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城市轨道交通弱电系统电源建设及运营管理问题探讨


摘要:对城市轨道交通弱电系统电源建设及运营维护管理中存在的问题进行了分析阐述,并以深圳地铁二期工程为例提出了该系统在设计、设备选型、维护管理中需要关注的一些问题和建议,为地铁弱电系统电源的设计及运营维护提供指导和支持。

关键词:城市轨道交通;弱电系统电源;UPS;建设;运营管理

作者:张文涧

引言

在城市轨道交通设备系统中,通信、信号、综合监控、自动售检票等弱电系统关系到乘客服务及运营安全,为确保系统可靠运行,必须为系统提供高可靠性的不间断电源供电n。国内建设较早的轨道交通线路,基本上都是采用各自系统独立设置UPS电源分散供电的方式[21。如深圳地铁一期工程BAS、FAS、通信、信号、AFC各个系统都配置了UPS。随着技术进步和设计水平的提高,基于安全可靠、节能环保、成本控制的考虑,新的地铁线路逐步采用了集中供电的UPS电源系统。如深圳地铁二期工程1、2、5号线除信号系统独立设置电源系统外,通信、综合监控、AFC等自动化信息系统均纳入统一的集中UPS供电。

统一集中供电的UPS,即弱电系统电源,由双电源切换装置、UPS主机、蓄电池、交流配电单元、监控报警单元等主要部分组成。两路径选择切换的交流220V一级负荷回路给UPS供电,交流配电屏负责负荷分配,给相关系统提供安全可靠的交流电源。从分散供电到集中供电,不仅电源的可靠性得到提高,同时降低了建设及运营管理成本。然而从设备多年来的运行情况看,电源系统从设计、设备选型及运营维护管理等方面还有许多问题值得探讨总结。本文结合深圳地铁弱电电源系统运行的实际情况,分析指出了该电源系统在建设运营各个阶段应特别注意的问题和对策。

1弱电系统电源的输入输出配电

传统上电源系统前端双电源切换装置由供电专业提供,供电专业与弱电专业的技术接口在切换装置输出开关接线端子上。在设计阶段由于专业接口未协调好,会造成切换装置输出开关与UPS输入开关上下级不匹配,如UPS输人开关脱扣电流等于或大于上级开关的情况;同样在UPS输出配电屏上,存在开关与各个子系统下级开关容量不匹配情况。此种情况,必然造成上级开关被下级开关顶脱扣而断电。另外,由于双切箱在供电专业合同中属于大合同中的"小设备",设备质量控制容易被疏忽,故障率很高。在深圳地铁1、2、5号线已发生多起因双电源切换故障引发的电源系统掉电事故。所以在设计阶段要特别处理各个专业系统接口,确保上下级开关匹配合理。双电源切换装置宜纳入电源系统统一设计采购及安装,以确保系统的完整性。

在电源系统设计中,要协调各专业尽量减少开关数量,减少可能的故障点,不能因专业分工不同和维护方便增加开关数量。为了接口上的清晰,电源系统为各个负载子系统提供输出总开关,各个负载子系统又配置输入总开关,这样使开关层级增多,数量增加,而且各层级开关容量不能拉开档次,不仅增加了故障点,更容易造成开关连跳的事故。另外,UPS的主输入与静态旁路输入开关要分开设置,防止UPS主输入开关故障时,影响静态回路供电。这一细节问题在实际当中容易被忽视。

双电源切换装置应为三相四极中性线重叠的转换形式,在切换过程中禁止中断负载中性线,否则会引起参考电位丧失和零线电压过高,对后端设备运行构成威胁。

此外,在UPS输入端,不能配置带漏电保护的断路器。UPS在无功率因数补偿的情况下,在输人线路中会产生较严重的谐波电流,如果在UPS前面加漏电保护开关,会导致漏电保护开关跳闸。

2弱电系统电源的监控与故障报警

UPS的供电可靠性除了良好的供电方案和高品质的产品保证外,必须建立一套完整的电源监控报警系统。监控范围需要涵盖UPS前端的双电源切换箱、UPS及输出配电系统。监控内容包括电流、电压、温度、设备状态等参数外,必须有完善的故障报警功能。通常地铁综合监控系统作为集中报警平台,车站的监控报警信息接人综合监控系统,在控制中心环调工作站进行集中报警管理。实际运营中由于环调工作站报警信息量大,UPS报警容易被忽略,因此需要对报警信息进行分类管理,在控制中心UPS故障报警信息纳入一类报警并采用声音报警提示,同时在车站车控室设置声光报警器。

3UPS的负载率和节能问题

UPS正常工作负载率宜在60%~70%之间。负载率过大,UPS满负荷运行,会造成UPS内部元件老化过快,使用寿命降低,且容易造成UPS过载保护。但负载率过低会造很大浪费。

深圳地铁二期工程弱电系统电源在车站统一设置了120KVA的UPS,目前UPS负载率很低,大部分车站负载率在20%到25%之间。从设备系统实际统计情况来看,一个标准站的综合监控系统(包括BAS、FAS、感温光线)负荷2kVA左右;通信、综合安防、PIS及AFC四个系统基本都在5kVA左右,所以一个标准站的弱电系统的实际负荷在25kVA左右。表1是深圳地铁2号线综合UPS负载率统计数据。从表中可以看出,大部分车站UPS负载率在22%左右,最大30%,最小l9%。

大容量UPS在运行中发热量很大,为平衡热负荷,空调系统要消耗大量电能,造成较大经济损失。对大型UPS而言,通常负载率在40%到80%时其效率曲线刚性较强,负载率在40%以下时,效率曲线下降明显。根据UPS发热功率计算:Q=UPS容量·功率因数·(1一效率)·负载率,以上述蛇口线后海站为例,若通过减小UPS容量将UPS负载率从25%提高到60%以上,则UPS效率将由85%提高到91%。

QI=12OkVA0.8(1—85%125%=3.6kW(1)

Q2=6OkVA0.8(1-91%)60%=2.59kW(2)

Q1一Q2=1.01kW(3)

全线按29个站估算共可减少29.29kW的发热功率。空调系统为平衡热负荷,可少消耗9.76kW用电功率(空调能效比按1:3),总共可减少39.05kW用电功率。如果通过减小UPS容量将车站电源负载率提高到60%,不仅节约了设备投资,而且运营期间每年节约的电能在28万千瓦时。

此外,选配高输入功率因数,低谐波电流的UPS,对节能效果明显。高输入功率因数,可以使UPS对市电的利用率提高,减小无功损耗;谐波电流低,可以减少UPS对电网的污染。同时,提高输入功率因数及降低输入电流谐波,还可以减小UPS配置容量及输入端的设备投资成本。早期投入使用的UPS电源输入功率因数较低,一般0.8左右,谐波电流一般都在20%一30%。新型的UPS,输人功率因数可提升至O.95以上,谐波电流降至3%以下。输人功率因数从0.8提高到0.95的情况下,同样的输入功率,输入电流减小接近20%,假如电网传输内阻的电压损耗为3%,那么电网系统的电能损耗可减少0.6%左右f相对于UPS满载运行)。

因此设计阶段应仔细核对系统的实际负荷,并以此合理配置UPS功率及蓄电池容量,尽可能使UPS运行在最高效率点附近,同时必须考虑选配高输入功率因数,低谐波电流的UPS主机。

表1深圳地铁2号线部分站综合UPS实际负载率统计表

4系统的供电方案

地铁弱电设备系统中,除信号系统单独配置电源子系统外,通信、AFC、综合监控及信息系统等逐步采用集中UPS供电,这是目前国内地铁行业的趋势。从使用情况看,信号系统UPS容量在联锁站通常配置40kVA,在非联锁站配置为6kVA。采用的供电方式与集中UPS基本相同:由两路市电经切换后供电给UPS,UPS输出经配电屏再给负载供电。

从地铁行车安全的角度看,信号系统的供电安全尤为重要,但供电模式的可靠性并不比集中UPS的可靠性高。即单机供电的UPS发生严重故障时,供电会中断。尤其当系统运行多年老化后,这种风险日益增大。如何使系统更加安全可靠又不增加建设及运营成本。一种可行的方式是将信号系统的电源统一到弱电电源系统,建设统一的地铁弱电系统电源。

图1是一种双UPS的供电方案,双ATS(ATS的切换时间在200ms以上,不能直接向弱电设备供电)从不同的两段母线取电,经切换后各由一路电源分别给两台独立的UPS供电。在两台UPS输出配电端,对负荷进行分类。第一类:具有两路电源输入的设备类,比如通信系统的传输节点设备,信号系统的道岔驱动设备,综合监控系统、AFC系统的核心服务器及骨干交换机或接入交换机等;第二类:按系统分类,即按通信、信号、AFC等设备系统分类。第二类负荷由两路UPS电源经STS(静态切换开关,切换时间小于20ms)切换供电。各个子系统有独立的STS设备,STS的故障风险控制在各个子系统内部。

图1双UPS供电方案

信号系统设备直流电源由两路UPS电源经过变换提供,可靠性大幅提高,而且STS切换的概率非常小,系统的供电非常稳定可靠。

根据实际负荷统计,在标准站,按照UPS的功率因数不同,配备两台80kVA或者100kVA的UPS(功率因数0.8时配100kVA;功率因数0.95以上配8OkVA)其负载率在60%左右,正好是在UPS的最佳效率点附近。不同的STS可以灵活选择不同的UPS作为主电源,两台UPS的电池后备时间不必相等。综合考虑,该方案并不需要明显增加建设成本。

5弱电系统电源的维护管理

电源系统安全运行有赖于良好的运行环境。要杜绝机房漏水、鼠患等不安全因素并确保机房的温湿度正常及无尘化管理。根据设备的实际情况,合理制定检修规程并防止过度维修。

5.1UPS维护管理

除了目测检查外,每年要对UPS功能进行测试并下载运行数据进行分析,全面掌握一个时期内机器的运行情况,有针对性进行检查维修。对运行多年的UPS设备,要对储能类元器件等进行更换维修。

(1)电容器:UPS内部电解电容器如输人交流电容、输出交流电容、直流电容、旁路滤波电容及集成大容量电容器的板卡等,根据安装环境和故障情况及时更换,建议使用5~7年后全部更换;

(2)电感器:定期对电感器进行检查更换;

(3)散热类器件:定期对水冷系统和散热风扇进行检查,定期检查补充冷却液,使用一定年限后直接更换冷却泵、散热风扇;

(4)控制板卡:控制电源和充电器板、电源采样板等根据故障情况适时更换。

5.2蓄电池维护管理

蓄电池每年要进行一次深度放电,放电要达到总容量的70%。可用专用负载进行放电测试。检查时目测蓄电池应无漏液、腐蚀、鼓包、开裂等现象,年检时逐一测量电池内阻及电压,电池内阻及电压须在正常范围内(单体12V电池内阻通常小于20mn,电压须≥1O.8V),发现问题电池必须及时更换。

通常大容量UPS均具有自动升压功能,在维修中临时减少1到2块电池,只是减少了电池后备时问,短时间内不会影响系统供电安全,但如果电池数量减少时必须及时调整浮充电压。

5.3系统应急处理

电源系统的运行需要24小时监控。发现报警时必须根据报警信息及时判断决定处理的时机。不影响运营的一般性故障,应安排夜间运营结束后处理,对影响供电安全严重问题需要立即处理。

当UPS故障造成设备断电时,应遵循"先恢复再维修"的原则,按照断开负载开关——断开UPS输出开关——断开UPS主输入开关——断开UPS静态旁路开关——闭合维修旁路开关——闭合负载开关的操作流程尽快恢复供电。各系统恢复供电前必须认真检查系统状态,尤其是电源输入部分是否有短路隐患。当UPS在线未断电,但已发生严重故障或后备电池故障(或后备时间不足)时,应根据UPS旁路指示灯的情况判断处理。如果UPS未转入静态旁路,应先确认或操作UPS转入静态旁路供电,然后按照闭合维修旁路开关~断开UPS主输出、输入开关⋯断开UPS静态旁开关的流程将UPS隔离;如果系统显示静态旁路故障,则不能盲目操作切换旁路,必须做系统负载停电的准备工作。

6结论

弱电系统电源是城市轨道交通弱电系统安全运行的重要保障,应在设计阶段全面综合考虑其安全可靠性及全寿命周期的运行维护成本,并关注设计、设备选型及各个专业接口的技术细节。对已投入运营的系统,运行多年后应适时按照上述原则进行系统整合或改造完善。



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