地鐵低壓供配電設(shè)計(jì)分析

寧波軌道交通集團(tuán)有限公司智慧運(yùn)營分公司 方哲文

1 引言

目前，國內(nèi)外尚未出臺(tái)關(guān)于軌道交通列車低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，所以，在選擇軌道交通站點(diǎn)時(shí)，需要進(jìn)行大量的成本研究，以確保方案設(shè)計(jì)的可行性。本文將以UPS不間斷電源為研究重點(diǎn)，針對(duì)UPS供電展開內(nèi)容，詳細(xì)介紹了UPS的兩種布置方式、其分類以及地鐵站UPS集中供電項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，同時(shí)還給出了一種低壓配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，以期為類似工程進(jìn)行借鑒，從而有效提升軌道交通站點(diǎn)的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。

2 不間斷電源UPS的兩種布置方式

2.1 分布式UPS布置方式

隨著我國電力行業(yè)的快速發(fā)展，分布式UPS逐漸成為地鐵站低電壓配電系統(tǒng)的首選。通常安裝于供電設(shè)備的旁邊，并且與供電設(shè)備同處一個(gè)電氣設(shè)備之內(nèi)，這樣一來，即使其中一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，也不會(huì)使其他系統(tǒng)受到影響。通過分布式UPS控制系統(tǒng)，地鐵降壓變電站的Ⅰ、Ⅱ段母線依次提供開關(guān)電源，經(jīng)過雙電源切換箱的切換，UPS可以將開關(guān)電源輸送到各個(gè)電氣設(shè)備[1]。分布式供電模塊如圖1所示。

圖1 分布式供電模塊

2.2 集中式UPS布置方式

集中式是指使用大功率不間斷電源負(fù)載所有設(shè)備。集中式UPS是一種先進(jìn)的低電壓供電系統(tǒng)，可以將車站降壓變電所設(shè)備的0.4kV兩段線路分開引入一路AC380V電源，通過雙電源切換裝置，將電力輸送到各個(gè)弱電系統(tǒng)，如通信、信號(hào)和FAS等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電力的有效控制和管理。其優(yōu)點(diǎn)在于管理方便，接線要求高，可靠性低，成本高。集中式UPS布置方式如圖2所示。

圖2 集中式UPS布置方式

3 UPS不間斷電源的分類及其不同

3.1 后備式

后備式UPS在有市電時(shí)，僅對(duì)市電提供穩(wěn)壓，而逆變器則處在待機(jī)階段，當(dāng)市電出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)立即調(diào)換到逆變階段，將動(dòng)力電池能量轉(zhuǎn)換成交流電，以滿足負(fù)荷的需求。然而，由于這種轉(zhuǎn)換過程需要一段時(shí)間，通常低于10ms，因此，并不適用于重要性、重大裝備（如軌道交通標(biāo)志裝置、屏蔽門裝置、列車裝備等）[2]。

3.2 在線式

當(dāng)市電順利供應(yīng)時(shí)，過濾電路和突波吸收回路后，其中一個(gè)回路用于充電電池組，另一個(gè)電路則用于整流，將交流電轉(zhuǎn)換為凈化后的電能供應(yīng)負(fù)荷所用。如果市電出現(xiàn)異常，變流器的注入工作將由動(dòng)力電池組進(jìn)行，從而繼續(xù)供應(yīng)電能，以保證絕對(duì)不斷電。在線式UPS具有極寬的輸入電壓覆蓋范圍，無須頻繁切換工作時(shí)間，輸出電壓穩(wěn)定精度高，全部由變流器供電，無論市電能源品質(zhì)怎樣，其輸出功率均是平穩(wěn)而純凈的正弦波電源，尤其適用于對(duì)電源要求較高的場(chǎng)所，如地鐵信號(hào)系統(tǒng)、屏蔽門、汽車主要設(shè)施設(shè)備，價(jià)格也相對(duì)較高。

4 以地鐵站UPS集中供電項(xiàng)目為例

4.1 車站弱電系統(tǒng)電源需求及整合范圍

地鐵工程的相關(guān)系統(tǒng)相對(duì)較多且相互交織，如果在供配電的弱電系統(tǒng)中僅采用一套PUS不間斷供電，對(duì)UPS的要求相對(duì)較高，需要其具備較高的可靠性和獨(dú)立性。需要依照弱電系統(tǒng)所負(fù)載的類型、需求以及電源特點(diǎn)，對(duì)其展開分析[3]。

一是為了滿足計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等容性負(fù)載的需求，采用了專用通信、數(shù)據(jù)、綜合控制（包括環(huán)境控制）、門禁以及手動(dòng)售檢票等技術(shù)，并且使用了AC380/220V電源，以便實(shí)現(xiàn)集中供電。

二是在本文研究中，為了確保遮蔽門/安全門控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，通常使用DC110V電壓級(jí)別的直流電源供電，但由于遮蔽門的驅(qū)動(dòng)器電機(jī)處于電感性負(fù)載，輸出功率因子較低，干擾流量也較大，如果使用電力集成控制系統(tǒng)用電，將會(huì)嚴(yán)重影響電壓穩(wěn)定性，從而降低開關(guān)電源效率。本文所講述的屏蔽門系統(tǒng)會(huì)將其作為后備電源（但也有部分項(xiàng)目將其作為集中電源），而不是將其列入電力整合系統(tǒng)的范圍，以確保其可靠性和安全性。

三是變電所與站臺(tái)的低壓配電系統(tǒng)，通常布置于站臺(tái)的兩端，而供電系統(tǒng)則位于各弱電部分系統(tǒng)負(fù)載中間，因變電站負(fù)載距供電區(qū)的長度橫跨了整個(gè)站臺(tái)，且供電系統(tǒng)路徑迂回，出線壓力差較大，故變電所的電源可獨(dú)立設(shè)置。

四是應(yīng)急照明主要是電感性負(fù)載，在整個(gè)車站具有較多且較廣的負(fù)載面，供電線路相對(duì)迂回，因此應(yīng)急照明系統(tǒng)不適合包含于電源整合范圍之內(nèi)。

五是為了確?；馂?zāi)事故自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的可靠性和安全性，A端耐火閥供電箱、B端耐火閥供電箱以及火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警主控件均需要滿足DC24V的電壓要求，并且需要在現(xiàn)場(chǎng)安裝DC24V蓄電池，同時(shí)，設(shè)備及線纜也需要具備良好的耐火等級(jí)。由于消防部門對(duì)此系統(tǒng)的產(chǎn)品進(jìn)行了認(rèn)證和監(jiān)督，并且需要在安裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行消防驗(yàn)收，因此，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)該配備專門的UPS供電，而不應(yīng)該被整合到UPS管理系統(tǒng)中[4]。

4.2 UPS集中供電應(yīng)用方案

4.2.1 系統(tǒng)方案構(gòu)成

針對(duì)軌道交通的弱電設(shè)備供電系統(tǒng)，本文將拓建使用雙電源輸入、雙機(jī)并聯(lián)的方式。

系統(tǒng)配置通常包含UPS主機(jī)、智能配電柜、電池柜、蓄電池及ATS，以滿足不同的需求。

在這個(gè)方案中，2路電源通過ATS轉(zhuǎn)換器直接為兩臺(tái)UPS提供電力。這兩臺(tái)UPS一起連接到智能配電屏的母線上，之后依次送到通信、數(shù)據(jù)、集成控制和自動(dòng)售票機(jī)等控制系統(tǒng)的配電柜，為各個(gè)負(fù)荷提供電力。通過使用兩臺(tái)UPS，能夠達(dá)到負(fù)荷的均衡分配。智能配電屏就可按照不同負(fù)荷的需求，進(jìn)行分時(shí)供電，從而有效利用電池資源[5]。

為了充分利用UPS的雙電源輸入，以及地鐵機(jī)房空間有限，采用了兩臺(tái)UPS共享動(dòng)力電池組的分配方法，以滿足需求，合理優(yōu)化資源。平時(shí)，兩臺(tái)UPS共同為動(dòng)力電池組充值，充值電壓各占50%，斷電后，能夠?qū)?dòng)力電池組的能量轉(zhuǎn)換成高品質(zhì)的交換電，從而保證系統(tǒng)的后備時(shí)間不受影響。每個(gè)電池都配備了獨(dú)立的連接開關(guān)，使得日后的維護(hù)和保養(yǎng)變得更加便捷。此外，該系統(tǒng)還具有漏液監(jiān)測(cè)功能，一旦發(fā)現(xiàn)任何漏液，UPS就會(huì)立即發(fā)出警報(bào)，以盡可能地減少故障的可能性。

4.2.2 系統(tǒng)運(yùn)行邏輯關(guān)系

一是UPS不間斷電源運(yùn)行方式。在車站中的兩臺(tái)UPS的運(yùn)行過程中，如果一臺(tái)設(shè)備故障則會(huì)啟動(dòng)自動(dòng)鎖閉輸出，將負(fù)載移動(dòng)至另外一臺(tái)正常運(yùn)行的設(shè)備之上。待故障的UPS能正常運(yùn)行之后，再進(jìn)行負(fù)載運(yùn)行。這個(gè)轉(zhuǎn)變過程不會(huì)影響運(yùn)作時(shí)間，也不會(huì)對(duì)車站的正常運(yùn)作造成影響。即使UPS出現(xiàn)故障且不能及時(shí)修復(fù)的情況時(shí)，也不會(huì)增加負(fù)載的后備能力，因?yàn)閁PS將會(huì)接受所有電池組的供電，同時(shí)也不會(huì)因一個(gè)UPS故障而降低電池的正常使用。

二是電池組故障運(yùn)行方式。車站共用電池組均是按照并聯(lián)的方式對(duì)其進(jìn)行連接，如果出現(xiàn)電池故障或發(fā)出警報(bào)，相關(guān)工作人員僅需將故障的電池組與其他電池組斷開，再進(jìn)行維修，在修復(fù)完成之后再將其重新并聯(lián)于電池組之內(nèi)運(yùn)行即可。

三是選擇斷電工作模式。當(dāng)系統(tǒng)中的一路供電失效時(shí)，ATS將自動(dòng)轉(zhuǎn)換至另一個(gè)主供電，兩個(gè)UPS都不受到干擾。一旦系統(tǒng)中同時(shí)失去了二路的主電源，兩個(gè)UPS就會(huì)同時(shí)轉(zhuǎn)變成電池組的放電系統(tǒng)，而負(fù)載也將均勻分布。在這個(gè)狀況下如果又有一個(gè)UPS發(fā)生故障，電池組將全部轉(zhuǎn)入正常的UPS中，備用時(shí)間不受損失。另外，智能配電箱將根據(jù)各負(fù)載的備用能力需求，及時(shí)切斷相關(guān)的負(fù)荷。

5 UPS電源整合注意事項(xiàng)

定期的維護(hù)和保養(yǎng)是UPS管理系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，能夠有效減少故障率，增長電氣設(shè)備壽命，確保供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的有效性。在使用一段時(shí)間后，應(yīng)該檢查UPS的外表以及是不是有異常氣味等情況。UPS電源系統(tǒng)長期處于充電狀態(tài)，導(dǎo)致電池活性下降，因此需要定期放電（通常每月一次）。為了提高系統(tǒng)的可靠性和壽命，需要建立電源維護(hù)部分，并配置專人進(jìn)行維護(hù)和管理，以確保系統(tǒng)的完整性和獨(dú)立性。為了確保電源系統(tǒng)設(shè)施能夠正常運(yùn)行，應(yīng)該配置專業(yè)的維修工具，并制定完善的維修管理制度。由于信息技術(shù)的飛速發(fā)展，工頻+輸出隔離變壓器形式的UPS在地鐵行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，大輸出功率UPS集中式供電系統(tǒng)的安全可靠和遠(yuǎn)程監(jiān)控能力也獲得了顯著提升，因此，軌道交通弱電控制系統(tǒng)使用大功率UPS集中式供電系統(tǒng)將會(huì)獲得更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

6 結(jié)語

在地鐵低壓供配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，電氣設(shè)備和電路的運(yùn)行是必不可少的，但是，由于一些電器或接線陳舊，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生大量發(fā)熱，電路遭到重大損壞，變壓器超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，致使電壓變得極不穩(wěn)定。雖然這些問題可能暫時(shí)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成太大的危害，但是如果不及時(shí)處理，仍會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生重大的問題，甚至無法運(yùn)行。UPS不間斷電源裝置已被廣泛應(yīng)用于地鐵系統(tǒng)，以確保安全、快速、準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)營。隨著我國電力行業(yè)的快速發(fā)展，UPS逐漸成為地鐵站低電壓配電系統(tǒng)的首選。

在關(guān)鍵設(shè)備必須持續(xù)供電時(shí)，應(yīng)使用在線式UPS，以保證電氣設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，并為搶修電氣設(shè)備留出足夠的時(shí)限，以便盡快恢復(fù)電氣設(shè)備的正常狀態(tài)。UPS電氣設(shè)備的安全是整體地鐵系統(tǒng)安全的關(guān)鍵問題，因此，依據(jù)重要或非關(guān)鍵設(shè)備的差異，合理選擇沒有工作情況的UPS將會(huì)有效地保證軌道交通的安全運(yùn)營。