地鐵低壓供配電設計分析

寧波軌道交通集團有限公司智慧運營分公司 方哲文

1 引言

目前，國內外尚未出臺關于軌道交通列車低壓配電系統設計的有關技術標準，所以，在選擇軌道交通站點時，需要進行大量的成本研究，以確保方案設計的可行性。本文將以UPS不間斷電源為研究重點，針對UPS供電展開內容，詳細介紹了UPS的兩種布置方式、其分類以及地鐵站UPS集中供電項目的設計，同時還給出了一種低壓配電系統的設計思路，以期為類似工程進行借鑒，從而有效提升軌道交通站點的設計質量和效率。

2 不間斷電源UPS的兩種布置方式

2.1 分布式UPS布置方式

隨著我國電力行業的快速發展，分布式UPS逐漸成為地鐵站低電壓配電系統的首選。通常安裝于供電設備的旁邊，并且與供電設備同處一個電氣設備之內，這樣一來，即使其中一個系統出現問題時，也不會使其他系統受到影響。通過分布式UPS控制系統，地鐵降壓變電站的Ⅰ、Ⅱ段母線依次提供開關電源，經過雙電源切換箱的切換，UPS可以將開關電源輸送到各個電氣設備[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載所有設備。集中式UPS是一種先進的低電壓供電系統，可以將車站降壓變電所設備的0.4kV兩段線路分開引入一路AC380V電源，通過雙電源切換裝置，將電力輸送到各個弱電系統，如通信、信號和FAS等，從而實現對電力的有效控制和管理。其優點在于管理方便，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，僅對市電提供穩壓，而逆變器則處在待機階段，當市電出現異常時，會立即調換到逆變階段，將動力電池能量轉換成交流電，以滿足負荷的需求。然而，由于這種轉換過程需要一段時間，通常低于10ms，因此，并不適用于重要性、重大裝備（如軌道交通標志裝置、屏蔽門裝置、列車裝備等）[2]。

3.2 在線式

當市電順利供應時，過濾電路和突波吸收回路后，其中一個回路用于充電電池組，另一個電路則用于整流，將交流電轉換為凈化后的電能供應負荷所用。如果市電出現異常，變流器的注入工作將由動力電池組進行，從而繼續供應電能，以保證絕對不斷電。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間，輸出電壓穩定精度高，全部由變流器供電，無論市電能源品質怎樣，其輸出功率均是平穩而純凈的正弦波電源，尤其適用于對電源要求較高的場所，如地鐵信號系統、屏蔽門、汽車主要設施設備，價格也相對較高。

4 以地鐵站UPS集中供電項目為例

4.1 車站弱電系統電源需求及整合范圍

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

一是為了滿足計算機和網絡設備等容性負載的需求，采用了專用通信、數據、綜合控制（包括環境控制）、門禁以及手動售檢票等技術，并且使用了AC380/220V電源，以便實現集中供電。

二是在本文研究中，為了確保遮蔽門/安全門控制系統的正常運行，通常使用DC110V電壓級別的直流電源供電，但由于遮蔽門的驅動器電機處于電感性負載，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用電，將會嚴重影響電壓穩定性，從而降低開關電源效率。本文所講述的屏蔽門系統會將其作為后備電源（但也有部分項目將其作為集中電源），而不是將其列入電力整合系統的范圍，以確保其可靠性和安全性。

三是變電所與站臺的低壓配電系統，通常布置于站臺的兩端，而供電系統則位于各弱電部分系統負載中間，因變電站負載距供電區的長度橫跨了整個站臺，且供電系統路徑迂回，出線壓力差較大，故變電所的電源可獨立設置。

四是應急照明主要是電感性負載，在整個車站具有較多且較廣的負載面，供電線路相對迂回，因此應急照明系統不適合包含于電源整合范圍之內。

五是為了確?；馂氖鹿首詣訄缶到y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自動報警主控件均需要滿足DC24V的電壓要求，并且需要在現場安裝DC24V蓄電池，同時，設備及線纜也需要具備良好的耐火等級。由于消防部門對此系統的產品進行了認證和監督，并且需要在安裝現場進行消防驗收，因此，火災自動報警系統應該配備專門的UPS供電，而不應該被整合到UPS管理系統中[4]。

4.2 UPS集中供電應用方案

4.2.1 系統方案構成

針對軌道交通的弱電設備供電系統，本文將拓建使用雙電源輸入、雙機并聯的方式。

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

在這個方案中，2路電源通過ATS轉換器直接為兩臺UPS提供電力。這兩臺UPS一起連接到智能配電屏的母線上，之后依次送到通信、數據、集成控制和自動售票機等控制系統的配電柜，為各個負荷提供電力。通過使用兩臺UPS，能夠達到負荷的均衡分配。智能配電屏就可按照不同負荷的需求，進行分時供電，從而有效利用電池資源[5]。

為了充分利用UPS的雙電源輸入，以及地鐵機房空間有限，采用了兩臺UPS共享動力電池組的分配方法，以滿足需求，合理優化資源。平時，兩臺UPS共同為動力電池組充值，充值電壓各占50%，斷電后，能夠將動力電池組的能量轉換成高品質的交換電，從而保證系統的后備時間不受影響。每個電池都配備了獨立的連接開關，使得日后的維護和保養變得更加便捷。此外，該系統還具有漏液監測功能，一旦發現任何漏液，UPS就會立即發出警報，以盡可能地減少故障的可能性。

4.2.2 系統運行邏輯關系

一是UPS不間斷電源運行方式。在車站中的兩臺UPS的運行過程中，如果一臺設備故障則會啟動自動鎖閉輸出，將負載移動至另外一臺正常運行的設備之上。待故障的UPS能正常運行之后，再進行負載運行。這個轉變過程不會影響運作時間，也不會對車站的正常運作造成影響。即使UPS出現故障且不能及時修復的情況時，也不會增加負載的后備能力，因為UPS將會接受所有電池組的供電，同時也不會因一個UPS故障而降低電池的正常使用。

二是電池組故障運行方式。車站共用電池組均是按照并聯的方式對其進行連接，如果出現電池故障或發出警報，相關工作人員僅需將故障的電池組與其他電池組斷開，再進行維修，在修復完成之后再將其重新并聯于電池組之內運行即可。

三是選擇斷電工作模式。當系統中的一路供電失效時，ATS將自動轉換至另一個主供電，兩個UPS都不受到干擾。一旦系統中同時失去了二路的主電源，兩個UPS就會同時轉變成電池組的放電系統，而負載也將均勻分布。在這個狀況下如果又有一個UPS發生故障，電池組將全部轉入正常的UPS中，備用時間不受損失。另外，智能配電箱將根據各負載的備用能力需求，及時切斷相關的負荷。

5 UPS電源整合注意事項

定期的維護和保養是UPS管理系統可靠運行的關鍵，能夠有效減少故障率，增長電氣設備壽命，確保供電網絡系統的有效性。在使用一段時間后，應該檢查UPS的外表以及是不是有異常氣味等情況。UPS電源系統長期處于充電狀態，導致電池活性下降，因此需要定期放電（通常每月一次）。為了提高系統的可靠性和壽命，需要建立電源維護部分，并配置專人進行維護和管理，以確保系統的完整性和獨立性。為了確保電源系統設施能夠正常運行，應該配置專業的維修工具，并制定完善的維修管理制度。由于信息技術的飛速發展，工頻+輸出隔離變壓器形式的UPS在地鐵行業中得到廣泛的應用，大輸出功率UPS集中式供電系統的安全可靠和遠程監控能力也獲得了顯著提升，因此，軌道交通弱電控制系統使用大功率UPS集中式供電系統將會獲得更加廣闊的應用領域。

6 結語

在地鐵低壓供配電網絡系統中，電氣設備和電路的運行是必不可少的，但是，由于一些電器或接線陳舊，導致系統內部發生大量發熱，電路遭到重大損壞，變壓器超負荷運轉，致使電壓變得極不穩定。雖然這些問題可能暫時不會對系統造成太大的危害，但是如果不及時處理，仍會導致系統發生重大的問題，甚至無法運行。UPS不間斷電源裝置已被廣泛應用于地鐵系統，以確保安全、快速、準點運營。隨著我國電力行業的快速發展，UPS逐漸成為地鐵站低電壓配電系統的首選。

在關鍵設備必須持續供電時，應使用在線式UPS，以保證電氣設備的穩定性和可靠性，并為搶修電氣設備留出足夠的時限，以便盡快恢復電氣設備的正常狀態。UPS電氣設備的安全是整體地鐵系統安全的關鍵問題，因此，依據重要或非關鍵設備的差異，合理選擇沒有工作情況的UPS將會有效地保證軌道交通的安全運營。