鄭新陽，孔凡廠

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

低壓配電系統(tǒng)與終端用戶相連，直接反映用戶的需求，低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)在民用建筑中極為普遍，但港珠澳大橋外海橋隧轉(zhuǎn)換人工島項(xiàng)目（以下簡稱本項(xiàng)目）具有特殊地理位置和環(huán)境，獨(dú)有的建筑空間，集多種功能為一體，以及與島上建筑清水混凝土相結(jié)合的美觀要求，國內(nèi)還沒有類似的設(shè)計(jì)，國外可參考的經(jīng)驗(yàn)也極少。本文從分析設(shè)計(jì)目標(biāo)及設(shè)計(jì)對象入手，對低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的負(fù)荷等級、供電電源、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式、管線空間、設(shè)備選擇和安裝、節(jié)能與環(huán)保等主要設(shè)計(jì)內(nèi)容采取技術(shù)措施，滿足用戶需求，提高工程品質(zhì)。

1 項(xiàng)目概況

港珠澳大橋外海橋隧轉(zhuǎn)換人工島分為東人工島（以下簡稱東島）、西人工島（以下簡稱西島）長均為625 m，其中東島最寬處228 m，西島最寬處190.7 m。兩島島上均設(shè)有1座主體建筑，周邊各設(shè)有4座越浪泵房，還有雨水泵房及值班崗?fù)さ?，西島設(shè)有獨(dú)立的消防泵房。

東島主體建筑為地上4層，主要以辦公、旅游觀光、展覽為主。地上建筑面積為26 677.92 m2，地下建筑面積為14 456.86 m2，建筑高度為23.6 m。

西島主體建筑地上3層，主要以營運(yùn)、監(jiān)控、辦公、救援養(yǎng)護(hù)配套用房和設(shè)備用房為主。地上建筑面積為18 997.41 m2，地下建筑面積為13 125.4 m2，建筑高度為20.2 m。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)及對象分析

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

港珠澳大橋主體工程是一個極為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，外海橋隧轉(zhuǎn)換人工島上的各附屬設(shè)施，均為大橋主體工程服務(wù)，有營運(yùn)、維保、管理、觀光旅游等功能。島上建筑具有獨(dú)特的清水混凝土建筑風(fēng)格，被定位為地標(biāo)性建筑。

首先，作為橋隧轉(zhuǎn)換的人工島及島上的附屬設(shè)施必須滿足大橋交通功能的要求，低壓配電系統(tǒng)的安全性、可靠性、功能性必須滿足這個最基本、最主要的需求。

其次，大橋120 a使用年限的設(shè)計(jì)目標(biāo)和特殊的地理環(huán)境要求電氣設(shè)備耐高熱、高濕、高腐蝕，并具有長壽命，不可替換的設(shè)施必須達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限的要求。

第三，島上建筑的獨(dú)特造型及清水混凝土結(jié)構(gòu)，要求電氣管線設(shè)備的預(yù)埋準(zhǔn)確到位，要協(xié)調(diào)美觀、功能和經(jīng)濟(jì)的關(guān)系，在滿足功能的條件下，以最經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)美觀要求，實(shí)現(xiàn)地標(biāo)性建筑設(shè)計(jì)目標(biāo)。

低壓配電系統(tǒng)直接影響到終端用戶的方方面面，對設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

在滿足安全和功能的條件下，要做到美觀和經(jīng)濟(jì)相結(jié)合，技術(shù)與藝術(shù)相統(tǒng)一，并結(jié)合環(huán)境特點(diǎn)和施工特點(diǎn)，保證施工的可實(shí)施性以及實(shí)施的效果。

2.2 設(shè)計(jì)對象分析

為保證橋隧轉(zhuǎn)換、海底隧道的行車安全，通信與信號、監(jiān)控、消防、供電、供水等各種設(shè)施布置在人工島上有限的建筑空間內(nèi)，建筑內(nèi)的設(shè)備、管道、線纜密集交錯，任何部位出現(xiàn)問題將聯(lián)動影響到一系列設(shè)施的安全及橋梁隧道的正常營運(yùn)。設(shè)計(jì)前必須深入了解各種管線、設(shè)備的布置及其安全要求，了解建筑空間、結(jié)構(gòu)形式對電氣設(shè)計(jì)的制約條件，了解各用電設(shè)施的用電需求。

1）主體建筑功能及空間分布

主體建筑均設(shè)于隧道空箱結(jié)構(gòu)上，隧道兩側(cè)為建筑的兩層地下室。建筑中間為隧道的排風(fēng)排煙設(shè)施，其它功能空間分布在其四周，形成特殊的、復(fù)雜的內(nèi)部建筑空間。主體建筑的功能空間包括各種設(shè)備房、電纜夾層、網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、安防及消防控制室、辦公區(qū)、宿舍區(qū)、商業(yè)區(qū)、廚房及餐廳、消防隊(duì)、監(jiān)控大廳、模型館、風(fēng)帽、雷達(dá)塔等。

兩島主體建筑地下兩層主要是設(shè)備用房和車庫，分布在隧道的兩側(cè)。西島的1～3層及東島的首層為辦公、廚房、餐廳及宿舍，東島的2～3層為商業(yè)空間（預(yù)留），第4層是模型館。風(fēng)帽分為3層，底部為設(shè)備間，中間層為隧道風(fēng)道口，上層為夾層。

2）低壓供電的主要設(shè)備

供電末端的設(shè)備主要包括暖通空調(diào)設(shè)備、給排水設(shè)備、環(huán)保設(shè)備、消防設(shè)備、建筑智能化設(shè)備、電梯、雷達(dá)設(shè)備、夜景照明設(shè)備、廣場照明設(shè)備、辦公照明設(shè)備、廚房設(shè)備等。

另外，還有非常規(guī)功能設(shè)備。如為保證35 kV變電所正常工作，除設(shè)置24 h中央空調(diào)系統(tǒng)外，還增設(shè)VRV空調(diào)備用系統(tǒng)；島上專有的污水處理站、雷達(dá)站；非常規(guī)的高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)等；覆蓋了島上的擋浪墻、減光罩、各層外廊、屋面風(fēng)塔、大臺階（東島）、室外廣場等位置的夜景照明設(shè)備。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 負(fù)荷等級及供電電源

1）負(fù)荷等級

準(zhǔn)確劃分用電設(shè)備的負(fù)荷等級[1]，可在滿足安全性和可靠性的前提下，有更好的經(jīng)濟(jì)性。綜合考慮本項(xiàng)目的特殊性和各用電設(shè)施的重要性，電力負(fù)荷劃分見表1。

表1 電力負(fù)荷分級表Table 1 Power load grading table

2）供電電源

島上的正常供電為35 kV市電，東、西島均設(shè)1座35 kV專用變電站，1座2臺10/0.4 kV變壓器的房建變電所，每座越浪泵房及雨水泵房各設(shè)專用變電所?？紤]越浪泵房、隧道內(nèi)部分設(shè)施采用10 kV供電，設(shè)1臺自啟動柴油發(fā)電機(jī)組（10 kV）作為備用電源，保證市電斷電時島上和隧道的重要設(shè)施的供電要求。變電所低壓側(cè)采用單母線分段主接線形式，兩段母線之間設(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān)。

首層房建網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)控機(jī)房、橋隧設(shè)備監(jiān)控大廳等設(shè)備用電均配備不間斷電源UPS，保證重要負(fù)荷供電。消防應(yīng)急照明燈和疏散指示標(biāo)志燈采用蓄電池作備用電源，地面疏散指示標(biāo)志燈采用集中DC24電源，火災(zāi)自動報警控制器采用UPS作備用電源。

3.2 低壓配電結(jié)構(gòu)形式及動力控制

3.2.1 設(shè)計(jì)思路

合理的配電系統(tǒng)必須滿足安全和用電需求，可靠性和電能質(zhì)量高[1]，通過全面分析確定以下設(shè)計(jì)思路：

1）合理減少配電級數(shù)，簡化接線；

2）消防及重要的設(shè)備采用放射供電方式，由低壓配電柜直接配線至末端；

3）一般動力及照明采用分片區(qū)供電，分區(qū)與建筑的防火分區(qū)一致；

4）辦公室、活動室、廚房餐廳、宿舍、監(jiān)控室等功能場所末端設(shè)置照明配電箱，設(shè)備區(qū)域集中設(shè)置配電箱。

3.2.2 低壓配電回路

基于用電需求、變電所位置、負(fù)荷性質(zhì)及空間分布和建筑空間路由分析，按不同的負(fù)荷和建筑防火分區(qū)分別設(shè)置供電干線和配電箱。通過分析負(fù)荷性質(zhì)及特點(diǎn)，對不同類型的負(fù)荷在低壓配電系統(tǒng)回路的配置上采取了不同的技術(shù)措施。

1）消防設(shè)施采用專用回路[2]，末端雙電源自動轉(zhuǎn)換。較大消防動力負(fù)荷配電回路，由變電所低壓配電柜直接饋線至末端配電箱（柜），雙回路末端自動轉(zhuǎn)換，如消防水泵房、高壓細(xì)水霧滅火裝置等。

2）采用分片區(qū)雙回路，末端雙電源自動轉(zhuǎn)換。同一防火分區(qū)負(fù)荷小但集中布置的消防負(fù)荷，由變電所低壓配電柜饋線至區(qū)域主、備總配電箱，再由區(qū)域總箱雙回路至末端配電箱，如應(yīng)急照明和部分區(qū)域的消防風(fēng)機(jī)、屋面穩(wěn)壓泵及消防風(fēng)機(jī)。

3）減少低壓配電柜的出線回路，在滿足規(guī)范[3]要求的熱穩(wěn)定的情況下，可以縮小配電回路的導(dǎo)體截面，減少線路的投資，其可靠性滿足重要配電回路不大于三級的要求。

4）干式布線和放射布線相結(jié)合。隧道風(fēng)機(jī)房及風(fēng)帽的維修動力、普通通風(fēng)用電負(fù)荷采用干式布線方式，并在分支處設(shè)置短路和過載保護(hù)，配置消防切非功能裝置。

5）重要的非消防配電采用雙回路末端自動轉(zhuǎn)換，如網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、監(jiān)控機(jī)房、地下排水設(shè)施的供電回路。

3.2.3 低壓配電保護(hù)

低壓配電系統(tǒng)設(shè)置了短路保護(hù)、過載保護(hù)、接地故障保護(hù)、間接和直接電擊保護(hù)、電氣火災(zāi)保護(hù)等[3]。

短路、過載保護(hù)均采用斷路器，斷路器的參數(shù)選擇滿足級間配合要求、短路分?jǐn)嗄芰σ蟆⒔拥毓收锨袛嚯娐芬?，采用剩余電流保護(hù)裝置防止間接及直接電擊，兼做接地故障保護(hù)措施；消防動力配電回路的保護(hù)采用單磁保護(hù)，末端消防水泵、消防風(fēng)機(jī)的過載保護(hù)只動作于信號。設(shè)置電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)作為電氣火災(zāi)保護(hù)措施，為確保供電的連續(xù)性，電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)只報警，不自動切斷供電。

3.2.4 動力控制重點(diǎn)措施

1）30 kW及以下的電動機(jī)一般采用直接啟動方式啟動，30 kW以上電動機(jī)一般采用軟啟動或星三角啟動裝置，其中消防用30 kW以上電動機(jī)采用星三角啟動裝置；

2）消防泵、噴淋泵、高壓細(xì)水霧除現(xiàn)場手動控制外，還可通過流量開關(guān)、濕式報警閥壓力開關(guān)直接控制或消防中心聯(lián)動柜手/自動控制；

3）消防防排煙風(fēng)機(jī)除現(xiàn)場手動控制外，還可通過280°C防火閥直接控制或消防中心聯(lián)動柜手/自動控制；

4）消防專用設(shè)備、消防水泵、防煙排煙風(fēng)機(jī)等消防用設(shè)備不設(shè)過負(fù)荷保護(hù)；

5）空調(diào)冷水機(jī)組、水泵類、普通排送風(fēng)機(jī)及空調(diào)風(fēng)機(jī)（柜）除現(xiàn)場手動控制外，還可由BA控制室集中監(jiān)控（BAS）；

6）生活水泵、潛污泵除現(xiàn)場手動控制外，還可通過液位自動控制或由BA控制室集中監(jiān)控（BAS）；

7）電梯等機(jī)電一體化設(shè)備自帶控制設(shè)備，通過通訊總線接入BAS。

3.3 配電間、電氣豎井和水平電纜橋架

配電間是低壓供電系統(tǒng)的重要節(jié)點(diǎn)，電氣豎井是線路的垂直通道，水平電纜橋架是線纜連接各配電間及末端配電設(shè)施的路由設(shè)施，以上3項(xiàng)的布置原則：

1）大橋及隧道專用設(shè)備配電間與房建設(shè)備配電間分開；

2）電氣豎井上下對齊垂直布置，配電間及電氣豎井靠近各區(qū)域負(fù)荷中心；

3）各配電間供電區(qū)域清晰、功能明確、管理方便；

4）水平電纜橋架設(shè)于各個樓層的主要走道上方。

根據(jù)主體建筑的空間特點(diǎn)及負(fù)荷分布，在主體建筑設(shè)置了3個電氣豎井，在這3個電氣豎井位置每層均設(shè)置1個配電間。水平電纜橋架在建筑內(nèi)地上各層組成“田”字形結(jié)構(gòu)，水平中線3個交點(diǎn)是電氣豎井位置；在負(fù)一層組成橫“出”字形結(jié)構(gòu)，中間2個交點(diǎn)是電氣豎井位置；在負(fù)二層組成“三”字形結(jié)構(gòu)，其中中間一橫是隧道中管廊，上、下一橫為設(shè)備區(qū)走道，三橫線之間是隧道內(nèi)2條行車通道。

消防泵房、雨水泵房、污水處理站等設(shè)備房配電設(shè)備就地安裝，空調(diào)機(jī)房設(shè)置專用的配電控制室外，其它各層的配電箱/柜集中安裝在低壓配電房或各層配電間內(nèi)。

由于島上廚房不采用天然氣、管道煤氣等能源，故廚房的用電設(shè)備較多，根據(jù)建筑空間布局和美觀要求，東島設(shè)置了專用配電間，便于廚房及餐廳配電及控制設(shè)備集中安裝。

3.4 導(dǎo)線的選擇及敷設(shè)

3.4.1 導(dǎo)線選用

本項(xiàng)目對電纜的安全性尤其是阻燃、煙毒、耐火等方面的要求很高，規(guī)范[2]明確規(guī)定了“消防配電線路應(yīng)采用礦物絕緣類不燃性電纜”。

目前國內(nèi)生產(chǎn)的礦物絕緣類不燃性電纜主要有 BTTZ、RTTZ（YTTW）、BTLY（NG-A）、BBTRZ、RTXMY。通過比較各類防火電纜的絕緣性能、接頭、柔軟性（彎曲半徑）、生產(chǎn)最大截面、任意長度、價格等數(shù)據(jù)，在后期的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，消防配電主干線路采用隔離型（柔性）礦物絕緣電纜，其它消防電線電纜采用低煙無鹵、阻燃B類耐火電力電纜或電線，非消防回路采用低煙無鹵、阻燃B類電力電纜或電線。

3.4.2 導(dǎo)線敷設(shè)

主體建筑地下兩層的結(jié)構(gòu)與隧道結(jié)構(gòu)是合為一體的，主體結(jié)構(gòu)使用年限為120 a，室內(nèi)配電線路敷設(shè)方式按以下原則[4]：

1）干線全部采用橋架或支架敷設(shè)，大截面的防火電纜采用支架敷設(shè)；

2）地面非主體結(jié)構(gòu)墻體末端配電采用穿管暗敷，如辦公室、宿舍；

3）普通動力照明主干共橋架，消防供電線路獨(dú)立橋架；

4）其它輔助建筑（設(shè)備房）的室內(nèi)配電線路均采用線槽、橋架明敷。

5）室內(nèi)導(dǎo)線敷設(shè)設(shè)計(jì)時需要考慮：線路暗敷與清水混凝土美觀要求配合，管道預(yù)埋的準(zhǔn)確定位；減少線路中間接頭，管和槽內(nèi)不能有接頭；不同用途、不同電壓等級的導(dǎo)線不能共管、共槽、共橋架；雙回路電源敷設(shè)路由應(yīng)滿足安全性要求；線纜填充率取常規(guī)的1/2，電纜轉(zhuǎn)彎半徑取常規(guī)的兩倍，防火電纜截面大于普通電纜；建筑的特殊空間，考慮不同位置的橋架的安裝高度及間距；必須考慮抗震及防火封堵、防水密封等等。

除了設(shè)置綜合溝、電纜溝以外，室外配電線路部分采用電纜橋架或埋管敷設(shè)的，為保證耐用和美觀，采取以下措施：

1）室外明敷的電纜橋架全部采用加厚不銹鋼板及表面烤白漆工藝，如擋浪墻至越浪泵房線路、擋浪墻上和減光罩上夜景燈光的線路等；

2）耐久性埋管采用加厚不銹鋼管，如道路下埋管、電纜溝/井至建筑物的埋管；

3）為降低造價，后期容易開挖的部位采用重型UPVC管，如廣場位置地下電力管道。

3.5 配電設(shè)備的選擇及安裝

3.5.1 壽命周期及耐久性

因?yàn)楹u建筑特殊的地理環(huán)境，對于電氣設(shè)備材料的選擇有別于一般的陸地環(huán)境，必須耐高鹽環(huán)境，采用濕熱型[5]；遵循“各部件同壽命”的原則，電纜橋架、線槽及其支架不低于電纜電線的壽命，在線纜壽命周期內(nèi)，均能滿足承載、保護(hù)的功能。

考慮項(xiàng)目的可靠性、耐久性要求和建筑施工特點(diǎn)，接地主干采用銅排預(yù)埋在混凝土中，與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)鋼筋焊接連接并與室外主干網(wǎng)連接，構(gòu)成可靠的接地網(wǎng)；接閃帶采用暗敷，滿足防雷安全性及建筑物美觀性要求，同時增加使用年限。

3.5.2 用戶體驗(yàn)及美觀性

對于清水混凝土結(jié)構(gòu)的建筑風(fēng)格，裝飾觀感設(shè)計(jì)要求嚴(yán)苛。要從整體的觀感著眼，從用戶的體驗(yàn)入手，在滿足安全、可靠及功能條件下，設(shè)備及管線的定位和外形等必須與裝飾整體協(xié)調(diào)、并做到美觀和實(shí)用。故設(shè)計(jì)必須做到精細(xì)化、差異化，主要采取以下措施：

1）采取嚴(yán)謹(jǐn)、極簡、整齊的工業(yè)風(fēng)格；

2）有合理工法，具備實(shí)現(xiàn)精細(xì)工藝的條件；

3）主要空間的清水混凝土以及其裝飾垂直面上不允許布設(shè)設(shè)備及管線；

4）安裝在清水混凝土天花板的設(shè)備必須準(zhǔn)確定位，其預(yù)埋件在混凝土澆筑時一次成形；

5）高大空間設(shè)備采用綜合支吊架安裝；

6）采用BIM技術(shù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)所見即所得；

7）設(shè)備區(qū)域外的配電設(shè)備采用表面烤白漆工藝。

3.6 電氣節(jié)能及環(huán)保措施

1）供配電節(jié)能：采用合理的功率因數(shù)補(bǔ)償及諧波抑制方式，減少諧波污染，并降低自身損耗。無功功率因數(shù)的補(bǔ)償采用集中補(bǔ)償和分散就地補(bǔ)償相結(jié)合的方式，變電所低壓側(cè)設(shè)集中動態(tài)補(bǔ)償方式，補(bǔ)償后功率因數(shù)不小于0.9。單相負(fù)荷盡可能均勻平衡到三相負(fù)荷中，以減少電壓損失。在滿足國家規(guī)范及供電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，選用高性能變壓器及相關(guān)配電設(shè)備，選用高品質(zhì)銅芯無鹵低煙電力電纜及防火電力電纜。

2）控制及管理：低壓進(jìn)線設(shè)置電能總計(jì)量；建筑物內(nèi)部的照明、通風(fēng)空調(diào)、智能化等系統(tǒng)分類計(jì)量。

3）選用綠色環(huán)保且經(jīng)國家認(rèn)證的電氣產(chǎn)品。

4 結(jié)語

港珠澳大橋外海橋隧轉(zhuǎn)換人工島用電終端需求特殊、復(fù)雜且要求高，低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程貫徹了安全可靠、簡單適用、匹配性好、針對性強(qiáng)的設(shè)計(jì)原則，兼顧經(jīng)濟(jì)性、美觀性和可實(shí)施性的設(shè)計(jì)理念。在設(shè)計(jì)過程中，選擇最適合項(xiàng)目需求、與項(xiàng)目特點(diǎn)相匹配的措施和方法。從項(xiàng)目完成的情況看，這些措施和方法是合理且有效的，滿足了項(xiàng)目的需求，具有較高的工程品質(zhì)，對類似的工程建設(shè)有參考意義。