淺談EPS應急電源系統及在廣州地鐵五號線的應用

林偉敬

摘 要：主要介紹了EPS應急電源系統的基本原理、分類、與UPS的區別及在廣州地鐵5號線事故照明中的應用，并提出常見故障處理方法和日常維護保養的關鍵事項。

關鍵詞：EPS；事故照明；蓄電池；逆變器

中圖分類號：U231.8 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）12-0058-02

隨著電力電子技術的飛速發展和人們對電源技術的深入研究，逐漸產生了一種將集中設置的蓄電池組作為儲能單元的應急供電裝置——應急電源（Emergency Power Supply，簡稱“EPS”）。應急電源被廣泛應用于建筑、消防、醫療、化工、國防等領域，當事故發生時能及時提供獨立、安全、可靠的應急電力，并確保人們生命財產的安全。

1 EPS基本原理

當市電正常時，由市電作為電源向負載提供一定電壓等級的直流或交流輸出；而當市電異常時，切換到由蓄電池組向負載提供同樣電壓等級的直流或交流輸出。

2 EPS分類

按照輸出方式劃分，EPS可分為直流輸出型、交直流混合輸出型和交流輸出型。直流輸出型是系統將市電整流濾波后向負載提供直流電源，當市電異常時，由蓄電池組直接提供直流電源；交直流混合輸出型是系統將市電直接投向負載，當市電異常時，轉由蓄電池組向負載提供直流輸出；交流輸出型是系統將市電直接投向負載，當市電異常時，蓄電池組經由逆變器將直流電變換為交流電提供給負載。

按照運行方式劃分，EPS可分為冷后備運行式、熱后備運行式和在線運行式。冷后備運行方式是市電正常時，逆變器處于冷態（待機不工作），當市電異常時，逆變器才啟動輸出向負載供電；熱后備運行方式是市電正常時，逆變器處于熱待機狀態（空載逆變），當市電異常時，輸出單元將負載切換到處于熱待機狀態的逆變器輸出端；在線運行方式是市電正常時，將市電經過整流變換為直流，再送入逆變器逆變后輸出向負載供電，同時給蓄電池充電，市電異常時，市電整流的直流消失，由蓄電池投入供電，從而保證輸出端不斷電。

按照負載特性劃分，EPS可分為照明型、動力型和照明/動力混合型。照明型主要針對疏散指示燈、標識燈、照明燈等負載，這些燈具內部無需設置電池、充電器、逆變器等部件，與普通燈具基本相同，負荷性質可為阻性（比如白熾燈）、感性（比如電感熒光燈、鹵素燈）、容性（比如電子熒光燈、電子場致發光板）；動力型主要針對動力設備、電機等負載，比如消防水泵、穩壓泵、排污泵、排煙風機、電梯、生產用動力設備等；照明/動力混合型是上述兩種的混合類型。

3 EPS與UPS的區別

EPS和UPS兩者均有市電旁路及逆變電路，但EPS僅具有持續供電功能，一般對逆變切換時間要求不高（特殊要求除外），可有多路輸出，有些EPS 還配置蓄電池單體監測功能。EPS在市電正常時由市電供電，在市電中斷時才轉為逆變供電，電能利用率高，帶載能力強。而UPS僅有一路總輸出，一般強調其三大功能，即穩壓穩頻、對切換時間要求極高的不間斷供電和凈化市電。日常著重整流/逆變的雙變換電路供電，在逆變器故障或過載時才轉為市電旁路供電，電能利用率不高。在我國，EPS 主要用于消防類負荷和一些對供電質量要求不太高但需保證連續供電的用電設備，僅強調能持續供電這一功能；而UPS一般用于計算機和數字信息系統等場合，要求供電質量較高的負載，主要強調逆變切換時間、輸出電壓、頻率穩定性，輸出波形的純正、無各種干擾等。

4 EPS在事故照明裝置中的應用

以廣州地鐵5號線事故照明裝置為例，該裝置是熱后備式交流輸出的照明型EPS，主要包括交流電源自動切換裝置、整流/充電機、蓄電池組、逆變器（帶輸出隔離變壓器）、監控裝置和饋線單元等部分。

4.1 系統功能

4.1.1 工作原理

在正常情況下，事故照明裝置由變電所的兩段交流低壓母線各供一路三相電源（手動選擇任一路電源為主用電源），當主

用電源發生故障時，由進線電源自動投切裝置進行控制，備用電源自動投入，保證一路電源的正常工作。蓄電池處于浮充狀態，事故照明和疏散標志照明負荷由交流低壓母線旁路供電。當雙路進線電源發生故障時，靜態轉換開關動作，事故照明電源裝置的電池組通過逆變器向事故照明和疏散標志照明設備供電，提供電壓（380±5%）V，頻率（50±0.5%）Hz，失真度≤3%的標準正弦波，逆變輸出。當交流進線電源從故障狀態恢復正常時，逆變器自動退出運行，應急照明負荷和疏散標志照明由交流低壓0.4 kV母線供電，同時整流/充電器向電池組充電。電池組充電完成后，整流/充電器應自動調整電壓向蓄電池浮充電。

4.1.2 蓄電池的低壓保護和強制啟動

事故照明裝置的輸出容量應保證應急照明和疏散標志照明負荷滿負荷運行90 min的用電需求。當任一單體電池放電至額定最低電池電壓時，系統自動停機以保護電池（緊急情況除外），并發出報警信號；當系統自動停機以保護電池時，在緊急情況下可通過設備的強制啟功能強行啟動設備，最大限度地保證在緊急情況下應急照明的供電時間。

4.1.3 維修旁路

為了便于維修，系統設置了旁路開關將整流/充電單元、逆變器與電池組隔離。當裝置需要維修時，可通過維修旁路開關將整流/充電機、逆變器與電池組隔離。由維修旁路對應急照明進行供電，以免在設備維修時對應急照明負荷造成影響。

4.1.4 集中監控

該裝置能與上位監控系統、車站機電設備監控系統（簡稱“BAS”）進行通信。BAS可以對裝置的運行狀態、故障狀態進行自動監視。主要監視內容包括主備電源運行狀況、電池工作狀態、故障狀態（比如輸入電源故障、逆變器故障、充電器故障、電池故障、輸出故障等）。BAS可將狀態信息上傳至控制中心的主控系統，調度人員通過主控系統獲知故障信息后可立即通知車站值班人員處理。集中監控原理如圖1所示。

4.2 常見故障和處理方法

4.2.1 系統無法切換到逆變輸出

事故照明裝置在進行功能測試時，斷開兩路市電后，無法切換到逆變輸出且逆變器停機。該故障最主要的原因是核心控制板出現故障或蓄電池開路出現故障，可通過斷開負載的方式進行測試。如果斷開負載測試后逆變器仍會停機，則說明是蓄電池開路故障造成。這時可通過更換核心控制板或隔離、更換故障蓄電池進行處理。

4.2.2 系統無故切換到逆變輸出

當兩路市電正常時，事故照明裝置自動切換到逆變輸出。

該故障主要原因是動力主控板采集市電電壓數據有誤，這時更換數據采集IC可恢復正常。

4.2.3 應急處理措施

當事故照明裝置的核心控制板出現故障且無備件更換時，為保證該裝置能在應急情況下切換到逆變輸出，可在市電輸出回路中并聯一個中間繼電器KA1，在逆變輸出回路接入中間繼電器KA1的常閉觸點。當市電輸出正常時，逆變輸出回路不工作；當市電無輸出時，市電接觸器KM1和中間繼電器KA1失電，市電接觸器KM1和中間繼電器KA的常閉觸點閉合，轉為逆變回路輸出。其原理如下所示。

4.3 日常維護保養關鍵事項

4.3.1 安裝場所的維護

對事故照明裝置所配的蓄電池，環境溫度消防行業要求其環境溫度不高于40 ℃。溫度對蓄電池使用壽命影響較大，25 ℃以上，每升高10 ℃，蓄電池使用壽命減半，因此，環境溫度應控制在5～25 ℃，且通風、散熱良好。同時，照明裝置必須遠離火源和易燃易爆品，平常雜物不要堆放于內，否則既不利于防火安全，也容易引發鼠患。在室內和柜內采取防潮措施，防止EPS 應急電源內部控制電路板上結露，從而減少EPS故障發生率。此外，室內灰塵不能太多、環境不能太臟。灰塵一般帶正電荷，如果EPS 應急電源控制板上灰塵積壓太多，很容易引起控制板故障。

4.3.2 事故照明裝置本身的維護

對于事故照明裝置的維護，可采取以下措施：定期進行柜內清潔、除塵、除異物；定期測量電氣參數（包括市電電壓是否正常，兩路市電的中性線、相線是否一致，輸出回路是否超載）；定期進行模擬切換測試。

4.3.3 蓄電池的維護

對于蓄電池的維護，可從以下幾點做起：①定期巡視、觀察蓄電池外觀是否鼓脹、爆裂、漏液等；②每三個月進行一次功能性放電，放電時間0.5～1 h，可使蓄電池極板有效物質得到活化、容量得到恢復、使用壽命得到延長；③每年需進行一次容量核對性放電，使用負載儀設定I10恒流放電；④發現異常電池（容量低于80%）及時處理，對單體電池進行隔離、活化或更換；⑤不宜采用整組電池充電的方式對個別電池補充電，防止其他電池過充。

5 結束語

地鐵作為大客流運輸系統，對其安全性有著極高的要求，因而對EPS可靠性要求也很高。在選擇應急電源時，應根據它們各自的特點分別用于不同的工程，并注意日常使用中的維護保養，這將為整個社會的安全提供更有力的保障。

參考文獻

[1]陳志清.EPS應急電源百事通[M].北京：中國電力出版社，2007.

〔編輯：劉曉芳〕

4.2 常見故障和處理方法

4.2.1 系統無法切換到逆變輸出

事故照明裝置在進行功能測試時，斷開兩路市電后，無法切換到逆變輸出且逆變器停機。該故障最主要的原因是核心控制板出現故障或蓄電池開路出現故障，可通過斷開負載的方式進行測試。如果斷開負載測試后逆變器仍會停機，則說明是蓄電池開路故障造成。這時可通過更換核心控制板或隔離、更換故障蓄電池進行處理。

4.2.2 系統無故切換到逆變輸出

當兩路市電正常時，事故照明裝置自動切換到逆變輸出。

該故障主要原因是動力主控板采集市電電壓數據有誤，這時更換數據采集IC可恢復正常。

4.2.3 應急處理措施

當事故照明裝置的核心控制板出現故障且無備件更換時，為保證該裝置能在應急情況下切換到逆變輸出，可在市電輸出回路中并聯一個中間繼電器KA1，在逆變輸出回路接入中間繼電器KA1的常閉觸點。當市電輸出正常時，逆變輸出回路不工作；當市電無輸出時，市電接觸器KM1和中間繼電器KA1失電，市電接觸器KM1和中間繼電器KA的常閉觸點閉合，轉為逆變回路輸出。其原理如下所示。

4.3 日常維護保養關鍵事項

4.3.1 安裝場所的維護

對事故照明裝置所配的蓄電池，環境溫度消防行業要求其環境溫度不高于40 ℃。溫度對蓄電池使用壽命影響較大，25 ℃以上，每升高10 ℃，蓄電池使用壽命減半，因此，環境溫度應控制在5～25 ℃，且通風、散熱良好。同時，照明裝置必須遠離火源和易燃易爆品，平常雜物不要堆放于內，否則既不利于防火安全，也容易引發鼠患。在室內和柜內采取防潮措施，防止EPS 應急電源內部控制電路板上結露，從而減少EPS故障發生率。此外，室內灰塵不能太多、環境不能太臟。灰塵一般帶正電荷，如果EPS 應急電源控制板上灰塵積壓太多，很容易引起控制板故障。

4.3.2 事故照明裝置本身的維護

對于事故照明裝置的維護，可采取以下措施：定期進行柜內清潔、除塵、除異物；定期測量電氣參數（包括市電電壓是否正常，兩路市電的中性線、相線是否一致，輸出回路是否超載）；定期進行模擬切換測試。

4.3.3 蓄電池的維護

對于蓄電池的維護，可從以下幾點做起：①定期巡視、觀察蓄電池外觀是否鼓脹、爆裂、漏液等；②每三個月進行一次功能性放電，放電時間0.5～1 h，可使蓄電池極板有效物質得到活化、容量得到恢復、使用壽命得到延長；③每年需進行一次容量核對性放電，使用負載儀設定I10恒流放電；④發現異常電池（容量低于80%）及時處理，對單體電池進行隔離、活化或更換；⑤不宜采用整組電池充電的方式對個別電池補充電，防止其他電池過充。

5 結束語

地鐵作為大客流運輸系統，對其安全性有著極高的要求，因而對EPS可靠性要求也很高。在選擇應急電源時，應根據它們各自的特點分別用于不同的工程，并注意日常使用中的維護保養，這將為整個社會的安全提供更有力的保障。

參考文獻

[1]陳志清.EPS應急電源百事通[M].北京：中國電力出版社，2007.

〔編輯：劉曉芳〕

4.2 常見故障和處理方法

4.2.1 系統無法切換到逆變輸出

事故照明裝置在進行功能測試時，斷開兩路市電后，無法切換到逆變輸出且逆變器停機。該故障最主要的原因是核心控制板出現故障或蓄電池開路出現故障，可通過斷開負載的方式進行測試。如果斷開負載測試后逆變器仍會停機，則說明是蓄電池開路故障造成。這時可通過更換核心控制板或隔離、更換故障蓄電池進行處理。

4.2.2 系統無故切換到逆變輸出

當兩路市電正常時，事故照明裝置自動切換到逆變輸出。

該故障主要原因是動力主控板采集市電電壓數據有誤，這時更換數據采集IC可恢復正常。

4.2.3 應急處理措施

當事故照明裝置的核心控制板出現故障且無備件更換時，為保證該裝置能在應急情況下切換到逆變輸出，可在市電輸出回路中并聯一個中間繼電器KA1，在逆變輸出回路接入中間繼電器KA1的常閉觸點。當市電輸出正常時，逆變輸出回路不工作；當市電無輸出時，市電接觸器KM1和中間繼電器KA1失電，市電接觸器KM1和中間繼電器KA的常閉觸點閉合，轉為逆變回路輸出。其原理如下所示。

4.3 日常維護保養關鍵事項

4.3.1 安裝場所的維護

對事故照明裝置所配的蓄電池，環境溫度消防行業要求其環境溫度不高于40 ℃。溫度對蓄電池使用壽命影響較大，25 ℃以上，每升高10 ℃，蓄電池使用壽命減半，因此，環境溫度應控制在5～25 ℃，且通風、散熱良好。同時，照明裝置必須遠離火源和易燃易爆品，平常雜物不要堆放于內，否則既不利于防火安全，也容易引發鼠患。在室內和柜內采取防潮措施，防止EPS 應急電源內部控制電路板上結露，從而減少EPS故障發生率。此外，室內灰塵不能太多、環境不能太臟。灰塵一般帶正電荷，如果EPS 應急電源控制板上灰塵積壓太多，很容易引起控制板故障。

4.3.2 事故照明裝置本身的維護

對于事故照明裝置的維護，可采取以下措施：定期進行柜內清潔、除塵、除異物；定期測量電氣參數（包括市電電壓是否正常，兩路市電的中性線、相線是否一致，輸出回路是否超載）；定期進行模擬切換測試。

4.3.3 蓄電池的維護

對于蓄電池的維護，可從以下幾點做起：①定期巡視、觀察蓄電池外觀是否鼓脹、爆裂、漏液等；②每三個月進行一次功能性放電，放電時間0.5～1 h，可使蓄電池極板有效物質得到活化、容量得到恢復、使用壽命得到延長；③每年需進行一次容量核對性放電，使用負載儀設定I10恒流放電；④發現異常電池（容量低于80%）及時處理，對單體電池進行隔離、活化或更換；⑤不宜采用整組電池充電的方式對個別電池補充電，防止其他電池過充。

5 結束語

地鐵作為大客流運輸系統，對其安全性有著極高的要求，因而對EPS可靠性要求也很高。在選擇應急電源時，應根據它們各自的特點分別用于不同的工程，并注意日常使用中的維護保養，這將為整個社會的安全提供更有力的保障。

參考文獻

[1]陳志清.EPS應急電源百事通[M].北京：中國電力出版社，2007.

〔編輯：劉曉芳〕