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城市综合管廊弱电工程设计的重点和难点-施亮



摘要:城市综合管廊是在城市建造的一个地下空间,将电力、通信、燃气、供热、给排水等各种工程管线集于一体的工程。管廊内部因设备集中且平时无人值守,管理难度较大,故一般设置综合管廊弱电系统:各类监测系统、火灾自动报警系统等,以便管理人员对管廊内进行统一管理。通过对综合管廊弱电工程设计中遇到的重点、难点的探讨,并结合实际工程建设和管理经验提出一些解决方法和建议。

关键词:管廊弱电系统、集成ACU系统、火灾自动报警系统、电气火灾监控系统

作者:施亮

2015 年 8 月 10 日,国务院发布《关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》后,各地综合管廊建设迎来高峰期。根据当前综合管廊建设具有规模大、信息化程度要求高等特点。笔者从管廊设计、建设和管理的工程经验出发,着重管廊 ACU系统的优化及火灾自动报警系统、电气火灾监控系统的设置等问题,对于综合管廊弱电系统设计提出一些建议。

1 综合管廊的弱电系统组成

管廊监控与报警系统分环境与设备监控系统、安全防范系统、通信系统、预警与报警系统、地理信息系统和统一管理信息平台等(见图 1)。各系统建设统一的管廊信息管理平台,设置于综合管廊控制管理中心内,对上述的监控及报警系统进行集成,且具有数据通信和信息采集、综合处理等功能。

管廊监控与报警系统示意

图 1 管廊监控与报警系统示意


根据现有的系统架构,行业将基于信息管理平台的对外信息、能源管理、设备控制等整合在一个系统下发展,实际项目中已有采用统一的数据平台来管理同一地区多条管廊的先例。

2 ACU 系统

ACU(Area Control Unit,区域控制单元)是应综合管廊众多监测数据集中管控、传输需求而设置的设备,利用 PLC 搭建,集信号采集、本地控制、数据交换、远程联网于一体的设备。管廊内部 ACU 系统的基本结构形式见图 2。

管廊内部 ACU 系统的基本结构形式

图 2 管廊内部 ACU 系统的基本结构形式

一般设计的综合管廊弱电系统,ACU 设备布置在综合管廊设备集中的节点处,如通风口或投料口的配电间。以某条综合管廊工程的实际案例来看,此条管廊将 ACU 设置在各通风口节点处,便于管理的维护。

从实际工程中也可以看出,ACU 因综合管廊工程的长度较长,故数量较多。传统综合管廊 ACU 因PLC 设备的限制,控制柜体积较大,单个防火分区需多台组合,造成使用可靠性较低。各子系统网络相对独立,除不利于节省投资外,还加大后期维护人员的工作量。虽然传统 ACU 设备现今仍占据主导地位,但有逐渐被智能集成 ACU 控制器取代的趋势。智能集成 ACU 设备体积小,针对管廊内部湿度大、对设备需求防护等级高、强电电缆诸多引起抗电磁干扰环境复杂以及设备体积等特殊需求,进行了设计。除采用高集成度、系统级芯片、大规模集成电路模块外,防护性能也高达 IP65 以上。这已逐步成为行业的发展趋势。

集成 ACU 一般具备的主要功能如下:

(1)集成 AI、DI 接口。考虑设备为集成化设备,其体积较小,另外管廊 ACU 的分区监测点位较为固定,设计中一般不超过 32 个 AI、DI 点位。

(2)可实现对现场气体、温湿度、液位开关、防入侵等传感器的信号采集。

(3)集成 MODBUS、RS- 485 等接口,实现对综合管廊风机、照明、配电设备、水泵等设备运行状态、故障信息采集,以及就地或远程控制设备启动和关停。

(4)集成 RJ45 网口,实现与管廊内视频摄像机、工业电话和工业无线 AP 等设备的数据交换和管理。

(5)集成千兆光口,与监控中心核心交换机组网,实现工业环网应用。

(6)缩小占用面积,降低综合成本。集成 ACU较传统 PLC 设备是芯片级设备,集成化程度高、体积小、重量轻,安装便捷、维护方便。

(7)相比传统的 PLC 组合交换机的 ACU 机柜模式,集成 ACU 只需要一次接线,缩减接线工作量,且不需要专业人员现场编程,对运维的要求较低,结合工程实际的使用经验提高管理效率。

3 火灾自动报警系统

综合管廊设计时,一般在综合管廊管理中心处设计消防控制室。管廊内部的设备需要联动控制,一般设计为集中报警系统。《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838—2015)中规定"干线、支线综合管廊含电力电缆的舱室应设置火灾自动报警系统",并给出了相应要求。该规范篇幅所限未规定对管廊内设备的联动要求,故根据《火灾自动报警系统设计规范》(GB 50116—2013)设计管廊的火灾自动报警系统。

一般综合管廊的集中报警系统需要符合下列规定。

(1)系统应由火灾探测器、手动火灾报警按钮、火灾声光警报器、消防应急广播、消防专用电话、消防控制室图形显示装置、火灾报警控制器、消防联动控制器等组成。

(2)系统中的火灾报警控制器、消防联动控制器和消防控制室图形显示装置、消防应急广播的控制装置、消防专用电话总机等起集中控制作用的消防设备,应设置在消防控制室内。

(3)系统设置的消防控制室图形显示装置应具有传输《火灾自动报警系统设计规范》附录 A 和附录 B 规定的有关功能。

《火灾自动报警系统设计规范》要求综合管廊应设置防火门联动控制系统。防火门有常开型和常闭型,常闭型防火门有人通过后闭门器自动将防火门关闭,此类防火门无需防火门控制器控制。《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838—2015)规定应设置防火门监控系统,故设计综合管廊时对常开防火门一般既要求监控又要求控制,对常闭防火门仅需监控即可。

另外,综合管廊内考虑空间限制一般要求设计为气体灭火系统。气体灭火控制器在接收到满足联动逻辑关系的首个联动触发信号后,应启动设置在该防护区内的火灾声光警报器,提醒现场人员撤离,且联动触发信号。接收到第二个火灾报警信号后联动控制相关设备,并依照工序开始灭火。设备的首个联动触发信号利用管廊内设置的点型感烟探测器触发,第二个触发信号除手动报警外一般采用感温探测器触发。

通过对诸多现有设计的综合管廊火灾自动报警系统了解发现:设计人员一般利用管廊电力电缆托架表层设置的线型感温探测器作为气体灭火的感温探测器触发,但是线型感温探测器的设备生产功能仅针对桥架、托架等敷设导体的火灾探测;而探测区域也可能与第一触发信号的点型感烟探测器不在同一防护区域内,造成延误报警、甚至无法报警进而无法启动气体灭火设备造成危害。所以这种设计方案对判断管廊内是否发生火灾并不可靠,存在隐患。建议设计时管廊内部仍需要设置点型感温探测器作为气体灭火设备的火灾探测器,避免设备误动作、不动作,延误灭火时机。

4 电气火灾监控系统

《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838—2015)中规定应对入廊的电力电缆设置电气火灾监控系统。电气火灾监控系统全称"剩余电流电气火灾监控系统"或"漏电电流报警系统",属于先期预报警系统,主要是服务于终端配电。与火灾自动报警系统不同,电气火灾监控系统早期报警是为了避免损失,而火灾自动报警系统是为了减少损失。

公安部消防局统计,2015 年,全国共接报火灾33.8 万起,造成 1742 人死亡、1112 人受伤,直接财产损失 39.5 亿元。从已查明原因的火灾看,有 10.2万起火灾是由于违反电气安装使用规定引发的,占总数的 30.1%,尤其是较大火灾中有 56.7%是由于电气原因引发,2 起重大火灾和 1 起特别重大火灾则全部是电气原因引发。2016 年的统计数据:从引发火灾的直接原因看,因违反电气安装使用规定等引发的火灾占总量的 30.4%,从较大火灾的起火原因看,电气引起的 29 起。由此可见,管廊内部避免火灾的主要困难点在于电气火灾。

因此,综合管廊一般均设计采用电气火灾监控系统,系统网络由通信层和现场设备层组成,管理层设置于管廊控制中心。各电气火灾监控探测器通过屏蔽双绞线 RS- 485 接口,采用 MODBUS通信协议总线型连接接入通信服务器,可通过管廊 ACU 系统传输及收集数据。

综合管廊工程的电气火灾监控系统图的布置参考图见图 3。

综合管廊电气火灾监控系统布置

图 3 综合管廊电气火灾监控系统布置

然而一般设计过程中设计人员将此部分交于供电职能部门设计,但作为供电部门考虑的电气火灾监控装置设计一般不纳入管廊自用管线,显然存在安全隐患。

考虑到管廊内部的配电形式,建议采用分离配置型剩余电流式电气火灾监控系统。该系统采用分层分布式结构,监控设备和探测器分离配置,其中探测器一般指终端的剩余电流互感器装置。

实际工程中,因设计人员为了简化系统将电气火灾监控系统的剩余电流探测器设置在变电所低压柜出线侧,实际上不尽合理。参考《民用建 筑 电 气设计 规 范》(JGJ/T 16—2008)[6]13.12.5条的规定,一般将管廊内部的火灾探测器设置在各节点布置的终端配电箱进线处,其原因有两点:一是变电所内的设置位置在线路较长的管廊工程中监测精度较低;二是设置位置在低压终端的进线侧,可抵消自然漏电的影响;最主要的是负荷侧发生火灾的概率较大,在此处监测更为有效。

剩余电流的监测动作电流应根据《低压配电设计规范》[7]6.4.3 条文的规定<300 mA,建议设计人员依照设备的正常运行时漏电电流估算整定值,避免误动作而造成损失。

5 结语

在满足规范的前提下管廊弱电系统组成应有前瞻性、先进性,采用集成化 ACU 可减少设备的投资成本和安装成本。设置火灾自动报警系统时应考虑报警系统联动控制的合理性,保证管廊运行安全。管廊的自用电气设备应设置电气火灾监控系统。



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