发电机组采用集中和中压供电方式，及本文有别于常规做法，两台变压器的10kV 供电母线在变电所内是独立的，在中压配电系统中加强变电站自动化的可靠性、安全性措施和自动化程度来满足日益复杂的供配电系统。变电所的10kV 配电采用图4-3 结线，每台变压器的进线均采用2 路10kV 电源，1 路来自市电，1 路来自发电机组，两路电源自动切换。建筑内的低压配电的接地保护采用TN-S 系统，低压配电采用三相五线220V/380V 系统。变电所变压器低压侧采用单母线分段，正常时分列运行，某一变压器失电时，由另一母排通过母联开关供电，变压器的出线开关与母联开关设置电气连锁功能，每台变压器的容量均能保证100% 该变电所供电范围内的一、二级负荷的正常运行需求，见图4-4。

图4-4　各变电所配电系统

三级负荷的馈线开关设置失电脱扣装置及电操机构，电源恢复后，可远程恢复供电，方便实现自动化管理。一、二级负荷采用放射供电方式，三级负荷采用混合供电方式，在满足供电可靠性、安全性的情况下，降低工程造价。消防负荷及其它一、二级负荷设置双电源供电回路，在供电末端设置EATS 或ATS 装置，满足高可靠性要求。对于非常重要的计算机系统，断电引起的损失远大于设备投入时，采用双UPS 电源供电。对于复杂的供配电系统，人工的监控、操作已经不适应现代化大型建筑的各种功能及供配电系统管理的需求。实现电站的无人化，通过计算机系统和自动化装置进行各种运行作业，提高运行和管理水平，在项目设计中必须给予充分考虑。本项目属于地下建筑，为减少、消除火灾时电线电缆受热发出大量有毒烟气，同时消防及一级负荷的供电导线应具有较强的抗冲击能力，又能在高温下可靠地运行，因此，本项目的导线的选择按以下原则：

（1）消防负荷的低压配电系统干线，由10kV 配电室和发电机房引出的中压馈线电缆采用矿物绝缘电缆。

（2）一级负荷（非消防负荷）的低压配电系统采用无烟、无卤、阻燃、耐火类型的无铠装电力电缆；

（3）二、三级负荷的低压配电系统采用无烟、无卤、阻燃类型的无铠装导线；

（4）采用低毒特性的电力电缆。

一级负荷（含消防负荷）的两回供电线路，为提高可靠性，其路由应相距较远。如，一路走地下一层，另一路走地下二层或走地面管沟。

5　节能和环保

环保和节能是当今电气设计必须考虑的环节，主要遵循以下原则：

（1）变电所靠近负荷中心。合理选择电缆截面，减少正常运行时的线路损耗，降低配电系统自身的能耗。

（2）采用节能产品。变配电系统设备采用节能、高效型技术参数，实现变配电系统的经济运行；空调器、水泵等采用节能型电动机，提高电动机的能效。

（3）采用合适的经济运行方式。低压配电系统采用单母线分段运行方式，系统接线适应负荷变化时，灵活投切变压器。（4）动态无功补偿。在低压配电系统设功率因数自动补偿装置，补偿后的功率因数大于0.95，减少无功损耗。

（5）对于动态变化频繁的负荷，采用变频器控制，根据负荷大小实时调节电能供应。

此外，按广州市绿色建筑设计指南的要求，冷热源、输配电系统、照明需要分项独立计量，新建的超过5 万m2的公共建筑，有条件时与城市能耗统计数据检测中心联网，供配电系统的设计应满足在电能管理设计方面，预留必要的信息和通信接口。

6　结语

地下空间的供配电设计涉及内容多，本文未能全面详述，不足之处请同行们批评指正。

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