基于EPS系統(tǒng)的消防應(yīng)急電源車設(shè)計

林卡　李欽海　林富華　鄒明霞

摘要：應(yīng)急電源車作為我國電力工程中重要的裝備，已成為電力系統(tǒng)應(yīng)急預(yù)案的重要組成部分。而在電力系統(tǒng)應(yīng)急設(shè)備的選型中，消防應(yīng)急EPS電源應(yīng)用范圍已經(jīng)越來越大。文章介紹了一種基于EPS系統(tǒng)的消防應(yīng)急電源車，通過搭載消防應(yīng)急電源EPS，配合相應(yīng)的電路設(shè)計，使整車與傳統(tǒng)應(yīng)急電源車相比具有更大的實用性和經(jīng)濟性。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急電源車；EPS系統(tǒng)；消防聯(lián)動控制；電力工程；電力系統(tǒng)；應(yīng)急設(shè)備 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U469 文章編號：1009-2374（2016）20-0005-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.20.003

1 概述

隨著社會的發(fā)展，人們對電力系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求，特別是對于關(guān)鍵負(fù)荷，當(dāng)電力供應(yīng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，將會造成嚴(yán)重的政治或經(jīng)濟損失。應(yīng)急電源車因具備機動性強和便于維護的特點，越來越受到用戶的青睞，在接到保供電命令時，應(yīng)急電源車能第一時間到達現(xiàn)場，為用戶設(shè)備提供備用的電能。從目前市場需求來看，使用較多的是以發(fā)電機組或UPS系統(tǒng)為后備電能的應(yīng)急電源車，這兩種電源車日常維護頻繁、效率低，增加使用和維護成本，特別是柴油發(fā)電機組的排煙中含有大量的二氧化硫，污染環(huán)境，而UPS的輸入電流諧波則會對電網(wǎng)造成污染。

2 消防應(yīng)急電源車的系統(tǒng)組成

隨著國家及人們對環(huán)保意識的增強，使用消防應(yīng)急EPS電源系統(tǒng)是必然趨勢，從產(chǎn)品性價比來看，由于硬件成本相對于發(fā)電機組或UPS而言會稍高一些，但是綜合維護成本較發(fā)電機組或UPS而言要低。由于人們對消防電源的認(rèn)識不夠，很大程度上給市場前景帶來一定的阻礙，但這些情況會隨著社會的進步，慢慢被人們所接受，因此消防應(yīng)急電源車產(chǎn)品具有非常廣闊的發(fā)展前景。本文著重介紹了消防應(yīng)急電源車的組成和各組成部分的電路設(shè)計。本文所設(shè)計的消防應(yīng)急電源車主要由底盤車、車廂、消防應(yīng)急EPS電源系統(tǒng)、后備蓄電池、輸入輸出系統(tǒng)、消防聯(lián)動系統(tǒng)、車內(nèi)配電系統(tǒng)、電纜收放系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)框圖（見圖1）：

3 消防應(yīng)急電源車的具體設(shè)計

3.1 消防應(yīng)急EPS電源系統(tǒng)設(shè)計

3.1.1 EPS分類。應(yīng)急電源按供電負(fù)荷的類型主要可分為如下三類：（1）應(yīng)急照明型：主要是單相輸入單相輸出EPS，用于應(yīng)急現(xiàn)場的照明。此類EPS由于在應(yīng)急時輸出為單相電源因此只能供單相照明負(fù)載。（2）混合負(fù)載型：除了用于應(yīng)急照明外，還可應(yīng)用于空調(diào)、電梯、消防水泵、卷閘門等電感性負(fù)載的三相輸入三相輸出系列EPS。此類EPS由于使用到三相負(fù)載，因此應(yīng)急輸出為380V三相交流電壓。但由于沒有變頻緩啟動裝置，當(dāng)連接一些直接啟動的電機時需要擴容。（3）變頻啟動型：此類EPS直接為電動機供電，同時帶有變頻啟動功能。主要是針對單一的電機負(fù)荷，考慮到電機啟動瞬間產(chǎn)生的大沖擊電流，對電網(wǎng)及電機本身的影響，所以加入變頻啟動以減少對電網(wǎng)的干擾。

3.1.2 EPS選型。綜合負(fù)載情況及成本考慮，選擇混合負(fù)載型，滿載功率為100kW的EPS，其工作原理框圖如圖2所示：

工作原理如下：正常工作時DSP檢測主電或備電是否正常，同時確定K3的工作狀態(tài)，若主電正常時，輸出主電；主電異常、備電正常，則輸出備電；當(dāng)主、備電都異常時，通過DSP的控制使逆變器啟動，將蓄電池能量逆變成純凈的交流電源后供給EPS輸出。當(dāng)主電或備電正常時，充電器同時完成對備用電池組的充電。電池檢測電路實時檢測單節(jié)電池的電壓，當(dāng)出現(xiàn)故障時則給出報警。報警電路檢測輸出支路及充電回路的故障情況，若故障發(fā)生則給出聲光報警信號，聲信號可以通過面板的消聲鍵消除，光信號保留當(dāng)前狀態(tài)，直到故障消除才自動熄滅。浪涌抑制電路能對電網(wǎng)中的有害脈沖給予衰減，以至不損壞系統(tǒng)及用戶設(shè)備。

3.2 后備蓄電池組設(shè)計

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，消防設(shè)備應(yīng)急電源所配置的蓄電池需滿足市電停電后90分鐘的應(yīng)急后備時間。

3.2.1 電池計算方法。本次設(shè)計選用湯淺蓄電池，單節(jié)電池容量計算方法為：

Cn=Pload/Einv/A

式中：

Cn——單顆電池需要的放電功率

Pload——負(fù)載的平均功率

Einv——EPS逆變器效率

A——配置電池數(shù)量

得出Cn后，根據(jù)Cn尋找電池的放電特性，在需求的放電時間內(nèi)，電池恒功率放電的能力要大于等于Cn，才能滿足要求。單節(jié)電池放電終止電壓為10.2V（1.70V/2V）。

3.2.2 本方案電池計算。本方案設(shè)計容量為100kW EPS，逆變器效率為0.95，按EPS電池配置為40節(jié)1組，則：

Cn=100*1000/0.95/40=2631.5789W

單體2V電池需要提供的功率為2631.5789/6=438.596W，查湯淺電池對照表；NP210-12恒功率放電表90分鐘為164.5W（按放電終止電壓1.70V），三組并聯(lián)達到493.5W大于需求438.596W，滿足90分鐘以上應(yīng)急時間，因此選用型號為NP210-12的湯淺電池，數(shù)量為120只。

3.3 輸入輸出系統(tǒng)設(shè)計

3.3.1 輸入系統(tǒng)。滿載功率為100kW的EPS，單相電流為100kW/380/1.732=152A，考慮到可能出現(xiàn)三相負(fù)載不均衡的情況，選用200A的快速連接器（XP1～XP8），同時可節(jié)省操作時間，提高工作效率。其中QF1為主電輸入斷路器，QF2為備電輸入斷路器。

3.3.2 輸出系統(tǒng)。EPS輸出系統(tǒng)配置總輸出斷路器QF3，分三個輸出回路：第一輸出回路經(jīng)QF4和快速連接器XP9～XP12直接與負(fù)載相連接；第二輸出回路經(jīng)QF5連至消防聯(lián)動控制系統(tǒng)；第三輸出回路經(jīng)QF6連至車內(nèi)配電系統(tǒng)。

3.4 消防聯(lián)動控制系統(tǒng)設(shè)計

消防聯(lián)動系統(tǒng)主要是指消防設(shè)備能在每個火災(zāi)時間點依據(jù)消防人員的控制指令準(zhǔn)確動作，使消防設(shè)備的應(yīng)急作用得到最大發(fā)揮。本方案所設(shè)計的消防聯(lián)動控制系統(tǒng)（見圖3），K1為消防聯(lián)動控制繼電器，其線圈連至消防聯(lián)動控制中心，由消防聯(lián)動控制中心發(fā)出控制信號，通過控制K1、KM1，達到控制消防聯(lián)動輸出的目的。

3.5 電源車內(nèi)配電系統(tǒng)設(shè)計

電源車內(nèi)配電系統(tǒng)電路設(shè)計的配電系統(tǒng)輸入采用雙路輸入：一路為市電輸入；另一路為EPS第三回路輸入。通過KM3和KM4組成雙電源自動切換系統(tǒng)，所設(shè)計的電源車內(nèi)用電設(shè)備主要有：

3.5.1 照明系統(tǒng)：包括操作間、EPS室及絞盤室的照明。

3.5.2 插座：包括操作間空調(diào)及車內(nèi)插座，車內(nèi)插座可以保證EPS維護時的用電需求。

3.5.3 升降照明燈：升降照明燈的配置，可以為操作人員提供夜間工作環(huán)境下的照明。

3.6 電纜收放系統(tǒng)設(shè)計

考慮到消防應(yīng)急電源車可能處于無市電的情況下工作，因此本方案在電纜收放系統(tǒng)的設(shè)計上采用液壓動力電纜絞盤。液壓電纜絞盤包括：取力器、取力器控制器、油泵、油缸及高壓油管、液壓馬達、絞盤及支架總成。底盤車上裝有取力器，帶動油泵回油，然后驅(qū)動液壓馬達，液壓控制回路連接至液壓馬達，齒輪泵外接設(shè)有開關(guān)的取力器及發(fā)動機或其他原動機；液壓馬達通過正、反轉(zhuǎn)或停止驅(qū)動絞盤正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停止，從而實現(xiàn)電纜的收和放。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間較小、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，既方便快捷，又能保證在野外或無外接市電的情況下工作。

3.7 車廂

3.7.1 車廂材料。為保證EPS及蓄電池的工作環(huán)境，箱體采用鋼骨架加內(nèi)蒙皮和外蒙皮的結(jié)構(gòu)，外蒙皮采用1.2mm冷軋鋼板。內(nèi)蒙皮和外蒙皮間填充吸音、減振、隔離材料。車架、骨架加工采用可工裝定位，二氧化碳保護焊、電弧焊焊接，按照國標(biāo)焊接工藝執(zhí)行。保證車廂整體強度高、抗沖擊、重量輕、具備防雨、防塵、防盜、防腐蝕功能。

3.7.2 車廂內(nèi)布局設(shè)計。車廂（見圖4）分為操作室、EPS室、電纜絞盤室，其中EPS控制屏和車內(nèi)插座安裝在操作室內(nèi)，操作室同時配置工作門，方便工作人員進出和操作；EPS主機及蓄電池安裝在EPS室內(nèi)，通過配置車載空調(diào)保證車廂內(nèi)設(shè)備的工作環(huán)境溫度和濕度；電纜絞盤室內(nèi)安裝有電纜絞盤；車廂下設(shè)置有數(shù)個下圍廂，輸入、輸出系統(tǒng)、消防聯(lián)動控制系統(tǒng)安裝在下圍箱內(nèi)；車廂右側(cè)還設(shè)置有配電柜，車內(nèi)配電系統(tǒng)安裝在配電柜內(nèi)。該車廂布局緊湊，結(jié)構(gòu)合理，在保證EPS系統(tǒng)工作環(huán)境的前提下，留有足夠的維修空間，便于車內(nèi)設(shè)備的維護和保養(yǎng)。所設(shè)計的車廂尺寸為7510×2500×3000（長×寬×高，單位：mm）。

3.8 底盤車選型

3.8.1 整車承重計算。本方案所設(shè)計的消防應(yīng)急電源車車廂內(nèi)設(shè)備重量明細(xì)（見表2），可依據(jù)車廂重量及長度選擇合適的底盤車。

3.8.2 底盤車選型。依據(jù)車廂重量及長度，選擇東風(fēng)DFL5160XXYBX1A為本次方案的底盤車，通過配備這款底盤車，使本方案所設(shè)計的消防應(yīng)急電源車具有機動行駛、應(yīng)急、移動能力強的特點，同時可在野外露天工作。經(jīng)過重量計算，采用東風(fēng)底盤車：DFL5160XXYBX1A，車輛最大總重16000kg，整備質(zhì)量5400kg，額定載重10600kg。整車實際總重14605kg，低于車輛最大總重約1395kg。由以上計算可知，所選底盤承重留有較大的富余，可滿足實際使用要求。

3.8.3 整車效果圖。本方案所設(shè)計的底盤車與車廂的配合效果圖（見圖5）：

4 結(jié)語

為了滿足國家對消防系統(tǒng)建設(shè)的需求，本文基于EPS系統(tǒng)，通過相配套的設(shè)備選型，配合相應(yīng)的電路設(shè)計，對消防應(yīng)急電源車的設(shè)計作了詳細(xì)闡述。所設(shè)計消防應(yīng)急電源在具有傳統(tǒng)應(yīng)急電源車機動性強、便于維護等特點的同時，更適合在消防應(yīng)急領(lǐng)域的應(yīng)用，具有廣闊的發(fā)展前景。

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