城市軌道交通區間隧道消防應急照明設計研究

吳繼珍，趙 霖

廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010

0 引言

自《消防應急照明和疏散指示系統技術標準》（GB 51309—2018）[1]實施以來，城市軌道交通領域各建設單位和設計單位關于區間隧道如何執行該標準已經基本達成一致，即采用集中控制型消防應急照明和疏散指示系統（以下簡稱集中控制型系統）[2]。但針對集中電源設置位置、蓄電池的供電方式是采用集中電源還是燈具自帶蓄電池，疏散照明是否兼做一般工作照明等問題，在設計過程中部分線路存在理解不一致的問題，導致設計方案不統一，因此有必要對各種設計方案進行分析[3]。

1 相關參數的設置

根據《消防應急照明和疏散指示系統技術標準》（GB 51309—2018）要求，目前城市軌道交通區間消防應急照明和疏散指示系統均采用集中型控制系統，燈具選用A型燈具[4]。常規的線路區間隧道長度一般在0.4～4 km，為減少電壓降、減小電纜截面，燈具電壓等級選取DC 36 V[5]。

1.1 照度值

《城市軌道交通照明》（GB/T 16275—2008）[6]對城市軌道交通各場所正常照明的照度標準值進行了相應規定，其中，區間隧道照度標準值為5 lx，參考平面為軌平面；區間線路疏散照明照度不小于3.0 lx。另外，《地鐵設計防火標準》（GB 51298—2018）[7]規定，地下區間道床面疏散照明的最低水平照度不應小于3.0 lx。根據上述要求可知，區間一般照明的照度要求為不小于5 lx，疏散照明不小于3 lx。

根據某軌道交通線路工程實際（盾構隧道內徑為5.4 m），選用功率為10 W、光效≥100 lm/W的LED消防應急照明燈具（以下簡稱照明燈），燈具布置間距為10 m，燈具安裝高度為2 975 mm（中心線距軌面），距疏散平臺面2 125 mm。經過仿真模擬計算，可以滿足道床面平均照度5 lx和疏散最低照度3 lx的要求。

1.2 燈具數量

《消防應急照明和疏散指示系統技術標準》（GB 51309—2018）規定，任一配電回路配接燈具的數量不宜超過60只，額定功率總和不應大于配電回路額定功率的80%，A型燈具配電回路的額定電流不應大于6 A。按10 W的照明功率計算，可以得到區間每個配電回路能夠供電的照明燈數量為17.28盞，考慮線路損耗，每個配電回路供電的照明燈數量選取為15盞。相鄰兩個照明燈采用不同的配電回路交叉供電，每個配電回路所帶的照明燈均勻分布在300 m范圍內；300 m范圍內的標志燈采用單回路供電，每個配電回路供電的標志燈數量為30盞。

1.3 線纜截面

根據國標圖集《19DX101-1建筑電氣常用數據》，消防應急燈具端子處電壓偏差允許值可為額定電壓的±20%[8]。19D702-7中直流線路電壓損失計算方法中的簡化計算公式為

式中：u%為電壓降百分數；Δu為電壓降；P為線路功率，W；L為線路長度，m；U為標稱電壓，V；S為線路截面，mm2；ρθ為工作溫度為θ時的導線電阻率，Ω·mm2/m。

選取70 ℃為線路工作溫度，即ρ70=0.020 64 Ω·mm2/m，照明燈功率為10 W，標志燈功率為1 W，則單回路照明燈總功率P為150 W，標志燈總功率P為30 W，計算得到各電纜截面滿足電壓降±20%的最大供電距離，如表1所示。

表1 不同截面電纜最大供電距離

2 集中電源的設置

2.1 集中電源的設置方案

《消防應急照明和疏散指示系統技術標準》（GB 51309—2018）規定集中電源應設置在消防控制室、低壓配電室、配電間內或電氣豎井內，但區間隧道內無上述電氣用房，因此需考慮集中電源放置位置，目前主要有兩種方案。

（1）方案一。將用于區間照明的集中電源全部設置在鄰近車站站臺層照明配電室，鄰近兩個車站的集中電源各負責為半個區間的燈具直接配電，如圖1所示。這種方案主要考慮蓄電池運行環境，設置于照明配電室利于通風和自動滅火。在國家標準編制組的相關答疑中，建議集中電源設置在車站范圍內[9]，因此部分線路采用的方案為將集中電源設置在車站配電室，直接向區間的應急燈具供電。但這種方案運用在長、大區間時，集中電源的供電半徑較大、線纜截面較大、回路較多；且部分車站設置了配線，配線區不一定設置照明配電室，照明配電室距區間起終點的距離可能達100～200 m，進一步增大了區間燈具供電線路的截面。

圖1 集中電源的設置方案一

（2）方案二。在區間聯絡通道處放置集中電源，如圖2所示。區間聯絡通道的距離一般不超過600 m，車站集中電源和聯絡通道處的集中電源供電半徑不會超過300 m。方案二的燈具線纜截面和總長度比方案一小。另外，區間隧道所用的集中電源容量一般為1 kVA左右，相比EPS及其他專業使用的蓄電池容量已經較小，不一定要設置在照明配電室；且規范并無明確要求不可設置在區間隧道，只是要求設置于隧道場所和潮濕場所時應選擇防護等級不低于IP65的產品。盡管蓄電池容量較小，但蓄電池設置在區間疏散通道內仍存在安全隱患，且不方便巡視維護。

圖2 集中電源的設置方案二

2.2 經濟性對比

如果按10 m間隔布置照明燈和標志燈，無論采用方案一還是方案二，均可實現每300 m的照明燈采用兩回路交叉供電、每300 m的標志燈采用一回路供電。但對于方案一，區間長度可能達3～4 km，即使區間設置了中間風井，中間風井間、中間風井與車站的距離依然可能達2～2.4 km；集中電源的供電半徑依然可能達1.2 km，需重點考慮電壓降問題。

2.2.1 線纜截面選取

方案一每個回路可以接15盞照明燈、兩回路交叉供電，每個回路可供電的照明燈范圍為300 m內。根據表1的計算結果，當采用方案一且不考慮車站配線的影響時，以每300 m范圍為一供電單元、隧道洞口為參照點，則單個區間的照明燈和標志燈的配電線纜選取應滿足以下要求：

（1）0～300 m范圍內，照明燈配電線纜截面應不小于10 mm2、標志燈配電線纜截面應不小于2.5 mm2；

（2）300～600 m范圍內，照明燈配電線纜截面應不小于16 mm2、標志燈配電線纜截面應不小于4 mm2；

（3）600～900 m范圍內，照明燈配電線纜截面應不小于25 mm2、標志燈配電線纜截面應不小于6 mm2；

（4）900～1 200 m范圍內，照明燈配電線纜截面應不小于35 mm2、標志燈配電線纜截面應不小于6 mm2。

當采用方案二時，由于集中電源的供電半徑≤300 m，照明燈配電線纜截面可選擇10 mm2、標志燈配電線纜截面可選擇2.5 mm2。

2.2.2 費用估算

由于方案一和方案二線纜選型原則不一樣，將導致兩個方案經濟性的差異。選取線路中4個長度大于600 m的區間進行分析，區間1長約791 m，中間設置1聯絡通道；區間2長約1 105 m，中間設置1聯絡通道；區間3長約1 732 m，中間設置2聯絡通道；區間4長約2 018 m，中間設置3聯絡通道。

4個區間消防應急照明和疏散指示系統費用估算如表2所示，費用包括集中電源、燈具、線纜配管等設備材料及安裝費用，其中設置在車站的集中電源不考慮進線電纜的費用，設置在區間的集中電源考慮進線電纜的費用。需要說明的是，方案二中區間聯絡通道集中電源AC 220 V進線電源采用車站雙電源切換箱直接饋出單回路至區間集中電源，未采用在聯絡通道設置雙電源切換箱的方式，這一方案區別對方案二造價影響不大，因此文章不再展開探討。

表2 兩種方案中區間消防應急照明和疏散指示系統費用估算

由表2可知，當區間隧道長度越長，兩個方案之間的費用差價越大，方案二的經濟優勢明顯。假設集中電源設置在區間聯絡通道時的壽命比設置在車站照明配電室內減短一半，則在方案一集中電源壽命周期內，方案二集中電源需要重新更換一遍，考慮這一部分設備更換費用，方案二的經濟優勢依然明顯。

3 蓄電池電源的供電方式

3.1 供電方式

《消防應急照明和疏散指示系統技術標準》（GB 51309—2018）第3.3.1條規定，燈具的電源應由主電源和蓄電池電源組成，且蓄電池電源的供電方式分為集中電源供電方式和燈具自帶蓄電池供電方式。根據燈具蓄電池電源供電方式的不同，集中控制型系統分為集中電源型和自帶電源型，如圖3所示。

圖3 集中控制型系統分類示意圖

（1）集中電源供電方式。集中電源供電方式下，集中電源全部設置在車站，存在經濟性較差的問題；集中電源設置在區間聯絡通道，將存在安全隱患。為了解決上述問題，部分線路采用燈具采用自帶蓄電池供電方式的集中控制系統，將應急照明配電箱設置在區間聯絡通道。由于應急照明配電箱內模塊主要為整流模塊和通信模塊，無蓄電池，相比集中電源，對環境條件的要求不高、安全隱患小。

（2）燈具自帶蓄電池供電方式。燈具自帶蓄電池供電方式類似于將蓄電池分散于各個燈具，當主電源斷開后燈具自動轉入自帶蓄電池供電，因此當配電回路出現損毀故障時，可靠性比集中電源高。但燈具自帶蓄電池時，燈具內部結構變得更復雜，因此故障率比集中電源型燈具更高；蓄電池不再集中設置而是分散于各個燈具，燈具安裝在隧道壁，隧道壁溫度較高，對蓄電池壽命影響較大，后期燈具維護工作量將增加。

3.2 費用估算

集中電源型和自帶電源型兩種供電方式的費用估算如表3所示。自帶電源型燈具比集中電源型燈具價格稍高，但應急照明配電箱價格比集中電源低，因此可以發現兩種供電方式下各長度區間工程造價相差不大。目前，大部分線路主要采用集中電源型燈具，只有少部分線路采用自帶蓄電池型燈具。另外，《消防應急照明和疏散指示系統技術標準》（GB 51309—2018）國家標準編制組相關答疑中也建議隧道區間宜采用集中電源型燈具。

表3 集中電源型燈具和自帶電源型燈具費用估算

4 一般工作照明的設置

4.1 設置方案

在《消防應急照明和疏散指示系統技術標準》（GB 51309—2018）實施之前，地鐵區間照明配電設計采用的電壓等級為AC 220 V，包括一般照明和應急照明；區間每隔100～200 m設置一處一般照明配電箱和應急照明配電箱，一般照明燈具和應急照明燈具交替布置。應急照明兼用一般照明，以滿足5 lx的照度要求；火災工況下，關閉一般照明，只保留應急照明。

隨著《消防應急照明和疏散指示系統技術標準》（GB 51309—2018）的實施，目前各線路地下區間疏散照明均采用集中控制型消防應急照明和疏散指示系統，但對于一般工作照明的設置不同線路有著不同方案，主要分為兩種。（1）一般照明采用電壓等級為AC 220 V，正常工況下，一般照明燈具被點亮，疏散照明燈處于非持續模式，保持熄滅狀態；火災工況下，一般照明被切除，疏散照明燈應急點亮。（2）利用DC 36 V疏散照明兼做一般照明，且須處于持續模式，正常工況下可以根據照度要求處于節電點亮模式。

4.2 方案對比

當疏散照明燈選用10 W燈具、間隔10 m布置時，可以滿足平均照度5 lx和最低照度3 lx的要求。在方案一中，由于疏散照明燈平時處于熄滅狀態，一般照明為了滿足平均照度5 lx的要求需要額外增加燈具。如果一般照明同樣選用10 W燈具、間隔10 m布置，則區間隧道內照明燈具實際上是間隔5 m一盞，即方案一實際上是在方案二的基礎上額外增加1套一般照明系統，造價相對于方案二更高，而且區間隧道內存在兩種不同電壓等級和制式的燈具，施工和維護相對復雜；但方案一嚴格區分了一般照明和疏散照明。

《消防應急照明和疏散指示系統技術標準》（GB 51309—2018）并未明確限制消防應急照明不能兼做一般照明，其國家標準編制組相關答疑中認為，消防應急照明燈能否兼做一般工作照明主要取決于選用的照明燈具在符合回路功率和壓降指標的前提下、經過合理設計布置能否滿足一般工作照明的照度要求。

5 結論

文章主要針對地鐵區間隧道消防應急照明集中電源設置方案、蓄電池電源供電方式和一般照明設置問題等方面展開探討。

（1）集中電源裝置設置在車站利于運維管理且蓄電池運行條件較好，但這種方案的造價比設置在區間聯絡通道更高，且區間隧道越長差價越大。

（2）集中電源型和自帶電源型兩種供電方式在工程造價方面差別不大，但自帶電源型方案后期的燈具維護工作量較大。

（3）消防應急照明燈兼做一般工作照明可以節省工程造價，發揮應急照明燈的最大功能。