地铁隧道区间应急照明配电设计探讨

胡忠魁，王东萍

(1.河南城市建筑咨询有限公司，河南 郑州 450000；2.河南建筑职业技术学院，河南 郑州 450046)

引言

国标《消防应急照明和疏散指示系统标准》[1](GB 51309—2018)3.2.1条规定：设置在距地面8 m及以下的应急照明灯具的电压等级应采用A型(不大于DC36V)灯具，依据此条很多场所的应急照明均应采用A型灯具。目的就是防止电击伤人，因为火灾发生时，消火栓喷出的水柱容易击中仍在供电的消防应急灯具，由于水的导电作用，灯具电压就加在消防员身上，如果采用220 V电压，这是很危险的。而对于DC 36 V安全电压供电设备，即使击中，对人身安全也无影响。

《地铁设计防火标准》[2](GB 51298—2018)的11.2.2条、11.2.4条规定，地铁地下区间应设置疏散照明，地下区间道床面疏散照明的最低水平照度值不应小于3.0 lx。地下区间疏散指示标志设置在纵向疏散平台的侧墙上，距疏散平台地面不大于1 m，应急照明灯具距疏散平台地面2.5 m左右，疏散平台距轨道地面在1.5 m左右，故疏散指示、疏散照明灯具距轨道地面分别在2 m、4 m左右。如前所述，依据GB 51309—2018，3.2.1条，地铁应急疏散照明灯均应采用A型灯具。

国标GB 51309—2018实施之前，地铁应急照明多采用220 V供电，实施之后，应急照明供电电压不应大于DC36 V。由于DC36 V供电场所不多，很多设计师不知重点应关注什么，出现了不少问题。尤其是地铁隧道区间的应急照明，供电半径是两个车站距离的一半。两个车站之间的距离短则1 km，长则4 km，甚至更长，供电半径短则0.5 km，长则2 km。对于供电电压≤DC36 V且供电距离较长的线路来说，可能出现电压降过大、短路电流过小问题。笔者就结合设计实例，探讨解决这一问题。

1 设计实例

以某地铁站龙门站为例，与上下两个站点之间距离均在2km左右。区间隧道设正常照明和疏散照明，本文只讨论疏散照明，区间线路疏散照明照度值3 lx，用电负荷等级为一级负荷中特别重要负荷，持续供电时间与隧道类别有关。区间隧道疏散照明供电以区间中点为界，两侧站点照明配电室的应急照明电源箱各供1km，采用集中控制、集中电源型。应急照明采用LED灯具，DC36 V，A型集中电源供电。应急照明供电方案为：变电所低压柜——照明配电间低压柜——消防应急照明双电源箱——应急照明集中电源箱——应急照明灯。应急照明电源箱至末端灯具采用WDZN-BYJ 2x16电线，穿JDG管明敷。

由国标图集19D702-7《应急照明设计与安装》[3]P21可知，消防应急灯具端子处电压偏差允许值可为额定电压的+20%～-20%。依据GB 51309—2018，3.3.5条可知，单回路配接灯具的数量不宜超过60只；依据3.3.6条可知，A型灯具配电回路的额定电流不应大于6 A，同时配接灯具的额定功率总和不应大于配电回路的额定功率的80%。

设计照明方案时可以使用DIALux 软件，调整以下参数：灯具间距、安装高度、光源光通量以及灯具的配光曲线，以获得最佳方案。最终确定了以下设计方案：5 W LED应急照明灯具、光通量850 lm，间距10 m，高度距道床面2.5 m，道床面疏散照明照度值可达到3 lx。地铁隧道区间道床面尚应设置双向方向标志灯，间距10 m。

综上，10 m间距需要设置两盏灯具，一盏方向标志灯(1 W，距道床面0.5 m)及一盏疏散照明灯(5 W，光通量850 lx，距道床面2.5 m)。1 000 m隧道距离较长，考虑电压降的影响，上行区间、下行区间单侧均采用4回路交叉供电，每回路间隔40 m处接一盏双向方向标志灯及一盏疏散照明灯，灯具接线示意图见图1。按每个回路26盏双向方向标志灯、26盏疏散照明灯，合计52盏，功率156 W，单回路电路图见图2。理论负荷电流156/36=4.33 A，经过后面的计算可知，因电压降的影响、灯具恒功率输出的特性，电流比这大。一般导线载流量即可满足要求，但是由于供电电压低、供电距离长，造成回路末端电压降大、短路电流小，所以，应以线路的电压降、短路电流为重点控制参数。

图1 灯具接线示意图Fig.1 Lamp wiring diagram

图2 单回路电路图 (恒流源为LED灯的驱动电源)Fig.2 Single loop circuit diagram

2 电压降

电压偏差是供配电系统在正常运行方式下，系统各点的实际电压对系统标称电压的偏差。用电设备端子电压实际值偏离额定值时，其性能将受到影响，影响的程度由电压偏差的大小和持续时间而定。由国标图集《应急照明设计与安装》[3]可知，消防应急灯具端子处电压偏差允许值可为额定电压的(+20%～-20%)，即线路末端的电压降不应大于20%。

配电设计中，按电压降校验电缆截面时，应计算线路总的电压降，应由变电所低压柜电缆出线算起，直至末端电气设备，即变电所低压柜—照明配电间低压柜—消防应急照明双电源箱—应急照明集中电源箱—应急照明灯，整个电缆回路的压降。但是应急照明集中电源箱有一定的调压功能，即使输入有-10%的压降，输出电压依然是36 V，所以，只需要计算应急照明集中电源箱—应急照明灯线路的电压降即可。

依据国标图集《应急照明设计与安装》[3]，P21直流线路的电压降计算公式如下：

电压降简化计算公式：

Δu=2ρ·P·l/US

(1)

电压降百分数简化计算公式：

ΔUu%=(2ρ·P·l/U2S)×100

(2)

式中，P——有功负荷，W；

l——线路长度，m；

S——线芯标称截面，mm2；

U——标称电压，V；

ρ——工作温度t℃时导线电阻率。

注：直流电阻的计算公式按《工业与民用配电设计手册》[4]P861，式9.4-1和式9.4-2：计入绞入系数Cj=1，电阻温度系数a=0.004，20 ℃时ρ20=0.0172 (Ω·mm2/m)，实际工作温度50 ℃时ρ50=0.01926 (Ω·mm2/m)，70 ℃时ρ70=0.020 64 (Ω·mm2/m)。

(1)电压降简化计算。

将负载等效集中到线路末端，参考国标图集《应急照明设计与安装》[3]算法：

线路电压降Δu%=(2ρ·P·l/U2S)×100=2×0.02064×156×1040/(362×16)×100=32.3>20；计算虽然简便，但与实际工程不符。有两个原因：其一，线路末端距离电源最远，但是负载最小，末端只有两盏灯具(5+1=6 W)，与简化的负载156 W相比甚远；线路首端距离电源最近，负载最大，首端负载156 W。其二，电压值不是固定值，直流电压U就是负载的配电电压，随着线路距离的变长，线路电压降变大，灯具支路两端的实际电压U是在减小的。方便之处就是采用该式可以简化计算，将负载集中在线路末端最不利情况，由该式得出的电压降，如果≤20%，则实际值肯定<20%，如果不满足，则需要进一步计算。比如长距离供电线路，地铁隧道、交通隧道等狭长场所线路就需要进一步计算。

(2)电压降精细计算法1。

依据电压降公式Δu=2ρ·P·l/US，由线路始端开始，计算每一段干线线路(两个灯具支路之间)的电压降Δui、节点电压Ui、每一个灯具支路的电流Ii。第一步，先算出电源箱至第一个灯具支路处该段线路电压降Δu1，此段线路的负载为全部负载nP(156W)，电压为U0(36 V)，并算出该支路节点电压U1，以该点电压计算出该灯具支路电流I1=P/U1。然后以该支路节点电压U1作为计算电压U，再算出第一个灯具支路至第二个灯具支路之间那段干线电压降Δu2，此段线路的负载不包含第一个支路的负载，负载为(n-1)P，即(26-1)×6=150 W，并算出第二个灯具支路节点电压U2及支路电流I2=P/U2，以此类推，直至最后一个支路的节点电压Un及支路电流In。最后，各段电压降Δui求和，即可以算出线路末端电压降Δu，各支路电流Ii求和，即可以算出线路始端总电流I0。

计算任一灯具支路电流时，输入功率P输入采用恒定功率、电压采用各节点实际电压Ui，原因就是LED照明灯具有恒功率输出特性[5](P输出为常数)，灯具工作时尚有一部分能量以发热形式损失了(P损失接近常数)，根据能量守恒定律P输入=P输出+P损失，故各节点输入功率P输入也是恒定的，根据P输入=Ui·Ii=常数，各节点电压Ui降低，则节点输入电流Ii增大。

对于类似本案例这种项目，每个支路灯具规格参数(功率P)一致，沿线路均匀布置，灯具间距l，灯具数量n，依据电压降精细计算法，Δu=2ρ·P·l/US，利用Excel软件输入公式函数，可以建立以下递推关系：

U0=36 V，

Δu1=2ρ·nP·l/U0S，U1=U0-Δu1，I1=P/U1，

Δu2=2ρ·(n-1)P·l/U1S，U2=U1-Δu2，I2=P/U2，

…

Δui=2ρ·[n-(i-1)]P·l/Ui-1S，Ui=Ui-1-Δui，Ii=P/Ui，

…

Δun-1=2ρ·[n-(n-1-1)]P·l/Un-2S，Un-1=Un-2-Δun-1，In-1=P/Un-1，

Δun=2ρ·[n-(n-1)]P·l/Un-1S，Un=Un-1-Δun，In=P/Un，

I0=I1+I2+…Ii…+In，

Δu%=100 (Δu1+Δu2+Δu3+…+Δun)/U0，或Δu%=(1-Un/U0)×100，二者结果相同。

由以上公式可算出各段干线电压降Δui，节点电压Ui，各支路电流Ii，最后求和，即可算出线路始端电流I0=∑Ii、末端电压降Δu=∑Δui。计算结果如表1所示。

表1 节点总功率、电压降、实际电压、支路电流

续表1

总压降为各段压降代数和，Δu%=100×6.616/36=18.4，或者Δu%=(1-29.384/36)×100，其中6.616为各段压降代数和。实际压降18.4%仅是简化计算结果32.3%的57.0%，满足规范关于应急灯具端电压的要求。线路始端电流I0为各支路电流代数和4.955A，比理论值156/36=4.33A高了14.4%。

从上表可知，配电线路随着距离变长，电压降变大，各支路节点电压变低，各节点电流变大。

(3)电压降精细计算法2。

由国标图集《应急照明设计与安装》[3]，P27可查得电压降精细计算公式为：

Δu=(1+1/n)ρ·P·l/US

(3)

式中，n——灯具数量，假定每个支路灯具规格参数一致，沿线路均匀布置，灯具间距l/n，

ρ——工作温度t℃时导线电阻率，20 ℃时为0.0172 (Ω·mm2/m)，70 ℃时为0.02064 (Ω·mm2/m)；

P——线路功率，W；

l——线路长度，m；

S——线芯标称截面，mm2。

注：该图集计算电压降时，取的是70 ℃时电阻率0.02064 (Ω·mm2/m)。

Δu=(1+1/26)0.02064×156×1040/(36×16)=6.03V，Δu%=(Δu/U)×100=(6.03/36)×100=16.8，与精细计算1值18.4接近，低了1.6%。可见对于每个支路灯具规格参数一致、由配电箱开始沿线路均匀布置的情况，该精细计算公式比实际值略低，比简化计算公式准确。

如果采用DC24V供电，由精细计算法1通过计算各节点的电压，最后得出电压降为50.6%，由精细计算法2计算的电压降为37.7%，误差也很大。DC24V供电方式，由于电压低、压降大，供电距离短，相对不合理。

3 短路电流

直流电源系统短路电流计算电压，应取系统标称电压36 V或24 V，相关行业正在进行修编地铁隧道等长距离供电线路电压上限值。短路电流计算时不计及充电装置助增电流，在应急照明的末端线路上发生短路时，该直流回路中，有蓄电池内阻、蓄电池连接条电阻、低压导线等多种电阻元件[6]。蓄电池内阻、蓄电池连接条电阻等相对线路电阻来说很小，为了简化计算，本工程予以忽略不计，只计算低压导线的直流电阻。

70 ℃时铜导体的电阻系数ρ=0.02064(Ω·mm2/m)，则应急照明配电箱至末端灯具回路的单相直流电阻(距离1 040 m)如下：采用16 mm2导线时，直流电阻为R1=0.02064×1040×2/16=2.68 Ω；采用25 mm2导线时，直流电阻为R2=0.02064×1040×2/25=1.72 Ω。

回路直流短路电流计算公式为Id=U/R，计算结果如表2所示。

表2 线路末端短路电流

4 保护开关选择

照明线路的保护应具有过负荷保护、短路保护，保护开关动作电流还应避开灯具的启动电流。回路的总计算电流应取各支路电流的代数和，4.95A，不是简单的按总功率除以电压，即P/U=156/36=4.33A，因为各支路的电流是不同的。保护电器采用6A熔断器，耐火型铜线，环境温度35 ℃，穿管明敷16 mm2载流量96A，见《建筑电气常用数据》[7]中表6.7。

(1)配电线路熔断体过负荷保护应符合下式要求[8]：

Iz≥Ir≥Ic，I2≤1.45Iz

(4)

式中Iz——导体允许载流量，A；

Ir——熔断体的额定电流，A；

Ic——线路的计算电流，A；

I2——保证保护电器可靠动作电流，A。当保护电器为熔断器时，为熔断体约定时间内的约定熔断电流，由产品制造厂给出。对于圆筒形帽熔断器，当4≤Ir≤16时，满足Ir≤0.76Iz即可满足要求，见《工业与民用配电设计手册》[4]P961，表11.2-1。

96A> 6A>4.95A，6≤0.76×96，均满足要求。

(2)照明线路熔断体的保护，还应躲过照明灯具的启动电流，应符合式(5)要求[4]：

Ir≥KmIc

(5)

式中Km——照明线路熔断体的选择计算系数，其值参考《工业与民用配电设计手册》[4]表11.6-30，LED灯采用RL7型熔断器保护时，Km=1.2，RL6型熔断器保护时，Km=1.3。

6A>1.2×4.95A，RL7型满足要求，RL6型不满足要求。RL7型熔断器，更容易躲过灯具的启动电流。

(3)当配电线路发生故障时，熔断体应在规定的时间内熔断，以切断故障电路。因此，熔断体额定电流不能太大，但是规范并没有规定DC36 V电压供电线路的切断时间，笔者认为10～15 s比较合适。如果超过15 s，当应急照明电源采用集中电源型时，持续的故障电流会持续地耗费蓄电池能源，将减少应急照明的持续时间。如果回路短路电流较大，尚需验算回路中各器件的热效应。

为此需要根据线路末端最小短路电流，校核熔断器最大熔断时间。不同型号熔断器的熔断时间-电流特性曲线差别较大，RL7型熔断时间-电流特性曲线[9]如图3所示。

图3 RL7型熔断时间-电流特性曲线Fig.3 RL7 type fusing time-current characteristic curve

由图3可知，故障电流越大，熔断时间越短；故障电流越小，熔断时间越长。由上节可知，DC36 V配电距离1 040 m时，预期电流13.4A，此时6A熔断体的熔断时间为150 s左右，故障电流持续时间过长，不合理。应减小回路长度，或放大导线截面，以提高末端短路电流。如果减小回路长度至930 m，此时短路电流15 A，熔断时间10 s左右，是合理的。即RL7型6A熔断器，若要熔断时间≤10s，则短路电流应≥15A。根据短路电流、电阻公式，可以推导出极限供电距离公式L=U.S/(2ρ·Id)，RL7型熔断器保护时，DC36 V供电，铜导线供电极限距离如下：35 mm2，≤2035 m；25 mm2，≤1453 m；16 mm2，≤930 m；10 mm2，≤581 m；6 mm2，≤349 m；4 mm2，≤233 m；2.5 mm2，≤145 m等。

由于不同类型熔断器的熔断时间-电流特性曲线不同，不同类型熔断器熔断时间10s左右时，要求的最小短路电流不同，极限供电距离也不同。另外仅考虑短路电流是不够的，还应考虑线路末端电压降、始端总负荷电流，尤其是长距离供电线路。

(4)当配电线路发生短路故障时，对于A型应急照明集中电源控制箱，内部的MOS管等电力电子器件是很难单独由熔断器保护的。当发生短路故障时(线路电流≥1.5倍额定电流，不同厂家略有不同)，常用的方案是由电源板的控制器件关断MOS管，并向主机发出故障报警信息，熔断器仅作为保护的辅助手段。

现在市场上的控制器也在加大MOS管电流规格，并使其能挺过一个支路发生短路时的故障电流，然后等熔断器熔断并断开线路。因此，实际项目中，除了用负荷电流、启动电流、末端短路电流校验的同时，还需要核对快速熔断器与MOS管的失效电流时间之间的关系。

不过更重要的是逻辑关系判断：

1)发生火灾时，应急照明回路全部启动，如果任一回路发生短路故障，只能依靠熔断器保护，控制器不应关断MOS管。因为，此时正在疏散人员，如果关断回路，将会造成恐慌，可能发生人员践踏事故。

2)未发生火灾时，没有人员疏散，如果任一回路发生短路故障，控制器应关断MOS管，并向主机发出故障报警信息，熔断器仅作为保护的辅助手段。

5 结语

经过以上分析可知，对于供电距离较长的安全特低电压(≤DC36 V)照明线路，应重点关注两点：电压降、短路电流，二者均应满足要求。只满足其中一项，电压降或短路电流，另外一项不一定满足要求。通过以上研究，可以得到如下结论：

1)提高供电电压等级或放大导线截面积，可以减小线路电压降。对于消防应急照明灯具供电电压，除了规范有规定的场所之外，应首先采用DC36 V供电，应限制DC24 V供电使用范围，尤其是长距离供电线路。笔者认为，既然消防应急灯具端子处电压偏差允许值可为额定电压的+20%～-20%，那么线路首端配电箱供电电压可以提高到36+36×20%=43.2 V，或者考虑5%的余量，36+36×15%=41.4 V，这样可以有效降低线路末端电压降，延长供电距离。如果线路首端配电箱供电电压不应高于36 V，那么消防应急灯具端子处电压偏差值为额定电压的+20%～-20%是没意义的，此时电压偏差值+5%～-20%是合理的。

2)减小回路总负荷可以减小回路电压降，且有助于保护开关的选择。配接灯具的额定功率总和即使不大于额定功率的80%，也不一定满足实际需求。实际工程应根据配电线路距离、导线截面、实际负荷等参数计算各节点电压、电流，最后算出线路末端电压降。线路首端负荷电流仅考虑理论负荷电流P/U是不够的，还要考虑由于电压降，引起线路负荷电流增大。始端回路总电流应取各支路电流的代数和，各支路电流应以各支路两端实际电压计算。

3)熔断器的性能适合A型应急照明线路的保护，但是应校核熔断器熔断时间-电流特性曲线。既要躲过灯具的启动电流，发生短路时又要快速熔断。熔断器在A型集中电源内部，由应急照明配电箱厂家成套供应，厂家应根据熔断时间-电流特性曲线选择合适的熔断器，并提供允许的最大启动电流、最小短路电流数据。设计师在设计配电线路时，应根据厂家提供的最大启动电流、最小短路电流，计算线路供电极限距离及总负荷电流并校核启动电流。