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美国通用GE工业UPS在地铁的应用研究及探索

1 行业现状概述

  

  近年来城市轨道交通行业发展迅猛,国内各大城市陆续建设城市地铁,地铁已经是一些大中型城市不可缺少的交通工具。在轨道交通设备中,电源系统的安全可靠是保证弱电各子系统正常工作的先决条件。目前,在轨道交通各机电系统中,其主设备需采用UPS的主要有:通信系统、信号系统、综合监控系统、设备环境监控系统、自动售检票系统、乘客资讯显示系统、办公自动化系统、应急照明系统、屏蔽门系统等子系统。地铁中各弱电系统对电源的稳定性、可靠性要求很高,断电事故会造成地铁停运甚至人身危险,带来不可估量的损失。机车进出站时,由于大功率非线性用电设备的运行,向电网注入大量的谐波电流,导致电网电压波形畸变。在发生严重畸变时,电网电压会出现正负半波不对称,三相电压不平衡,频率也会发生变动。这是地铁系统里UPS故障率居高不下的原因,对轨道交通行业安全可靠地运行带来了极大的安全隐患。究其原因是:对轨道交通行业的电气环境认识不足,只考虑了UPS的输入绿色要求和输出的过载能力,即输入功率因数≥0.95,输入电流谐波<5%,对电网没有污染,过载能力125%10min,150%1min。看似对电网及负载两端都有了要求。而唯独没有考虑到轨道交通行业里工业性的特征,即在轨道交通行业的电气环境中,UPS本身的适应性、可靠性,也可以说是UPS系统可用性不足。选择工业UPS,提升UPS本身的适应性和可靠性,才能保证轨道交通行业安全可靠地运行。

  

  2 行业环境和负载特征描述

  

  (1)地铁供电电网及设备使用环境情况

  

  ①地铁供电电网供电方式

  

  地铁的供电电源要求安全可靠,通常由城市电网供给。目前,国内各城市对地铁及城市轨道交通的供电一般有三种方式,即分散供电方式、集中供电方式、分散与集中相结合的混合供电方式。

  

  分散供电方式是指沿地铁线路的城市电网(通常是10kV电压等级)分别向各沿线的地铁牵引变电所和降压变电所供电。其前提条件是城市电网在地铁沿线有足够的变电站和备用容量,并能满足地铁牵引供电的可靠性要求。如早期的北京地铁采取的就是这种供电方式。

  

  集中供电方式是指城市电网(通常是110kV或66kV电压等级)向地铁的专用主变电所供电,主变电所再向地铁的牵引变电所和降压变电所供电,地铁自身组成完整的供电网络系统。近几年新建的地铁系统多采用集中供电方式,如上海、广州、深圳地铁等。

  

  ②设备使用环境

  

  •电网环境差;

  

  •地下车站温度低、湿度大;

  

  •以计算机类负载为主,对闪断极其敏感,对电压精度要求高;

  

  •机车运行及门禁系统等大功率非线性负载使用时电网波动大、质量差。

  

  (2)在机车进出站时对供电电源的影响

  

  从图1可看出:在机车进出站时,由于大功率非线性用电设备的运行,向电网注入大量的谐波电流,导致电网电压波形畸变。根据实测观察,在发生严重畸变时,电网电压会出现正负半波不对称,三相电压不平衡,频率也会发生变动。

   

  (3)地铁低压主配电系统负载类型

  

  ①通信系统的负载类型

  

  传输、*、公务电话、专用电话、闭路电视、广播、时钟等子系统的计算机网络和通讯设备,其电源要求能连续供应AC220V电源;

  

  ②信号系统的负载类型

  

  信号系统、旅客信息系统等计算机、网络设备、控制设备,其电源要求能连续供应AC380/220V电源。

  

  ③综合监控系统(含环境监控、门禁)的负载类型

  

  计算机、网络设备、环境监控和门禁控制设备;其电源要求能连续供应AC220V电源。

  

  ④自动售检票系统(AFC)的负载类型

  

  计算机、网络设备、AFC终端设备,其电源要求能连续供应AC220V电源。

  

  ⑤办公自动化系统的负载类型

  

  计算机、网络设备,其电源要求能连续供应AC220V电源。

  

  ⑥屏蔽门系统的负载类型

  

  屏蔽门控制、驱动设备等,控制设备的电源需连续供应AC220V,控制电源驱动设备需要DC110V驱动电源。

  

  ⑦火灾自动报警系统的负载类型

  

  计算机网络设备、报警控制器等,其电源要求能连续供应AC220V电源。

  

  ⑧变电所直流辅助电源的负载类型

  

  装置电源、控制电源、电机电源,其电源要求能连续供应DC220V电源。

  

  ⑨车站应急照明系统的负载类型

  

  包括疏散照明和备用照明,其电源要求能连续供应AC220V电源。

  

  (4)地铁低压主配电系统负载功率及UPS需求功率

  

  以某城市地铁为例

  

  ①地下车站整合情况

  

    地下车站需UPS整合电源系统整合的各弱电系统后备电源容量及后备时间见表1。

    

  ②高架车站整合情况

  

   高架车站需UPS整合电源系统整合的各弱电系统后备电源容量及后备时间见表2。

       

  ③控制中心整合情况

  

  控制中心需UPS整合电源系统整合的各弱电系统后备电源容量及后备时间见表3。

   

  3 UPS电源选择分析

  

  (1)工业UPS技术特点

  

  工业UPS采用了先进的IGBT功率器件、性能优越的SPWM逆变器及智能化多模式电池管理技术等国际先进技术,以及丰富的电源管理软件,具有良好的性价比和用户基础。其具备以下技术特点:

  

  ①采用先进的DSP数字化控制技术,对电源产品优化设计,减少了分立元器件数量,采用高效系统热设计技术,以优化部件排布和热通道;

  

  ②优化可靠性设计技术以提高产品的MTBF(平均无故障工作时间)和系统可用性;

  

  ③优秀的电磁兼容设计技术满足UPS自身和用电设备的高可靠性。

  

  (2)适应恶劣的物理环境

  

  由于在地铁场景中,随着人流量带来的灰尘及雨水潮湿气体,普通UPS的IP防护等级一般为IP30以下,容易因高湿高温高粉尘导致UPS故障,在恶劣的使用环境下,使用寿命不超过6个月。工业UPS的IP防护等级为IP42,所有电路板均喷涂防腐蚀绝缘漆,具有绝缘、防潮、防漏电、防震、防尘、防腐蚀、防老化、耐电晕能力;通风方式下进上出,自然对流,独立风道,热分流设计,使工业UPS适应高温、高湿、粉尘、盐碱、腐蚀性气体、震动等恶劣的工作环境。

  

  商业UPS机及普通工频机应用中,由于尾气、粉尘、水气影响板件运行,无法正常运行,寿命短。

  

  (3)适应恶劣的电力环境

  

  由于地铁、站点门禁系统及屏蔽门间断性工作,导致地铁站内的市电范围很宽,波动很大。工业UPS具备极宽的输入电压和频率范围,允许电压输入380±25%Vac,频率45~65Hz,支持发电机接入。可适应恶劣的电网环境;能够承受剧烈的负载波动冲击,抵御和消除各种电网质量问题,如谐波、过压、欠压、突波、电压下陷、停电、过载、短路、浪涌电流等。

  

  (4)适应工控负载环境

  

  工业UPS适应于各种工况负载,如重载机械、生产线设备、DCS系统;坚固设计,可承受强过载和短路电流冲击与负功,在没有市电的情况下可通过电池实现直流冷启动。

  

  (5)高可靠性设计

  

  高可靠性是以系统的设计、工艺、配置来体现的。采用工业级甚至是军用级元器件,同时还要加大关键元器件的冗余度,以增强系统的抗冲击能力。在生产工艺上,对逻辑电路和通讯电路有更严格的屏蔽保护措施。配置输入和输出隔离变压器以增强系统的电气隔离性能,采用12脉冲整流器技术,内置电池保护开关、输入和输出开关、静态和维修旁路开关等各种保护开关。以上种种都对工业UPS系统提供了高可靠性的保障。另外工业UPS功率器件余量大,关键部件可以热更换使产品寿命极大延长;可在40℃的环境温度下正常工作;多机并联实现冗余或增容,确保负载在各种情况下的供电安全;可接入两路独立的市电,适应双电源供电系统;输入隔离变压器和输出隔离变压器可以实现UPS输入和输出的完全电隔离;逻辑电源均采用冗余设计;发电机模式下,兼容错相运行,均能提高工业UPS的寿命。

  

  4 结束语

  

  总上所述,轨道交通行业地铁中应使用工业UPS。工业UPS就显性特点而言有四要素:

  

  ①可选配的高等级IP防护等级,适应恶劣物理环境;

  

  ②高等级的抗扰度,适应恶劣电气环境;

  

  ③工频变压器的电气隔离,适应工况负载冲击;

  

  ④高可靠性,使用寿命长。

  

  在应用环境方面,商业级UPS通常应用于IDC机房内,对温度、湿度、粉尘、腐蚀性气体有严格的要求,不能用于严酷场合,而工业级UPS则通常应用于高温高湿多粉尘或盐雾的场合;在可靠性方面,商业级UPS设计寿命通常在5年左右,而工业级UPS则通过选用工业级甚至军用级器件、增大冗余度、强化工艺设计和提高安全性配置等技术,使产品寿命达到甚至超过20年。另外,在电气环境、负载特性、机械强度、电气隔离、输入输出保护、通讯接口、旁路要求、附件选择、IP防护等级和钣金要求等方面,市场对工业级UPS的要求均远高于商业级UPS。

  


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