港珠澳大桥外海桥隧转换人工岛低压配电系统设计特点

郑新阳，孔凡厂

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

0 引言

低压配电系统与终端用户相连，直接反映用户的需求，低压配电系统设计在民用建筑中极为普遍，但港珠澳大桥外海桥隧转换人工岛项目（以下简称本项目）具有特殊地理位置和环境，独有的建筑空间，集多种功能为一体，以及与岛上建筑清水混凝土相结合的美观要求，国内还没有类似的设计，国外可参考的经验也极少。本文从分析设计目标及设计对象入手，对低压配电系统设计中的负荷等级、供电电源、系统结构形式、管线空间、设备选择和安装、节能与环保等主要设计内容采取技术措施，满足用户需求，提高工程品质。

1 项目概况

港珠澳大桥外海桥隧转换人工岛分为东人工岛（以下简称东岛）、西人工岛（以下简称西岛）长均为625 m，其中东岛最宽处228 m，西岛最宽处190.7 m。两岛岛上均设有1座主体建筑，周边各设有4座越浪泵房，还有雨水泵房及值班岗亭等，西岛设有独立的消防泵房。

东岛主体建筑为地上4层，主要以办公、旅游观光、展览为主。地上建筑面积为26 677.92 m2，地下建筑面积为14 456.86 m2，建筑高度为23.6 m。

西岛主体建筑地上3层，主要以营运、监控、办公、救援养护配套用房和设备用房为主。地上建筑面积为18 997.41 m2，地下建筑面积为13 125.4 m2，建筑高度为20.2 m。

2 设计目标及对象分析

2.1 设计目标

港珠澳大桥主体工程是一个极为复杂的系统工程，外海桥隧转换人工岛上的各附属设施，均为大桥主体工程服务，有营运、维保、管理、观光旅游等功能。岛上建筑具有独特的清水混凝土建筑风格，被定位为地标性建筑。

首先，作为桥隧转换的人工岛及岛上的附属设施必须满足大桥交通功能的要求，低压配电系统的安全性、可靠性、功能性必须满足这个最基本、最主要的需求。

其次，大桥120 a使用年限的设计目标和特殊的地理环境要求电气设备耐高热、高湿、高腐蚀，并具有长寿命，不可替换的设施必须达到设计使用年限的要求。

第三，岛上建筑的独特造型及清水混凝土结构，要求电气管线设备的预埋准确到位，要协调美观、功能和经济的关系，在满足功能的条件下，以最经济合理的设计实现美观要求，实现地标性建筑设计目标。

低压配电系统直接影响到终端用户的方方面面，对设计提出了更高的要求。

在满足安全和功能的条件下，要做到美观和经济相结合，技术与艺术相统一，并结合环境特点和施工特点，保证施工的可实施性以及实施的效果。

2.2 设计对象分析

为保证桥隧转换、海底隧道的行车安全，通信与信号、监控、消防、供电、供水等各种设施布置在人工岛上有限的建筑空间内，建筑内的设备、管道、线缆密集交错，任何部位出现问题将联动影响到一系列设施的安全及桥梁隧道的正常营运。设计前必须深入了解各种管线、设备的布置及其安全要求，了解建筑空间、结构形式对电气设计的制约条件，了解各用电设施的用电需求。

1）主体建筑功能及空间分布

主体建筑均设于隧道空箱结构上，隧道两侧为建筑的两层地下室。建筑中间为隧道的排风排烟设施，其它功能空间分布在其四周，形成特殊的、复杂的内部建筑空间。主体建筑的功能空间包括各种设备房、电缆夹层、网络机房、安防及消防控制室、办公区、宿舍区、商业区、厨房及餐厅、消防队、监控大厅、模型馆、风帽、雷达塔等。

两岛主体建筑地下两层主要是设备用房和车库，分布在隧道的两侧。西岛的1～3层及东岛的首层为办公、厨房、餐厅及宿舍，东岛的2～3层为商业空间（预留），第4层是模型馆。风帽分为3层，底部为设备间，中间层为隧道风道口，上层为夹层。

2）低压供电的主要设备

供电末端的设备主要包括暖通空调设备、给排水设备、环保设备、消防设备、建筑智能化设备、电梯、雷达设备、夜景照明设备、广场照明设备、办公照明设备、厨房设备等。

另外，还有非常规功能设备。如为保证35 kV变电所正常工作，除设置24 h中央空调系统外，还增设VRV空调备用系统；岛上专有的污水处理站、雷达站；非常规的高压细水雾灭火系统等；覆盖了岛上的挡浪墙、减光罩、各层外廊、屋面风塔、大台阶（东岛）、室外广场等位置的夜景照明设备。

3 设计方案

3.1 负荷等级及供电电源

1）负荷等级

准确划分用电设备的负荷等级[1]，可在满足安全性和可靠性的前提下，有更好的经济性。综合考虑本项目的特殊性和各用电设施的重要性，电力负荷划分见表1。

表1 电力负荷分级表Table 1 Power load grading table

2）供电电源

岛上的正常供电为35 kV市电，东、西岛均设1座35 kV专用变电站，1座2台10/0.4 kV变压器的房建变电所，每座越浪泵房及雨水泵房各设专用变电所。考虑越浪泵房、隧道内部分设施采用10 kV供电，设1台自启动柴油发电机组（10 kV）作为备用电源，保证市电断电时岛上和隧道的重要设施的供电要求。变电所低压侧采用单母线分段主接线形式，两段母线之间设置联络开关。

首层房建网络及监控机房、桥隧设备监控大厅等设备用电均配备不间断电源UPS，保证重要负荷供电。消防应急照明灯和疏散指示标志灯采用蓄电池作备用电源，地面疏散指示标志灯采用集中DC24电源，火灾自动报警控制器采用UPS作备用电源。

3.2 低压配电结构形式及动力控制

3.2.1 设计思路

合理的配电系统必须满足安全和用电需求，可靠性和电能质量高[1]，通过全面分析确定以下设计思路：

1）合理减少配电级数，简化接线；

2）消防及重要的设备采用放射供电方式，由低压配电柜直接配线至末端；

3）一般动力及照明采用分片区供电，分区与建筑的防火分区一致；

4）办公室、活动室、厨房餐厅、宿舍、监控室等功能场所末端设置照明配电箱，设备区域集中设置配电箱。

3.2.2 低压配电回路

基于用电需求、变电所位置、负荷性质及空间分布和建筑空间路由分析，按不同的负荷和建筑防火分区分别设置供电干线和配电箱。通过分析负荷性质及特点，对不同类型的负荷在低压配电系统回路的配置上采取了不同的技术措施。

1）消防设施采用专用回路[2]，末端双电源自动转换。较大消防动力负荷配电回路，由变电所低压配电柜直接馈线至末端配电箱（柜），双回路末端自动转换，如消防水泵房、高压细水雾灭火装置等。

2）采用分片区双回路，末端双电源自动转换。同一防火分区负荷小但集中布置的消防负荷，由变电所低压配电柜馈线至区域主、备总配电箱，再由区域总箱双回路至末端配电箱，如应急照明和部分区域的消防风机、屋面稳压泵及消防风机。

3）减少低压配电柜的出线回路，在满足规范[3]要求的热稳定的情况下，可以缩小配电回路的导体截面，减少线路的投资，其可靠性满足重要配电回路不大于三级的要求。

4）干式布线和放射布线相结合。隧道风机房及风帽的维修动力、普通通风用电负荷采用干式布线方式，并在分支处设置短路和过载保护，配置消防切非功能装置。

5）重要的非消防配电采用双回路末端自动转换，如网络机房、监控机房、地下排水设施的供电回路。

3.2.3 低压配电保护

低压配电系统设置了短路保护、过载保护、接地故障保护、间接和直接电击保护、电气火灾保护等[3]。

短路、过载保护均采用断路器，断路器的参数选择满足级间配合要求、短路分断能力要求、接地故障切断电路要求，采用剩余电流保护装置防止间接及直接电击，兼做接地故障保护措施；消防动力配电回路的保护采用单磁保护，末端消防水泵、消防风机的过载保护只动作于信号。设置电气火灾监控系统作为电气火灾保护措施，为确保供电的连续性，电气火灾监控系统只报警，不自动切断供电。

3.2.4 动力控制重点措施

1）30 kW及以下的电动机一般采用直接启动方式启动，30 kW以上电动机一般采用软启动或星三角启动装置，其中消防用30 kW以上电动机采用星三角启动装置；

2）消防泵、喷淋泵、高压细水雾除现场手动控制外，还可通过流量开关、湿式报警阀压力开关直接控制或消防中心联动柜手/自动控制；

3）消防防排烟风机除现场手动控制外，还可通过280°C防火阀直接控制或消防中心联动柜手/自动控制；

4）消防专用设备、消防水泵、防烟排烟风机等消防用设备不设过负荷保护；

5）空调冷水机组、水泵类、普通排送风机及空调风机（柜）除现场手动控制外，还可由BA控制室集中监控（BAS）；

6）生活水泵、潜污泵除现场手动控制外，还可通过液位自动控制或由BA控制室集中监控（BAS）；

7）电梯等机电一体化设备自带控制设备，通过通讯总线接入BAS。

3.3 配电间、电气竖井和水平电缆桥架

配电间是低压供电系统的重要节点，电气竖井是线路的垂直通道，水平电缆桥架是线缆连接各配电间及末端配电设施的路由设施，以上3项的布置原则：

1）大桥及隧道专用设备配电间与房建设备配电间分开；

2）电气竖井上下对齐垂直布置，配电间及电气竖井靠近各区域负荷中心；

3）各配电间供电区域清晰、功能明确、管理方便；

4）水平电缆桥架设于各个楼层的主要走道上方。

根据主体建筑的空间特点及负荷分布，在主体建筑设置了3个电气竖井，在这3个电气竖井位置每层均设置1个配电间。水平电缆桥架在建筑内地上各层组成“田”字形结构，水平中线3个交点是电气竖井位置；在负一层组成横“出”字形结构，中间2个交点是电气竖井位置；在负二层组成“三”字形结构，其中中间一横是隧道中管廊，上、下一横为设备区走道，三横线之间是隧道内2条行车通道。

消防泵房、雨水泵房、污水处理站等设备房配电设备就地安装，空调机房设置专用的配电控制室外，其它各层的配电箱/柜集中安装在低压配电房或各层配电间内。

由于岛上厨房不采用天然气、管道煤气等能源，故厨房的用电设备较多，根据建筑空间布局和美观要求，东岛设置了专用配电间，便于厨房及餐厅配电及控制设备集中安装。

3.4 导线的选择及敷设

3.4.1 导线选用

本项目对电缆的安全性尤其是阻燃、烟毒、耐火等方面的要求很高，规范[2]明确规定了“消防配电线路应采用矿物绝缘类不燃性电缆”。

目前国内生产的矿物绝缘类不燃性电缆主要有 BTTZ、RTTZ（YTTW）、BTLY（NG-A）、BBTRZ、RTXMY。通过比较各类防火电缆的绝缘性能、接头、柔软性（弯曲半径）、生产最大截面、任意长度、价格等数据，在后期的优化设计中，消防配电主干线路采用隔离型（柔性）矿物绝缘电缆，其它消防电线电缆采用低烟无卤、阻燃B类耐火电力电缆或电线，非消防回路采用低烟无卤、阻燃B类电力电缆或电线。

3.4.2 导线敷设

主体建筑地下两层的结构与隧道结构是合为一体的，主体结构使用年限为120 a，室内配电线路敷设方式按以下原则[4]：

1）干线全部采用桥架或支架敷设，大截面的防火电缆采用支架敷设；

2）地面非主体结构墙体末端配电采用穿管暗敷，如办公室、宿舍；

3）普通动力照明主干共桥架，消防供电线路独立桥架；

4）其它辅助建筑（设备房）的室内配电线路均采用线槽、桥架明敷。

5）室内导线敷设设计时需要考虑：线路暗敷与清水混凝土美观要求配合，管道预埋的准确定位；减少线路中间接头，管和槽内不能有接头；不同用途、不同电压等级的导线不能共管、共槽、共桥架；双回路电源敷设路由应满足安全性要求；线缆填充率取常规的1/2，电缆转弯半径取常规的两倍，防火电缆截面大于普通电缆；建筑的特殊空间，考虑不同位置的桥架的安装高度及间距；必须考虑抗震及防火封堵、防水密封等等。

除了设置综合沟、电缆沟以外，室外配电线路部分采用电缆桥架或埋管敷设的，为保证耐用和美观，采取以下措施：

1）室外明敷的电缆桥架全部采用加厚不锈钢板及表面烤白漆工艺，如挡浪墙至越浪泵房线路、挡浪墙上和减光罩上夜景灯光的线路等；

2）耐久性埋管采用加厚不锈钢管，如道路下埋管、电缆沟/井至建筑物的埋管；

3）为降低造价，后期容易开挖的部位采用重型UPVC管，如广场位置地下电力管道。

3.5 配电设备的选择及安装

3.5.1 寿命周期及耐久性

因为海岛建筑特殊的地理环境，对于电气设备材料的选择有别于一般的陆地环境，必须耐高盐环境，采用湿热型[5]；遵循“各部件同寿命”的原则，电缆桥架、线槽及其支架不低于电缆电线的寿命，在线缆寿命周期内，均能满足承载、保护的功能。

考虑项目的可靠性、耐久性要求和建筑施工特点，接地主干采用铜排预埋在混凝土中，与结构基础钢筋焊接连接并与室外主干网连接，构成可靠的接地网；接闪带采用暗敷，满足防雷安全性及建筑物美观性要求，同时增加使用年限。

3.5.2 用户体验及美观性

对于清水混凝土结构的建筑风格，装饰观感设计要求严苛。要从整体的观感着眼，从用户的体验入手，在满足安全、可靠及功能条件下，设备及管线的定位和外形等必须与装饰整体协调、并做到美观和实用。故设计必须做到精细化、差异化，主要采取以下措施：

1）采取严谨、极简、整齐的工业风格；

2）有合理工法，具备实现精细工艺的条件；

3）主要空间的清水混凝土以及其装饰垂直面上不允许布设设备及管线；

4）安装在清水混凝土天花板的设备必须准确定位，其预埋件在混凝土浇筑时一次成形；

5）高大空间设备采用综合支吊架安装；

6）采用BIM技术设计，实现所见即所得；

7）设备区域外的配电设备采用表面烤白漆工艺。

3.6 电气节能及环保措施

1）供配电节能：采用合理的功率因数补偿及谐波抑制方式，减少谐波污染，并降低自身损耗。无功功率因数的补偿采用集中补偿和分散就地补偿相结合的方式，变电所低压侧设集中动态补偿方式，补偿后功率因数不小于0.9。单相负荷尽可能均匀平衡到三相负荷中，以减少电压损失。在满足国家规范及供电行业标准的前提下，选用高性能变压器及相关配电设备，选用高品质铜芯无卤低烟电力电缆及防火电力电缆。

2）控制及管理：低压进线设置电能总计量；建筑物内部的照明、通风空调、智能化等系统分类计量。

3）选用绿色环保且经国家认证的电气产品。

4 结语

港珠澳大桥外海桥隧转换人工岛用电终端需求特殊、复杂且要求高，低压配电系统设计过程贯彻了安全可靠、简单适用、匹配性好、针对性强的设计原则，兼顾经济性、美观性和可实施性的设计理念。在设计过程中，选择最适合项目需求、与项目特点相匹配的措施和方法。从项目完成的情况看，这些措施和方法是合理且有效的，满足了项目的需求，具有较高的工程品质，对类似的工程建设有参考意义。