导 读
针对河北省首座全地下轨道交通110 kV主变电站，从工程建筑定性、建设规模以及地下变电站的特殊性角度出发，对该建筑物消防系统选取、消火栓系统流量取值、火灾延续时间确定、气灭系统设置、灭火器及消防沙箱配置、消防排水组织、与火灾自动报警系统（FAS）系统联动控制等方面进行了分析和总结，并结合设计过程遇到的问题、注意事项及有争议的设计点进行阐述，提出了一套安全可行的轨道交通全地下变电站消防给水及灭火设施配置设计方案。
0 引言
传统地上轨道交通主变电站受线网选址制约，常位于城市中心，建成后对城市景观的影响及噪声污染是轨道交通环境保护关注的重难点之一。运河桥变电站作为石家庄市轨道交通2号线一期工程的地铁专用110 kV变电站，开创性的采用了河北省首座全地下110 kV变电站，地面只保留了人员出入口和风口，其地上规模仅为传统同规模地上变电站的十分之一，不仅弱化对城市景观、生态环境的影响，而且还可以结合周边规划情况进行整体化设计，与周边景观完全融合在一起，改变了传统变电站与城市的关系。
1 项目概况
变电站用地位于建设北大街西侧、石德铁路北侧，建和桥站与义堂站之间，现状为运河桥客运站用地，规划为城市绿地。该工程为地下3层纵横梁箱型框架结构，顶板覆土厚度约1.5 m，底板埋深19.15 m，总建筑面积5 235.56 m²。其中地下建筑面积为4 915.36 m²，其中地面附属建筑面积为320.2 m²。
地下1层主要设备用房包括1号、2号主变间上空和GIS室上空、空调机房、二次设备室、蓄电池屏室、气瓶间、消防泵房、消防水池等，管理用房设有一个值班室（兼消防）。地下2层主要为1号主变间、2号主变间、站变室、GIS室、SVG室等重要的设备用房以及空调机房。地下3层主要为电缆夹层、主变油池和空调机房。该变电站正常运行时承担2号线约一半用电负荷，于2019年11月10日全线电通。
变电站位于地下解决了环境、噪声等问题，但对消防、排水及防灾等方面设计是一次的考验，目前国内轨道交通全地下变电站极少，关于此方面的设计规范要求不一致，设计可供参考借鉴案例较少。通过查阅大量资料、考察国内类似工程、并组织多次技术讨论后形成了本工程的消防给水系统及固定灭火装置方案。
2 消防系统设置选取
2.1 消防概况及消防特点
本工程消防设计基于同一时间内变电站可能发生的火灾次数为一次来考虑。建筑定性为丙类无人值守变电所，耐火等级地下一级、地上二级，单台油浸变压器含油量约为17 t，总建筑体积50 000 m³＞V＞25 000 m³。地下建筑高度-17.65 m，地上建筑高度8.5 m。
本工程的主变电站、GIS室、SVG室等重要电器房间均位于地下2层，重要电器设备房间采用耐火极限不低于2 h的隔墙和耐火极限不低于1.5 h的楼板与其他部位隔开。变电所设备选型注重防火，除变压器外均不采用油开关及设备，中、低压电缆均采用阻燃低烟无卤型。本工程具有人员较少，可燃物少的特点，火灾发生概率低，火灾主要为房间内电器火灾，发生火灾后应优先考虑在火灾前期通过自动灭火将火灾扑灭，若火情蔓延，则疏散及救援难度较大。发生火灾后直接影响轨道交通2号线的运营，社会影响较大。
2.2 系统设置及选取
通过对本工程建设及火灾特点分析，灭火理论上应在有可能发生火灾的房间设置自动灭火设施，优先扑灭火灾，各房间通过防火墙及防火门分隔，将火情扩散概率降到最低。发生火灾后，变电所值班室，义堂站车控室及控制中心（OCC）收到报警反馈，若发现火情蔓延，则由消防人员通过灭火器、室内外消火栓系统灭火。灭火设施设置主要有室内消火栓给水系统、室外消火栓给水系统、推车及手提灭火器布置、沙箱配置、气体灭火系统。
3 消防给水系统及固定灭火装置设计
3.1 消火栓系统
3.1.1 水源选取
消火栓系统水源优先考虑市政供水水源，分别由本工程西侧建设大街上DN500供水管网和北侧丰收路上DN300供水管形成的环装供水管网上接入两根DN200的给水管作为本项目的水源，接入点水压约为0.20 MPa。
3.1.2 消火栓系统水量及火灾延续时间选取
关于室内外消防水量的选取，本项目设计阶段可依据规范为《消防给水及消火栓系统技术规范》（GB 50974-2014）、《火力发电厂与变电站设计防火规范》（GB 50229-2006）、《35~220 kV城市地下变电站设计规程》（DL/T 5216-2017）、《地铁设计防火标准》（GB 51298-2018）4本规范，但各规范对本项目消防水量要求不同。因此在考虑本工程消火栓流量选取时，进行过详细论述及讨论。
（1）按照《消防给水及消火栓系统技术规范》（GB 50974-2014），考虑本工程是地下建筑，工程总体积V＞25 000 m³，室内消火栓流量Q=40 L/s，室外消火栓流量Q=25 L/s，火灾延续时间为2 h。
同时本规范3.4.8条对变电站室外消火栓设计流量有相关要求，本工程变电站单台油浸变压器含油量W=17 t，室外消火栓设计流量取20 L/s，火灾延续时间为2 h，但规范对此要求仅局限于地上构筑物，不适用于本工程，所以仅可作为参考。
（2）依据《火力发电厂与变电站设计防火规范》（GB 50229-2006），本工程建筑火灾危险性为丙类，耐火为一级，按照本工程建筑体量，本工程室外消防流量按30 L/s，室内消火栓用水量不小于10 L/s，火灾延续时间在本规范中未做要求，本规范未界定变电站位于地下或地上，均统一取值。
（3）《35~220 kV城市地下变电站设计规程》(DL/T 5216-2017)中要求本工程需设置室内外消火栓系统，并对室内消火栓安装位置有相关要求，但对室内外消防用水量未做详细要求，具体设计标准依据火灾危险性、火灾特性和环境条件等因素综合确定。
（4）《地铁设计防火标准》(GB 51298-2018)要求同（2）。
4本规范要求对比如表1所示。
表1 全地下主变电站消火栓流量及火灾延续时间设计规范要求
通过对4本规范关于本工程室内外消火栓系统的要求进行分析，同时考虑变电站的重要性及位于地下救援难度增加等诸多因素，室内外消防用水量及火灾持续时间按规范较严的要求来确定，最终明确室外消防用水量Q=30 L/s，室内消防用水量Q=40 L/s。火灾延续时间，不小于2 h。
3.1.3 室内外消火栓系统设计
（1）室外消火栓系统。由本工程附近建设大街和丰收路接入两根不同的DN200水源管，经过倒流防止器后，在本工程建设红线内成环，室外消火栓在供水环管上设置，室外消火栓距离本工程消防车道边缘不超过2.0 m，消火栓在场区内均匀布置且间距不超过100 m，并保证其距离水泵接合器15~40 m。根据本工程体量，共设置两组室外消火栓+水泵接合器组。供水压力保证灭火最不利点消火栓的水压不小于0.10 MPa（从室外地面算起），核算后利用市政压力可满足室外消火栓系统压力需求。
（2）室内消火栓系统。按照本工程建筑高度，本工程消火栓系统不分区，仅考虑一个分区，最大静压0.52 MPa，小于1.0 MPa。
本工程消火栓，栓口动压不应小于0.25 MPa，水枪充实水柱不应小于10 m，市政压力不满足消火栓压力要求，因此采用临时高压消火栓系统，火灾时由泵房加压系统加压灭火。
消防泵房与消防水池设置在地下1层，距地面高度-7.45 m，通过消防泵房附近2号出入口可通往地面。消防水池储存一次消防室内消火栓系统的用水量，有效容积不小于288 m³，由室外消防供水环网接入一根DN100供水管为消防水池补水，消防水池不分格。消火栓加压泵设置2台(1用1备)，水泵型号为Q=40 L/s，H=40 m，N=30.0 kW，消防泵采用消防电源，一级负荷，消防水泵出水管两路在本工程内部成环。
因本工程的土建特点，设置屋顶高位水箱位置受限，因此未设置高位水箱仅考虑设置了稳压设备一套，稳压设备与室内消火栓环网系统通过DN100管道连接，平时管网压力由稳压设备稳压。
消火栓布置保证同层相邻的两个消火栓的充实水柱同时到达被保护范围的任何部位，消防电梯间前室设消火栓，最不利点设置试压消火栓。消火栓充实水柱不小于10 m，间距不大于30 m，栓口动压不小于0.25 MPa。每组消火栓箱均配DN65口径的消火栓、25 m长的DN65衬胶水龙带1根（带快装接头）和19口径的水枪喷嘴1套（水枪为直流水雾两用水枪）、自救式消防水喉1套、消防按钮1只。在地下3层中消火栓栓口出水压力超过0.5 MPa，采用减压稳压消火栓。
由地下1层消火栓环网，接出两组共4个水泵接合器，每组接合器为双排并列式。本工程水泵接合器设置的总给水流量大于室内消火栓设计流量40 L/s，室内消防原理如图1所示。
图1 室内消火栓系统原理
3.2 气体灭火系统
常规的地上轨道交通主变电站，不需要设置自动灭火系统。但对于本工程全地下主变电站，按现行《地铁设计防火标准》《35~220 kV城市地下变电站设计规程》相关规定及要求，对重要电器房间设置了自动灭火系统。保护区除规范明确要求房间外，同时按地下车站保护区标准对同类型或同性质房间进行了保护，本工程自动灭火系统保护房间为二次设备室、GIS室、小电阻接地装置室、SVG室（2个）、1#主变间、2#主变间、值班室（兼消防）、1#站变、35 kV配电装置室、蓄电池屏室、民用通信设备室。
灭火介质选取IG541混合惰性气体，对环境无污染，对设备无腐蚀，对人员安全。最大保护区体积1 756.17 m³＜3 600 m³，面积138.09 m²＜800 m²，符合选用管网灭火系统的要求。按全淹没组合分配式设计，各保护区灭火剂设计浓度及高低温复核浓度均满足37.5%~52.0%的要求。
GIS室、1号主变间、2号主变间净空高度为12.9 m，考虑气体灭火的喷头保护高度不宜大于6.5 m，因此对此高大空间气灭保护区采用双层气灭喷头保护，GIS室及主变间气灭保护区上方吊装孔，采用预制条形混凝土盖板进行封堵，封堵需严密，封堵物承压需大于1 200 Pa，如图2所示。
图2 高大空间GIS室气灭保护剖面
3.3 灭火器及消防沙箱配置
考虑本工程火灾危险性大、影响大的特点，灭火器配置按严重危险建配置。火灾种类，电气机房为E类，其他为A类，灭火器选用磷酸铵盐干粉灭火器。
每个消火栓箱下部设置3具MF/ABC5手提式磷酸铵盐干粉灭火器，灭火器放置位置满足A类火灾场所最大保护距离15 m、E类火灾场所最大保护距离9 m的要求。1号、2号主变间配置手提式和推车式磷酸铵盐干粉灭火器，同时配置消防沙箱，其他重要电器房间单独增设2具灭火器。
3.4 消防排水系统
地下变电站在消防电梯、消防泵房及变电站低点，需考虑消防排水。
消防电梯排水、消防泵房排水单独考虑，其中消防电梯排水需求按《消防给水及消火栓系统技术规范》要求考虑，按有效容积＞2 m³，总水泵流量＞10 L/s；消防泵房排水泵总排水能力按不小于补水管的补水能力选型，避免水池液位判断失误时持续补水影响变电所运行。变电所局部低点排水，按《地铁设计防火规范》（GB 51298-2018）要求总排水能力不应小于一次消防的室内消防水量及结构渗漏水量总和，其中室内消防水量144 m³/h，结构渗漏水量不超过0.5 m³/h。考虑单设一处排水泵站体量较大，因此在本工程地下3层设置5处小体量排水泵站，单处排水能力30 m³/h，满足排水需求。变电所内地下1层、地下2层消防排水通过地漏及楼面层找坡排至地下3层，地下3层由排水沟组织将排水排至各处小集水坑。其中主变间排水，需经过地下隔油室后，再排至集水坑，如图3所示。所有排水泵均按一级负荷消防电源配电，参与消防期间排水，本工程建筑设备自动化系统（BAS）监控水泵状态。
图3 主变油池排水组织
3.5 系统控制
变电站设置火灾自动报警系统（FAS），按一级保护对象设计。2号线一期工程全线设有火灾报警控制中心，变电站与控制中心联网，实现中心与变电站两级管理，中心、变电站、就地三级控制。
本工程消火栓水泵启动方式有压力开关自动启动、就地手动启动、机械应急启动、远程启动4种启动方式。变电站内消防泵由FAS监控，发生火灾时，通过消火栓箱内的消防按钮向FAS发出启泵信号，FAS确认后启动消防泵并通过其系统模块点亮消火栓按钮上的启泵指示灯，告知消防人员消防泵启动，同时消防泵与变电站的值班室手动控制盘有手动控制线连接，在紧急情况下也可直接由手动控制盘上的按钮远程直接启动消防泵。
本工程气体灭火系统具备自动控制、手动控制及机械应急操作3种启动方式。在气灭保护的房间收到烟感或温感的火灾信号后，气灭控制盘启动设在防护区的警铃，同时向FAS系统提供火灾报警信号，由FAS系统联动气灭控制系统完成保护区灭火功能。
4 设计思考及注意事项
（1）值班室（兼消防）是否需要设置气灭的。在轨道交通的设计中车站控制室一般不设置气灭，变电站的值班室（兼消防）功能定义FAS区域机，本工程为无人值守变电站，在值班室（兼消防）FAS机柜内设置消防专用电话主机，主所内电话接入邻近义堂站；考虑值班室（兼消防）设置了FAS主机、蓄电池等重要电器设备，但非24 h值守，在因此本工程值班室（兼消防）考虑气灭保护。但需要与运营单位交底明确，在巡检人员值班期间，该房间需调至手动状态，避免误喷放对值班人员造成人身伤害。
（2）本工程变电所建筑定义丙类变电所，是否需要考虑喷淋系统。依据《建筑设计防火规范》（GB 50016-2014）关于丙类仓库、厂房，超过一定规模需设置自动灭火系统，但本工程为变电所，不属于规范要求的厂房或仓库，且各重要电器房间均已设置气体灭火系统，走廊和空调机房等其他非电器房间基本无可燃物，设置自动喷水灭火系统意义较小，因此不考虑设置。
（3）消防水池补水需要具备远程BAS自动控制功能。因本工程属于无人值守工程，消防水池补水浮球阀为易损件，如发生故障，运营人员从收到高报警液位信号至关断阀门期间易引起供水大量流失，且更换阀门期间供水不能自动控制。基于上述考虑，在本工程消防水池设置超声波液位计，补水管设置电动蝶阀，在浮球阀故障后通过超声波液位信息反馈至BAS联动控制补水管上电动蝶阀的开启及关闭，如图4所示。
图4 液位联动控制补水管电动阀
（4）1号、2号主变电间气灭设计及安装注意事项。①主变间墙体设置为钢筋混凝土作为防爆墙，因此这类房间的泄压口应随结构同期预埋，避免后期开孔影响工程质量；②设备吊装孔管道避让。与常规的地下轨道交通吊装孔设置形式不同，地下变电所的受设备尺寸控制及泄爆要求，吊装孔一般直接设置设备房间，因此在设计气灭房间管道时应核查吊装孔位置，不论设备是否已完成吊装，管道及喷头安装应靠近边墙布置，避让吊装孔，如图5所示。
图5 主变间气灭管道布置方式
微信对原文有修改。原文标题：全地下模式轨道交通主变电站消防系统设计要点分析；作者：刘庆、邹鲁、邵红波、段英随、宋婷婷、田福州；作者单位：北京城建设计发展集团股份有限公司、石家庄市轨道交通集团有限责任公司。刊登在《给水排水》2021年第11期。