地铁屏蔽门供电系统应用方案

      概述
　　
　　地铁屏蔽门供电系统主要由2部分组成，一部分为驱动电源系统，一部分控制电源系统。其中，驱动电源系统，功率一般为40-60KVA左右，主要为地铁站里屏蔽门的驱动马达供电。其功率的大小主要取决于地铁站中屏蔽门个数的多少。驱动马达又直流驱动型也有交流驱动型。本文之限于交流驱动型门机马达。
　　
　　控制电源系统容量一般较小，只有几百瓦到几K伏安，主要取决屏蔽门厂家的控制方式。一般，控制系统采用直流供电，电压等级有24V/48V/110V等。虽然控制系统的功率不是很大，但却非常重要，因此为控制系统供电一般采用冗余的供电方式，来保证其供电可靠性。另外，屏蔽门供电系统还包括配电系统和灯带照明系统。
　　
　　地铁供电系统中，由于铁轨是导电回路。因此，地铁的供电系统一般需要采用隔离变压器，以便完全隔离地线。在屏蔽门电源系统中，也不例外。地铁供电系统对蓄电池的要求也非常特殊，一般采用胶体电池或比较耐高温且寿命长的电池。对电池的延时要求一般为1小时左右。由于负载时屏蔽门，故其具体延时要求一般为一段时间内屏蔽门能够开关门3-5次。
　　
　　地铁屏蔽门的监控系统须将包括电源在内的众多设备的工作状态及告警信息接入进来。因此，需要对电源系统的各个子系统进行监控。监控方式一般采用工业常用的MODBUS通讯协议，通讯方式为RS485或RS422。 下面以广州地铁二、八号线延长线的应用案例，来说明地铁屏蔽门供电系统的应用。
　　
　　第一章 系统设计指导思想及意图
　　
　　本系统为广州市轨道交通二、八号线延长线工程屏蔽系统的不间断供电方案，系统方案本着可靠、经济、高效的原则进行设计。
　　
　　 可靠性：在UPS及直流供电系统中，采用模块化冗余设计方式，即提高了供电可靠性，也不会太多增加成本。电源子系统通过使用已证明具有高可靠性的组件，降低子系统故障概率和有关影响正常运行的随机性；
　　 可维护性：各部件模块化设计，维护快捷、简便；
　　 绿色高效：UPS系统体积小巧，智能化程度高，绿色高效。
　　
　　第二章 系统基本设计原理描述
　　
　　3.1 系统方案总体框图

　　本系统由驱动电源系统、控制电源系统，站台照明箱3部分组成。驱动电源和控制电源都采用具有高可用性的DELTA模块化UPS系统组成N+1冗余不间断供电系统，使得系统具有优点：
　　
　　 可靠性：电源子系统通过使用已证明具有高可靠性的组件，降低子系统故障概率和有关影响正常运行的随机性；
　　 可维护性：各部件模块化设计，维护快捷、简便；
　　 绿色高效：UPS系统体积小巧，智能化程度高，绿色高效。
　　
　　3.2 驱动电源系统：

    本系统由电池系统、模块化UPS、站台配电系统组成。由UPS为2侧或3侧站台屏蔽门系统提供不间断电力供应。UPS采用台达模块化设计之UPS,N+1模块化冗余供电方案，具有维护方便、简洁，系统可用性高，整机效率高等特点。电池采用阳光长寿命胶体电池。配电系统采用施耐德开关，内置隔离变压器，输出分路个设有备用分路，供灵活使用。
　　
　　3.2.1 驱动系统UPS
　　
　　台达C系列模块化UPS是针对中国电网环境需求所设计的UPS。采用模块化设计，数字化控制，并具有技术性能强高、可靠性高、操作性佳、易于维护，便于管理的特点。
　　
　　典型技术特点：
　　• 模块化设计，每个模块功率为20KVA。可N+X冗余备份，易扩展最多可达8个模块，可靠度强
　　• 输入整流器采用申请专利电路的IGBT设计，可提高输入功率因素，减少输入电流谐波失真并减少损失；
　　• 采用数字讯号处理器（DSP）及空间向量脉波宽度调变技术使得可靠性提高并具备快速的动态响应；
　　• 控制电源及静态开关等控制线路双备份设计；
　　• 高输入功率因数，低谐波，可以减少对电网的谐波污染，降低对发电机的容量要求。(输入功率因数>0.99，输入电流谐波失真<3%)。20KVA模块满载時，输入电压及三相输入电流波形：THDIA=1.3%,THDIB=1.1%，THDIC=1.2%
　　• 高功率密度比，可以节省安装空间.高效率,提高电能利用率，减少损失，节省空调投入。 　　
　　• 使用ECO经济模式运转，可配合稳定的市电运作，大大提高使用效率，减少能源损耗
　　
　　3.2.2 驱动UPS输出配电系统：
　　

    由380/380隔离变压器和输出配电系统组成。详细信息请见站台配电图纸部分。
　　
　　1）配电系统由中达隔离变压器和配电分路组成。配电分路采用施耐德开关，配电分路都设有一路或2路备用开关，以便灵活使用。XL-21动力配电箱配电箱结构、材料及工艺
　　
　　a.配电箱柜体采用优质冷轧钢板加工而成，采用前开门形式，前门打开后元件不外露只有操作手柄，保证不会误碰导电体。进线方式为上进上出接线，元件安装在箱内支架上，出线自上而下可分多路出线，板前接线。为方便出线，开关进出线处都有铜排引出，并用绝缘子固定。
　　
　　b.箱体材料
　　箱体外壳采用国产优质冷轧钢板，油漆采用环氧粉末喷涂工艺具有很强的防腐能力，色标在设计联络会上确定。
　　
　　c.保护接地系统
　　箱内设有独立的PE接地保护，和N线。
　　
　　2）XL-21动力配电箱母线系统
　　
　　a.箱内的主母线和配电母线均为铜母线材料，其相对导电率大于99%。
　　b.母线采用绝缘母线夹及支件加以固定，分路开关进线均从母线上引来。柜内母线色标颜色符合GB2681-81《电工成套装置中的导线颜色》的规定。柜内母线的相序排列从装置正面观察符合下表的排列。
　　
　　柜内母线的相序排列从装置正面观察应符合下表的排列：

    3.2.3 电池系统：

　　电池采用足够容量的阳光长寿命胶体电池。设计寿命为12年；活性物质为高纯电解精铅；板栅为铅、锡、钙多元耐蚀和金；额定工作电压为12.0V。
　　
　　3.3 控制电源系统

　　说明：控制电源系统由控制系统UPS及隔离变压器、24V直流供配电系统组成。
　　
　　考虑到系统的安全性，我司建议采用单套电源控制单侧站台，同时采用双系统并联技术，可保证在其中一套电源故障的情况下，切换到另外一路电源上，减小故障维护时间。两套控制电源系统之间采用母联开关K连接，通过切换开关达到系统的切换。如下附图系统接线图。

　　
　　两套MCS1800嵌入式II型系统通过母联开关连接

　　
　　3.4.1 控制系统UPS：
　　
　　采用DELTAN系列UPS。此系列UPS为机架式设计结构，可安装与机柜内，高度为2，体积小巧，转换效率高，自身功耗低。其主要特点如下：
　　 可使用于19”或21”标准网络机柜,也可直立防置
　　 可选择2个模块并联运行，组成冗余供电系统。
　　 超薄高密度设计,为最大的2U高度机型
　　 可选择经济模式输出(效率>96%)
　　 宽广输入电压范围120V-280V
　　 高整机效率
　　 输出短路保护
　　 具电池开机功能
　　 可作双机热备份串联运作
　　 (Hot-StandbyRedundant)
　　 使用者亲善LCD操作面板
　　 输出波形失真率低
　　 全时间防雷击及噪声突波保护
　　 内建SNMP插槽,可作网络远程监控
　　 标准RS232、AS400、干接点接口
　　 具有智能电池充放电管理

　　3.4.2 直流供配电电系统：
　　
　　24V直流供电系统采用中达MCS1800系统，由于交流输入由UPS提供，故系统无需配置蓄电池后备。系统采用每套两个ESR－24V/50A整流模块、监控模块以及直流配电分路等组成。本系统采用每站台每侧一套中达电通MS1800嵌入式II型24V电源系统，组成冗余供电系统，保证系统供电的可靠性。

　　中达电通MCS-1800电源系统是以交换式直流供电系统设计的直流供电系统,其单机为24V/50A整流模块，产品提供稳定可靠直流电源,供应地铁系统设备使用。
　　
　　3.4.2.1 技术特性：
　　
　　1、宽输入电压范围(90Vac～300Vac)
　　2、具有热插拔功能,可在不影响运作下更换模块，模块配置满足N+1冗余备份，可保证系统使用安全。
　　3、高功率因数(PF>0.99),功率校正电路有专利
　　4、高效率(24Vdc时,效率>88%)
　　5、先进的负载均流技术,均流特性极佳　
　　6、具有智能的监控单元，在中文窗口环境下,用CANBUS通信界面,通过RS-232达到智能型三遥功能
　
　　3.4.2.2 双系统并联技术
　　
　　考虑到系统的安全性，我司建议采用单套电源控制单侧站台，同时采用双系统并联技术，可保证在其中一套电源故障的情况下，切换到另外一路电源上，减小故障维护时间。两套控制电源系统之间采用母联开关K连接，通过切换开关达到系统的切换。如下附图系统接线图。

　　
　　两套MCS1800嵌入式II型系统通过母联开关连接

　　
　　3.4 站台照明配电箱

　　配电箱结构、材料及工艺 
　　
　　a.配电箱柜体采用优质冷轧钢板加工而成，采用前开门形式，前门打开后组件不外露只有操作手柄，保证不会误碰导电体。进线方式为电缆下进线，组件安装在箱内支架上，出线自上而下可分多路出线，板前接线。为方便出线，开关进出线处都有铜排引出，并用绝缘子固定。

　　b.箱体材料
　　箱体外壳采用国产优质冷轧钢板，油漆采用环氧粉末喷涂工艺具有很强的防腐能力，色标在设计联络会上确定。
　　
　　c.保护接地系统
　　箱内设有独立的PE接地保护，和N线。
　　
　　第三章 系统配置方案
　　
　　3.1 系统布局图

　　3.2 系统电源配置
　　
　　3.2.1 二侧站台电源配置方案：
　　
　　1）驱动电源UPS电源系统配置：
　　
　　驱动UPS主机(含模块)+电池组(含电池柜)台+配电柜共三面柜。
　　
　　驱动UPS系统主要包含40KVAUPS主机(含2只20KVA模块)一台、25KVA三相隔离变压器一台、电池组（含电池柜）一组、配电柜一套（含输入/输出等馈线开关）。
　　
　　2）控制电源UPS系统配置：
　　
　　控制UPS主机(含模块)+电池组(含电池柜)台+配电等，共一面柜。
　　
　　控制UPS系统主要包含5KVAUPS2台、5KVA单相隔离变压器一台、电池组（放置于配电柜）一组、配电柜一套（含UPS输入/输出/直流模块及交直流馈线开关等）。
　　
　　3.2.2 三侧站台电源方案
　　
　　1）驱动电源系统配置：
　　
　　驱动UPS主机(含模块)+电池组(含电池柜)台+配电柜共三面柜。驱动UPS系统主要包含60KVAUPS主机(含3只20KVA模块)一台、40KVA三相隔离变压器一台、电池组（含电池柜）一组、配电柜一套（含输入/输出等馈线开关）。
　　
　　2）控制电源UPS系统配置：
　　
　　控制UPS主机(含模块)+电池组(含电池柜)台+配电等，共一面柜。控制UPS系统主要包含5KVAUPS2台、5KVA单相隔离变压器一台、电池组（放置于配电柜）一组、配电柜一套（含UPS输入/输出/直流模块及交直流馈线开关等）。

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　　3.3 站台照明配电箱

　　材料明细：

　　3.4 驱动UPS配电系统的组成
　　
　　柜内主要元器件采用施耐德品牌。塑壳断路器采用施耐德CompactNSE断路器，微型断路器采用施耐德C65N断路器。内含中达隔离变压器。站台配电系统都预留了一路以上空开，作为备用。
　　
　　3.4.1 二侧站驱动UPS配电系统：
　　
　　1） 二侧站驱动UPS配电系统图：

　　2)二侧站驱动UPS输出配电柜明细：

　　3.4.2 三侧站驱动UPS配电系统：
　　
　　1） 三侧站驱动UPS配电系统图：

　　2）三侧站驱动UPS配电系统明细：

　　3.5 24V直流供配电系统
　　
　　MCS-1800系列整流模块（SMR）是专为提供通信设备、工业用途和计算机办公设备的高频开关电源整流模块，单机输出为24V/50A。用正面插入固定，装拆、保养均很容易。整流模块弹性组合方式，当系统负载需求增加时，提供经济且适中的系统扩容选择。且不须将系统断电即可由前面将整流模块取出保养。
　　
　　本整流模块采用自动功率因数补偿(PFC)设计，功率因数达0.99以上。而每个整流模块的前面板皆装有交流输入开关，方便了保养或维修时将整流模块与系统切离。
　　
　　第四章 监控系统

　　监控采用中达功能智能协议转换器UPUC，此智能转换器能够实现2路智能接口接入，本系统中共有5-6个智能设备，故需要3个UPCUS设备，每个电源设备都具有RS232接口，直接连接到协议转换器接口。3个协议转换器UPCU采用并联的方式，通过RS485或RS422的方式将信号送给中央接口盘。通信协议采用MODBUS协议。示意图如下：
　　
　　第五章 系统容量计算
　　
　　5.1 配电系统容量配置

    交流配电屏：
    两侧站：100A/AC380V
    三侧站：160A/AC380V
    站台照明配电箱
    站台交流照明配电箱：15KVA
　　
　　5.2 UPS容量配置

    5.3 UPS及蓄电池系统容量计算：
　　
　　5.3.1 三侧站UPS容量计算
　　
　　1）三侧站设90个用电设备，总驱动功率90×300W=27000W，考虑到UPS的输出功率因素0.8使用最小UPS容量为27000W/0.8=33.75KVA,通常使用的UPS负载在80%。以下对设备寿命有益原则需要容量UPS增加到33.75KVA/0.8=42.2KVA，又根据标书要求UPS可靠性采用冗余设计，UPS容量还需要在增加一只模块的容量即：42.2KVA+20KVA=62.2KVA，建议设计容量为60KVA。
　　
　　2）三侧站台控制系统负载为600W,但考虑到负载的变化和控制系统供电的可靠性，选用2个5KVAUPS模块，组成模块冗余供电系统,容量足够且留有余量，也可以扩展其它负载。
　　
　　5.3.2 三侧站台驱动系统UPS蓄电池容量计算：
　　
　　1）三侧站台驱动电源在后备时间内需要消耗两部分能量：
　　
　　(a)在60分钟内开关各5次
　　
　　(b)UPS待机60分钟
　　
　　2）开关5次最大工作时间为5×(3.5+4.2)=38.5S,27000W工作38.5S需要能量
　　
　　为(38.5S/3600S)×27000W=173.25WH=288.75WH；
　　
　　3）UPS待机60分钟,电源(UPS)消耗能量(UPS效率以92%计算最大约27KW的8%即2160W)，2160W在60分钟内需要能量为：2160W×1H=2160WH
　　
　　需要的最小能量为：288.75WH+2160WH=2448.75WH。
　　
　　4）因为电池电压为480Vdc，需要配置最小电池容量为2448.75WH÷480V=5AH
　　
　　根据计算值，查表只要电池容量大于5AH就可以了，但是实际使用中电池实际放电电流不可以太大，否则会因配置电池太小而不能承受或减少电池寿命。
　　
　　5）电池最大电流设计在3C到5C为佳，可以最大限度的发挥电池的作用，负载
　　
　　27000W+2160W以最大电流为29160W÷480V÷0.95%=63.94A，3C需要电池21.3A，5C需要电池12.78A。最小电流为：2160÷480÷0.95=4.74A。（逆变器效率为0.95，每组电池颗数为40只）。
　　
　　6）因此，查下表，可知驱动电源UPS选择阳光电池的12V20AH，选择一组在UPS使用前期电池容量回足够。型号为：A412/20G5.

　　5.3.3 三侧站台控制电源UPS蓄电池容量计算：
　　
　　1）控制系统UPS待机60分钟,电源(UPS)消耗能量:600W×1H=600VAH；因为控制UPS外接电池电压为192Vdc，需要配置最小电池容量为600VAH÷192V=4.2AH；负载需要的最大放电电流为：600W÷192÷0.92=3.96A（逆变器效率为0.92，电池只数为每组16只）。查上表可知控制电源选择阳光电池的12V8.5AH，一组16只。型号为：A412/8.5SR。
　　
　　5.3.4 两侧站UPS系统容量计算
　　
　　1）三侧站设60个用电设备，总驱动功率60×300W=18000W，考虑到UPS的输出功率因素0.8使用最小UPS容量为18000W/0.8=22.5KVA,又根据标书要求UPS可靠性采用冗余设计，UPS容量还需要在增加一只模块的容量即：　　
　　22.5KVA+20KVA=42.5KVA，建议设计容量为40KVA。
　　又：考虑到系统中一个模块故障时，系统功率剩余为20KVA,是否可以满足极端情况下60门同时开启的情况？
　　
　　我公司DELTA模块化UPS,每个模块设计具有过载能量，过载量可达125%，即当系统单个模块容易20KVA时，其最大带着能力可达25KVA，是可以满足极端情况（60个门马达同时启动）22.5KVA的系统容量的。故选择40KVA系统容量是可以满足冗余供电需求的。
　　
　　2）三侧站台控制系统负载为400W,但考虑到负载的变化和控制系统供电的可靠性，选用2个5KVAUPS模块，组成模块冗余供电系统,容量足够且留有余量，也可以扩展其它负载。
　　
　　5.3.5 二侧站台驱动系统UPS蓄电池容量计算：
　　
　　1）两侧站台驱动电源在后备时间内需要消耗两部分能量：
　　
　　(a)在60分钟内开关各5次
　　(b)待机60分钟
　　
　　2）开关5次最大工作时间为5×(3.5+4.2)=38.5S,18000W工作38.5S需要能量为：(38.51S/3600S)×18000W=115.5WH=192.5VAH；
　　
　　3）电源(UPS)消耗能量(UPS效率以92%计算最大约18KW的8%即1440W)，1440W在60分钟内需要能量为:1440W×1H=1440WH，需要的最小能量为：192.5WH+1440WH=1632.5WH。
　　
　　4）因为电池电压为480Vdc，需要配置最小电池容量为1632.5VAH÷480V=3.4AH 根据计算值，查表需要的电池容量大于5.5AH就可以了，但是实际使用中电池实际电流不可以太大,否则会因配置电池太小而不能承受或减少电池寿命。
　　
　　5）电池最大电流设计在3C到5C为佳，可以最大限度的发挥电池的作用，负载18000W,所以最大电流为(18000W+1440W)÷480V÷95%=42.63A，3C需要电池14.2AH,5C需要电池8.5AH。
　　
　　6）选择阳光电池的12V12AH阳光电池。型号为：A412/12SR,每组40只。
　　
　　5.3.6 二侧站台控制系统UPS蓄电池容量计算：
　　
　　1）二侧站台控制电源在后备时间内需要消耗能量：　
　　UPS待机60分钟,电源(UPS)消耗能量:400W×1H=400VAH
　　
　　3）因为控制UPS外接电池电压为192Vdc，需要配置最小电池容量为400VAH÷192V=2.1AH；
　　
　　3）负载需要的最大放电电流为：400W÷192÷0.92=2.26A（逆变器效率为0.92，电池指数为每组16只）。
　　
　　查上表可知控制电源选择阳光电池的12V5.5AH,考虑到工作一段时间以后，UPS的延时时间还足够，则电池采用12V8.5AH电池，一组16只。型号为：A412/8.5SR。