地铁低压供配电设计分析

宁波轨道交通集团有限公司智慧运营分公司 方哲文

1 引言

目前，国内外尚未出台关于轨道交通列车低压配电系统设计的有关技术标准，所以，在选择轨道交通站点时，需要进行大量的成本研究，以确保方案设计的可行性。本文将以UPS不间断电源为研究重点，针对UPS供电展开内容，详细介绍了UPS的两种布置方式、其分类以及地铁站UPS集中供电项目的设计，同时还给出了一种低压配电系统的设计思路，以期为类似工程进行借鉴，从而有效提升轨道交通站点的设计质量和效率。

2 不间断电源UPS的两种布置方式

2.1 分布式UPS布置方式

随着我国电力行业的快速发展，分布式UPS逐渐成为地铁站低电压配电系统的首选。通常安装于供电设备的旁边，并且与供电设备同处一个电气设备之内，这样一来，即使其中一个系统出现问题时，也不会使其他系统受到影响。通过分布式UPS控制系统，地铁降压变电站的Ⅰ、Ⅱ段母线依次提供开关电源，经过双电源切换箱的切换，UPS可以将开关电源输送到各个电气设备[1]。分布式供电模块如图1所示。

图1 分布式供电模块

2.2 集中式UPS布置方式

集中式是指使用大功率不间断电源负载所有设备。集中式UPS是一种先进的低电压供电系统，可以将车站降压变电所设备的0.4kV两段线路分开引入一路AC380V电源，通过双电源切换装置，将电力输送到各个弱电系统，如通信、信号和FAS等，从而实现对电力的有效控制和管理。其优点在于管理方便，接线要求高，可靠性低，成本高。集中式UPS布置方式如图2所示。

图2 集中式UPS布置方式

3 UPS不间断电源的分类及其不同

3.1 后备式

后备式UPS在有市电时，仅对市电提供稳压，而逆变器则处在待机阶段，当市电出现异常时，会立即调换到逆变阶段，将动力电池能量转换成交流电，以满足负荷的需求。然而，由于这种转换过程需要一段时间，通常低于10ms，因此，并不适用于重要性、重大装备（如轨道交通标志装置、屏蔽门装置、列车装备等）[2]。

3.2 在线式

当市电顺利供应时，过滤电路和突波吸收回路后，其中一个回路用于充电电池组，另一个电路则用于整流，将交流电转换为净化后的电能供应负荷所用。如果市电出现异常，变流器的注入工作将由动力电池组进行，从而继续供应电能，以保证绝对不断电。在线式UPS具有极宽的输入电压覆盖范围，无须频繁切换工作时间，输出电压稳定精度高，全部由变流器供电，无论市电能源品质怎样，其输出功率均是平稳而纯净的正弦波电源，尤其适用于对电源要求较高的场所，如地铁信号系统、屏蔽门、汽车主要设施设备，价格也相对较高。

4 以地铁站UPS集中供电项目为例

4.1 车站弱电系统电源需求及整合范围

地铁工程的相关系统相对较多且相互交织，如果在供配电的弱电系统中仅采用一套PUS不间断供电，对UPS的要求相对较高，需要其具备较高的可靠性和独立性。需要依照弱电系统所负载的类型、需求以及电源特点，对其展开分析[3]。

一是为了满足计算机和网络设备等容性负载的需求，采用了专用通信、数据、综合控制（包括环境控制）、门禁以及手动售检票等技术，并且使用了AC380/220V电源，以便实现集中供电。

二是在本文研究中，为了确保遮蔽门/安全门控制系统的正常运行，通常使用DC110V电压级别的直流电源供电，但由于遮蔽门的驱动器电机处于电感性负载，输出功率因子较低，干扰流量也较大，如果使用电力集成控制系统用电，将会严重影响电压稳定性，从而降低开关电源效率。本文所讲述的屏蔽门系统会将其作为后备电源（但也有部分项目将其作为集中电源），而不是将其列入电力整合系统的范围，以确保其可靠性和安全性。

三是变电所与站台的低压配电系统，通常布置于站台的两端，而供电系统则位于各弱电部分系统负载中间，因变电站负载距供电区的长度横跨了整个站台，且供电系统路径迂回，出线压力差较大，故变电所的电源可独立设置。

四是应急照明主要是电感性负载，在整个车站具有较多且较广的负载面，供电线路相对迂回，因此应急照明系统不适合包含于电源整合范围之内。

五是为了确保火灾事故自动报警系统的可靠性和安全性，A端耐火阀供电箱、B端耐火阀供电箱以及火灾自动报警主控件均需要满足DC24V的电压要求，并且需要在现场安装DC24V蓄电池，同时，设备及线缆也需要具备良好的耐火等级。由于消防部门对此系统的产品进行了认证和监督，并且需要在安装现场进行消防验收，因此，火灾自动报警系统应该配备专门的UPS供电，而不应该被整合到UPS管理系统中[4]。

4.2 UPS集中供电应用方案

4.2.1 系统方案构成

针对轨道交通的弱电设备供电系统，本文将拓建使用双电源输入、双机并联的方式。

系统配置通常包含UPS主机、智能配电柜、电池柜、蓄电池及ATS，以满足不同的需求。

在这个方案中，2路电源通过ATS转换器直接为两台UPS提供电力。这两台UPS一起连接到智能配电屏的母线上，之后依次送到通信、数据、集成控制和自动售票机等控制系统的配电柜，为各个负荷提供电力。通过使用两台UPS，能够达到负荷的均衡分配。智能配电屏就可按照不同负荷的需求，进行分时供电，从而有效利用电池资源[5]。

为了充分利用UPS的双电源输入，以及地铁机房空间有限，采用了两台UPS共享动力电池组的分配方法，以满足需求，合理优化资源。平时，两台UPS共同为动力电池组充值，充值电压各占50%，断电后，能够将动力电池组的能量转换成高品质的交换电，从而保证系统的后备时间不受影响。每个电池都配备了独立的连接开关，使得日后的维护和保养变得更加便捷。此外，该系统还具有漏液监测功能，一旦发现任何漏液，UPS就会立即发出警报，以尽可能地减少故障的可能性。

4.2.2 系统运行逻辑关系

一是UPS不间断电源运行方式。在车站中的两台UPS的运行过程中，如果一台设备故障则会启动自动锁闭输出，将负载移动至另外一台正常运行的设备之上。待故障的UPS能正常运行之后，再进行负载运行。这个转变过程不会影响运作时间，也不会对车站的正常运作造成影响。即使UPS出现故障且不能及时修复的情况时，也不会增加负载的后备能力，因为UPS将会接受所有电池组的供电，同时也不会因一个UPS故障而降低电池的正常使用。

二是电池组故障运行方式。车站共用电池组均是按照并联的方式对其进行连接，如果出现电池故障或发出警报，相关工作人员仅需将故障的电池组与其他电池组断开，再进行维修，在修复完成之后再将其重新并联于电池组之内运行即可。

三是选择断电工作模式。当系统中的一路供电失效时，ATS将自动转换至另一个主供电，两个UPS都不受到干扰。一旦系统中同时失去了二路的主电源，两个UPS就会同时转变成电池组的放电系统，而负载也将均匀分布。在这个状况下如果又有一个UPS发生故障，电池组将全部转入正常的UPS中，备用时间不受损失。另外，智能配电箱将根据各负载的备用能力需求，及时切断相关的负荷。

5 UPS电源整合注意事项

定期的维护和保养是UPS管理系统可靠运行的关键，能够有效减少故障率，增长电气设备寿命，确保供电网络系统的有效性。在使用一段时间后，应该检查UPS的外表以及是不是有异常气味等情况。UPS电源系统长期处于充电状态，导致电池活性下降，因此需要定期放电（通常每月一次）。为了提高系统的可靠性和寿命，需要建立电源维护部分，并配置专人进行维护和管理，以确保系统的完整性和独立性。为了确保电源系统设施能够正常运行，应该配置专业的维修工具，并制定完善的维修管理制度。由于信息技术的飞速发展，工频+输出隔离变压器形式的UPS在地铁行业中得到广泛的应用，大输出功率UPS集中式供电系统的安全可靠和远程监控能力也获得了显著提升，因此，轨道交通弱电控制系统使用大功率UPS集中式供电系统将会获得更加广阔的应用领域。

6 结语

在地铁低压供配电网络系统中，电气设备和电路的运行是必不可少的，但是，由于一些电器或接线陈旧，导致系统内部发生大量发热，电路遭到重大损坏，变压器超负荷运转，致使电压变得极不稳定。虽然这些问题可能暂时不会对系统造成太大的危害，但是如果不及时处理，仍会导致系统发生重大的问题，甚至无法运行。UPS不间断电源装置已被广泛应用于地铁系统，以确保安全、快速、准点运营。随着我国电力行业的快速发展，UPS逐渐成为地铁站低电压配电系统的首选。

在关键设备必须持续供电时，应使用在线式UPS，以保证电气设备的稳定性和可靠性，并为抢修电气设备留出足够的时限，以便尽快恢复电气设备的正常状态。UPS电气设备的安全是整体地铁系统安全的关键问题，因此，依据重要或非关键设备的差异，合理选择没有工作情况的UPS将会有效地保证轨道交通的安全运营。