城市轨道交通不间断电源系统设计

中铁二院工程集团有限责任公司 张令翔

1 引言

城市轨道交通工程中不间断电源系统主要应用在弱电系统中。弱电系统的用电功耗统计、用电需求及散热量提资、系统方案设计是不间断电源系统设计过程中十分重要的环节。但在实际项目实施过程中，往往由于缺乏充分的调研、工程经验以及专业知识等多种原因，导致设计师习惯性的提出远超实际需求的用电功耗和设备散热量，来达到非理性冗余和容错的目的。事实上，越大的用电功耗意味着需要配置越大容量的UPS 和蓄电池组，最终导致机房面积、荷载的增加、通风散热的条件的增加、配电线路级差配合难度增大，以及工程投资全面增加等一系列问题的产生。本文从用电功耗计算、用电需求和散热量提资、系统方案等几个方面来介绍实际工程设计中的设计经验和问题，并结合工程案例提出分析和计算方法。

2 用电功耗

2.1 系统额定功耗

在设备招标阶段，弱电系统的功能及构成已基本确定，设计人员可根据各系统的设备组成，结合主流产品功耗的调查，估算出系统整体额定电功耗。

2.2 系统实际功耗

弱电系统主要是由各类服务器、存储、工控机及操作终端等IT 设备构成，设备的业务板卡一般不会满配，或者说各设备不会同时处于满负荷工作状态。所以设备工作的实际功耗通常是大幅度小于额定功耗的。

通过对国内已运营的大量轨道交通工程调查，弱电系统包含的专用通信、公安通信、信号、综合监控及自动售检票系统的负载率普遍较低，基本在10%～30%。弱电各系统专业车站实际负载率见表1。

表1 弱电系统UPS 负载率

由此可见在项目前期的用电功耗的统计中，设计人员考虑了较高的冗余系数。

2.3 UPS 最佳负载率

UPS 产品的设计寿命通常是15年以上，但前提是UPS 长期工作在负载率60%～80%的情况下。而城市轨道交通弱电系统UPS 普遍较低的负载率会降低UPS 的使用寿命，难以达到预先的产品设计寿命。

2.4 降容系数

随着海拔高度的增加，气压降低，空气变得稀薄，高海拔会直接影响UPS 的散热和放电间隙，导致UPS 的功率降低，一般来说1500m 以上，海拔每增加100m，UPS 所带负载就会减小1%，所以在高海拔地区的电源系统设计需要考虑UPS 降容的情况，适当的考虑一定的冗余系数[1]。

3 用电需求提资

3.1 用电“单位”之争

对用电功耗单位用kW 还是kVA 的争论由来已久。本文认为，UPS 作为电压配电的负载端，UPS 并不是单纯的阻性负载，其内部存在的整流单元，为容性负载。所以UPS 既要消耗有功功率（kW），又要消耗无功功率（var），所以用kVA 来表示用电功耗是相对严谨的。在用电需求提资的时候还可给低压配电专业提供负载端的功率因素cosφ，从而更好体现出负载端的功耗特性。

3.2 线制的探讨

在设计文件中经常能看到“三相五线制、三相四线制”的描述。根据《IEC60364》的定义，PE线在正常运行时是不带电的，所以PE 线不能不算做线制，故三相五线制的描述不准确。

根据《GB 14050-2008》《IEC60364》对于接地装置的定义，系统接地形主要有TT、IT 和TN三种，其中TN 系统又分为TN-S、TN-C 和TNC-S 系统[2]。

三相四线制实际上对应的是TN-S、TN-C 和TT 三种接地系统。TN-C 接地系统由于PE 线与N线合用一根线缆，容易出现单点接地故障的安全问题，目前工程中已基本淘汰。TT 系统自身不提供PE 线，需要负载自行就近接地，所以在工程中一般较远负载的供电可以采用该制式。城市轨道交通工程中低压配电及弱电系统普遍采用的TN-S 系统，即变压器端中性点接地，从中性点接地处再引出地线PE 给负载端外壳接地使用。

所以根据以上的阐述，在提用电需求的时候，无论是三相五线制还是三相四线制都不够严谨，因为电源系统的本质是接地，弱电系统需要的配电端接地方式为TN-S，而TN-S 接地系统决定了三进UPS 的输入特性是三相四线制。

3.3 UPS 过载的考虑

在工程设计中经常容易忽略的一个问题是，在项目前期弱电专业给动照专业提供用电功耗需求时，仅仅是将UPS 的额定功率作为用电功耗求提给动照，而不考虑UPS 过载的情况。这样会导致UPS 厂家配置的UPS 输入开关容量大于或接近于上游动照专业配电箱配置的开关容量，从而形成上下级开关倒挂或者无级差保护的情况。所以在用电需求提资的时候，需要求动照专业在配电开关容量和电缆截面积选择的时候考虑UPS 过载的情况。在实际项目设计过程中，UPS 过载率可根据具体项目的用户需求来确定，通常UPS 过载能力在120%～150%[3]。

4 散热量提资

4.1 UPS 散热量

由能量守恒定律可知，UPS 在整流和逆变的过程中会产生一定的损耗，并最终以热量的形式消散，所以可以得出公式（1）。

式中：PUPS——UPS 散热量（W）；

S——UPS额定容量（kVA）；

cosφ——UPS 输出功率因数；

RL——UPS 实际负载率；

RH——降容系数（根据项目海拔高度取值）；

η——UPS 整机效率。

以正常海拔下，额定输出功率为40kVA、整机效率为95%、实际负载率为60%的UPS 为例，UPS散热量计算如下：

UPS 散热量=40kVA×0.8×60%×1×（1-95%）= 960W。

UPS 在给蓄电池充电的状态下，整流器的输入功率会提升，从而造成整流器产生更大的热量损失，但考虑到蓄电池充电电流不大，并结合后文蓄电池放电时散热最大的原因，这里可以忽略不计。

电源系统配套的交流配电柜内部设置有断路器，在接触良好的情况下散热量可以忽略不计。

4.2 蓄电池散热量

蓄电池在浮充、均充、放电时的电流大小各不相同，在计算蓄电池散热量时选取最大电流，即蓄电池处于放电电流的状态，计算公式（2）。

式中：

I——蓄电池组总放电电流（A）；

N——单组蓄电池节数；

V——单体蓄电池终止放电电压（V）；

μ——UPS 逆变器效率。

以专用通信电源设备室配置的一套40kVA UPS（cosφ=0.8、μ=0.9，RL=60%），2组（每组32节）容量为150AH，内阻为4.8×10-3Ω 的，终止电压为11.1V 的12V 蓄电池为例，根据公式（2），散热量计算如下：

2组并联电池组总放电电流I=（40kVA×0.8×60%）÷（32×6×1.85V×0.9）=60A；由并联电路分流的特性可知，每组蓄电池放电电流=60A÷2=30A；根据欧姆定律和电功率公式，可知P=I2×R，即蓄电池最大散热量=放电电流2×单节电池内阻×电池节数。单组蓄电池散热量=30A×30A×4.8×10-3Ω×32=138W，2组并联蓄电池组的总散热量=138W×2=276W。

4.3 机房弱电设备散热量

由于弱电系统的机房设备及外围终端均是由UPS 供电，UPS 提供的功率除了一部分消耗在机房内的设备和电缆之外，其余部分则消耗在机房外的电缆和外围终端设备上。

所以机房设备散热量应＜S×cosφ×RL。以上述专用通信设备室配置为例，专用通信设备散热量＜40kVA×0.8×60%=9.6kW。考虑到UPS 提供的大部分功率消耗在机房外，再此基础上还可以进行核减。

结合上述计算和分析专用通信机房设备散热量不大于9.6kW，专用电源室的散热量为UPS 设备与蓄电池散热量总和，不超过1.2kW。若设备室与电源室整合，则散热量不超过11kW。

根据上述得出数据可以发现，相较于依靠经验的传统提资方式，详细分析计算得到的结果相对客观，不仅可以做到心中有数，并且保证了相对理性的冗余量，同时促使上下游各类专业的合理配置，最终实现了环保、节能及减排的设计理念。

5 UPS 选型

5.1 容量选择

目前，主流供应商生产有5kVA、10kVA、15kVA、30kVA、40kVA、60kVA、80kVA、100kVA、120kVA、200kVA 甚至更高容量的UPS。关于UPS 容量选择，可根据前文提到的系统功耗计算方式，选用相近容量的UPS。

5.2 输入特性

根据负载端系统的构成、功耗和配电回路数量，选择UPS 的输入特性。对于负载较单一且功耗不大的系统，如自动售检票系统、公安通信系统，可选用单进单出的UPS。对于配电回路较多且功耗较大的系统，如专用通信系统、信号系统、综合监控系统，可选用三进三出UPS，将各子系统的负载的均衡的在，实现三相负载均衡。

UPS 输入特性和负载特性的良好匹配可避免三相负载不均衡导致的零线电缆过负荷引起绝缘老化加速，击穿绝缘造成短路，从而增加火灾的隐患的风险。

5.3 输入电压范围

UPS 的输入电压范围不宜选的过宽。因为上游的低压配电专业已将电压的范围控制在合理的范围内（±5%），如果UPS 的输入电压范围要求过大，则需要在UPS 输入端配置相应的稳压器，不仅增加了多余的设备、占用了不必要的空间，还增加了不必要的能量损耗。

5.4 输出隔离变压器

隔离变压器的功能是通过主边和副边的线圈进行的电磁能量的交换，在变压器副边引出相线对地是没有电压的，所以可以保障运营操作人员的安全，还能过滤电网高次谐波。

项目中普遍采用的二工位ATS 不具备零线重叠切换功能。在ATS 切换过程中，N 线会出现短暂对地失零的状态，产生过大的市电电压尖峰会瞬间击穿滤波电容器，从而导致电容器烧毁，引发火灾的情况。从问题本身分析配置三工位ATS（具备零线重叠切换功能）是可以很好地解决ATS 切换过程中N 线对地悬浮的情况。但是根据机械结构或系统越复杂可靠性越低的原理可知，三工位的ATS 的可靠性是显然低于二工位的ATS，而且也不满足低压配电的规范。因此，不建议要求动照专业设置具备三工位的ATS，而是可以选择在UPS 输入端配置隔离变压器，在变压器中性点处重新引出N 线，在副边再造一个TN-S 系统。

虽然一些观点认为隔离变压器不仅占用空间，还产生能量交换的损耗，是电源系统设计中多余的设备，但根据上述阐述和分析，并从安全性的角度出发，笔者认为不间断电源系统是有必要配置输出隔离变压器的。

6 系统方案

国内城市轨道交通UPS 电源系统常有UPS 单机系统、并机冗余系统和独立双总线系统三种方案[4]。

6.1 UPS 单机系统

UPS 单机系统方案由单UPS 和单蓄电池组构成。正常工作状态低压配电为UPS 提供的两路独立的具备切换功能的外部电源。当两路独立的外部电源同时故障时，UPS 通过蓄电池逆变来为负载终端提供不间断的交流电源。当外部电源和UPS 整流器同时故障，则由蓄电池组经逆变器供电。当UPS 逆变器故障时则切换至静态旁路维持供电。

单机系统方案的可靠性相对于并机冗余和独立双总线方案较低，但系统结构简单，维护方便，目前仍是国内主要的不间断电源系统的设计方案。

6.2 并机冗余系统

并机冗余系统采用双UPS（1+1）并机和双蓄电池组和单配电柜的构成方案。正常工作状态下，每套UPS 负担50%的负载，当其中一台UPS 故障时，另一套UPS 接替故障的UPS 负担100%的负载。由于两组蓄电池之间存在电压差，为避免电压差形成环流，影响蓄电池寿命，两组蓄电池间不设开关，各自为整个系统提供50%的逆变输出容量。

并机冗余方案相对单机方案可靠性高，但是造价较高，在目前在国内城市轨道交通的集中UPS 系统设计方案中较为普遍。

6.3 独立双总线系统

独立双总线系统采用双UPS（1+1）并机和双蓄电池组和双配电柜的构成方案，相较于并机冗余方案，整体造价也相对较高，但是UPS 和配电柜相互独立，系统可靠性极高，与弱电系统主要设备的双电源特点形成良好的供需匹配，可以真正意义上的实现设备级的双电源供电。目前在城市轨道交通项目的数据中心、城规云平台、集中UPS 和信号系统项目中应用较为广泛。

综上所述，项目前期的用电功耗统计、设备散热量计算及UPS 选型，直接影响了弱电及土建工程的设计和投资。只有通过科学的分析和计算，结合项目特点和用户需求才能更好地提升设计水平。