中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 張令翔

1 引言

城市軌道交通工程中不間斷電源系統(tǒng)主要應(yīng)用在弱電系統(tǒng)中。弱電系統(tǒng)的用電功耗統(tǒng)計(jì)、用電需求及散熱量提資、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)是不間斷電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中十分重要的環(huán)節(jié)。但在實(shí)際項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，往往由于缺乏充分的調(diào)研、工程經(jīng)驗(yàn)以及專業(yè)知識(shí)等多種原因，導(dǎo)致設(shè)計(jì)師習(xí)慣性的提出遠(yuǎn)超實(shí)際需求的用電功耗和設(shè)備散熱量，來(lái)達(dá)到非理性冗余和容錯(cuò)的目的。事實(shí)上，越大的用電功耗意味著需要配置越大容量的UPS 和蓄電池組，最終導(dǎo)致機(jī)房面積、荷載的增加、通風(fēng)散熱的條件的增加、配電線路級(jí)差配合難度增大，以及工程投資全面增加等一系列問(wèn)題的產(chǎn)生。本文從用電功耗計(jì)算、用電需求和散熱量提資、系統(tǒng)方案等幾個(gè)方面來(lái)介紹實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和問(wèn)題，并結(jié)合工程案例提出分析和計(jì)算方法。

2 用電功耗

2.1 系統(tǒng)額定功耗

在設(shè)備招標(biāo)階段，弱電系統(tǒng)的功能及構(gòu)成已基本確定，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)各系統(tǒng)的設(shè)備組成，結(jié)合主流產(chǎn)品功耗的調(diào)查，估算出系統(tǒng)整體額定電功耗。

2.2 系統(tǒng)實(shí)際功耗

弱電系統(tǒng)主要是由各類服務(wù)器、存儲(chǔ)、工控機(jī)及操作終端等IT 設(shè)備構(gòu)成，設(shè)備的業(yè)務(wù)板卡一般不會(huì)滿配，或者說(shuō)各設(shè)備不會(huì)同時(shí)處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)。所以設(shè)備工作的實(shí)際功耗通常是大幅度小于額定功耗的。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)已運(yùn)營(yíng)的大量軌道交通工程調(diào)查，弱電系統(tǒng)包含的專用通信、公安通信、信號(hào)、綜合監(jiān)控及自動(dòng)售檢票系統(tǒng)的負(fù)載率普遍較低，基本在10%～30%。弱電各系統(tǒng)專業(yè)車站實(shí)際負(fù)載率見表1。

表1 弱電系統(tǒng)UPS 負(fù)載率

由此可見在項(xiàng)目前期的用電功耗的統(tǒng)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員考慮了較高的冗余系數(shù)。

2.3 UPS 最佳負(fù)載率

UPS 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)壽命通常是15年以上，但前提是UPS 長(zhǎng)期工作在負(fù)載率60%～80%的情況下。而城市軌道交通弱電系統(tǒng)UPS 普遍較低的負(fù)載率會(huì)降低UPS 的使用壽命，難以達(dá)到預(yù)先的產(chǎn)品設(shè)計(jì)壽命。

2.4 降容系數(shù)

隨著海拔高度的增加，氣壓降低，空氣變得稀薄，高海拔會(huì)直接影響UPS 的散熱和放電間隙，導(dǎo)致UPS 的功率降低，一般來(lái)說(shuō)1500m 以上，海拔每增加100m，UPS 所帶負(fù)載就會(huì)減小1%，所以在高海拔地區(qū)的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮UPS 降容的情況，適當(dāng)?shù)目紤]一定的冗余系數(shù)[1]。

3 用電需求提資

3.1 用電“單位”之爭(zhēng)

對(duì)用電功耗單位用kW 還是kVA 的爭(zhēng)論由來(lái)已久。本文認(rèn)為，UPS 作為電壓配電的負(fù)載端，UPS 并不是單純的阻性負(fù)載，其內(nèi)部存在的整流單元，為容性負(fù)載。所以UPS 既要消耗有功功率（kW），又要消耗無(wú)功功率（var），所以用kVA 來(lái)表示用電功耗是相對(duì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。在用電需求提資的時(shí)候還可給低壓配電專業(yè)提供負(fù)載端的功率因素cosφ，從而更好體現(xiàn)出負(fù)載端的功耗特性。

3.2 線制的探討

在設(shè)計(jì)文件中經(jīng)常能看到“三相五線制、三相四線制”的描述。根據(jù)《IEC60364》的定義，PE線在正常運(yùn)行時(shí)是不帶電的，所以PE 線不能不算做線制，故三相五線制的描述不準(zhǔn)確。

根據(jù)《GB 14050-2008》《IEC60364》對(duì)于接地裝置的定義，系統(tǒng)接地形主要有TT、IT 和TN三種，其中TN 系統(tǒng)又分為TN-S、TN-C 和TNC-S 系統(tǒng)[2]。

三相四線制實(shí)際上對(duì)應(yīng)的是TN-S、TN-C 和TT 三種接地系統(tǒng)。TN-C 接地系統(tǒng)由于PE 線與N線合用一根線纜，容易出現(xiàn)單點(diǎn)接地故障的安全問(wèn)題，目前工程中已基本淘汰。TT 系統(tǒng)自身不提供PE 線，需要負(fù)載自行就近接地，所以在工程中一般較遠(yuǎn)負(fù)載的供電可以采用該制式。城市軌道交通工程中低壓配電及弱電系統(tǒng)普遍采用的TN-S 系統(tǒng)，即變壓器端中性點(diǎn)接地，從中性點(diǎn)接地處再引出地線PE 給負(fù)載端外殼接地使用。

所以根據(jù)以上的闡述，在提用電需求的時(shí)候，無(wú)論是三相五線制還是三相四線制都不夠嚴(yán)謹(jǐn)，因?yàn)殡娫聪到y(tǒng)的本質(zhì)是接地，弱電系統(tǒng)需要的配電端接地方式為TN-S，而TN-S 接地系統(tǒng)決定了三進(jìn)UPS 的輸入特性是三相四線制。

3.3 UPS 過(guò)載的考慮

在工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常容易忽略的一個(gè)問(wèn)題是，在項(xiàng)目前期弱電專業(yè)給動(dòng)照專業(yè)提供用電功耗需求時(shí)，僅僅是將UPS 的額定功率作為用電功耗求提給動(dòng)照，而不考慮UPS 過(guò)載的情況。這樣會(huì)導(dǎo)致UPS 廠家配置的UPS 輸入開關(guān)容量大于或接近于上游動(dòng)照專業(yè)配電箱配置的開關(guān)容量，從而形成上下級(jí)開關(guān)倒掛或者無(wú)級(jí)差保護(hù)的情況。所以在用電需求提資的時(shí)候，需要求動(dòng)照專業(yè)在配電開關(guān)容量和電纜截面積選擇的時(shí)候考慮UPS 過(guò)載的情況。在實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，UPS 過(guò)載率可根據(jù)具體項(xiàng)目的用戶需求來(lái)確定，通常UPS 過(guò)載能力在120%～150%[3]。

4 散熱量提資

4.1 UPS 散熱量

由能量守恒定律可知，UPS 在整流和逆變的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的損耗，并最終以熱量的形式消散，所以可以得出公式（1）。

式中：PUPS——UPS 散熱量（W）；

S——UPS額定容量（kVA）；

cosφ——UPS 輸出功率因數(shù)；

RL——UPS 實(shí)際負(fù)載率；

RH——降容系數(shù)（根據(jù)項(xiàng)目海拔高度取值）；

η——UPS 整機(jī)效率。

以正常海拔下，額定輸出功率為40kVA、整機(jī)效率為95%、實(shí)際負(fù)載率為60%的UPS 為例，UPS散熱量計(jì)算如下：

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

UPS 在給蓄電池充電的狀態(tài)下，整流器的輸入功率會(huì)提升，從而造成整流器產(chǎn)生更大的熱量損失，但考慮到蓄電池充電電流不大，并結(jié)合后文蓄電池放電時(shí)散熱最大的原因，這里可以忽略不計(jì)。

電源系統(tǒng)配套的交流配電柜內(nèi)部設(shè)置有斷路器，在接觸良好的情況下散熱量可以忽略不計(jì)。

4.2 蓄電池散熱量

蓄電池在浮充、均充、放電時(shí)的電流大小各不相同，在計(jì)算蓄電池散熱量時(shí)選取最大電流，即蓄電池處于放電電流的狀態(tài)，計(jì)算公式（2）。

式中：

I——蓄電池組總放電電流（A）；

N——單組蓄電池節(jié)數(shù)；

V——單體蓄電池終止放電電壓（V）；

μ——UPS 逆變器效率。

以專用通信電源設(shè)備室配置的一套40kVA UPS（cosφ=0.8、μ=0.9，RL=60%），2組（每組32節(jié)）容量為150AH，內(nèi)阻為4.8×10-3Ω 的，終止電壓為11.1V 的12V 蓄電池為例，根據(jù)公式（2），散熱量計(jì)算如下：

2組并聯(lián)電池組總放電電流I=（40kVA×0.8×60%）÷（32×6×1.85V×0.9）=60A；由并聯(lián)電路分流的特性可知，每組蓄電池放電電流=60A÷2=30A；根據(jù)歐姆定律和電功率公式，可知P=I2×R，即蓄電池最大散熱量=放電電流2×單節(jié)電池內(nèi)阻×電池節(jié)數(shù)。單組蓄電池散熱量=30A×30A×4.8×10-3Ω×32=138W，2組并聯(lián)蓄電池組的總散熱量=138W×2=276W。

4.3 機(jī)房弱電設(shè)備散熱量

由于弱電系統(tǒng)的機(jī)房設(shè)備及外圍終端均是由UPS 供電，UPS 提供的功率除了一部分消耗在機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備和電纜之外，其余部分則消耗在機(jī)房外的電纜和外圍終端設(shè)備上。

所以機(jī)房設(shè)備散熱量應(yīng)＜S×cosφ×RL。以上述專用通信設(shè)備室配置為例，專用通信設(shè)備散熱量＜40kVA×0.8×60%=9.6kW?？紤]到UPS 提供的大部分功率消耗在機(jī)房外，再此基礎(chǔ)上還可以進(jìn)行核減。

結(jié)合上述計(jì)算和分析專用通信機(jī)房設(shè)備散熱量不大于9.6kW，專用電源室的散熱量為UPS 設(shè)備與蓄電池散熱量總和，不超過(guò)1.2kW。若設(shè)備室與電源室整合，則散熱量不超過(guò)11kW。

根據(jù)上述得出數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，相較于依靠經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)提資方式，詳細(xì)分析計(jì)算得到的結(jié)果相對(duì)客觀，不僅可以做到心中有數(shù)，并且保證了相對(duì)理性的冗余量，同時(shí)促使上下游各類專業(yè)的合理配置，最終實(shí)現(xiàn)了環(huán)保、節(jié)能及減排的設(shè)計(jì)理念。

5 UPS 選型

5.1 容量選擇

目前，主流供應(yīng)商生產(chǎn)有5kVA、10kVA、15kVA、30kVA、40kVA、60kVA、80kVA、100kVA、120kVA、200kVA 甚至更高容量的UPS。關(guān)于UPS 容量選擇，可根據(jù)前文提到的系統(tǒng)功耗計(jì)算方式，選用相近容量的UPS。

5.2 輸入特性

根據(jù)負(fù)載端系統(tǒng)的構(gòu)成、功耗和配電回路數(shù)量，選擇UPS 的輸入特性。對(duì)于負(fù)載較單一且功耗不大的系統(tǒng)，如自動(dòng)售檢票系統(tǒng)、公安通信系統(tǒng)，可選用單進(jìn)單出的UPS。對(duì)于配電回路較多且功耗較大的系統(tǒng)，如專用通信系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)，可選用三進(jìn)三出UPS，將各子系統(tǒng)的負(fù)載的均衡的在，實(shí)現(xiàn)三相負(fù)載均衡。

UPS 輸入特性和負(fù)載特性的良好匹配可避免三相負(fù)載不均衡導(dǎo)致的零線電纜過(guò)負(fù)荷引起絕緣老化加速，擊穿絕緣造成短路，從而增加火災(zāi)的隱患的風(fēng)險(xiǎn)。

5.3 輸入電壓范圍

UPS 的輸入電壓范圍不宜選的過(guò)寬。因?yàn)樯嫌蔚牡蛪号潆妼I(yè)已將電壓的范圍控制在合理的范圍內(nèi)（±5%），如果UPS 的輸入電壓范圍要求過(guò)大，則需要在UPS 輸入端配置相應(yīng)的穩(wěn)壓器，不僅增加了多余的設(shè)備、占用了不必要的空間，還增加了不必要的能量損耗。

5.4 輸出隔離變壓器

隔離變壓器的功能是通過(guò)主邊和副邊的線圈進(jìn)行的電磁能量的交換，在變壓器副邊引出相線對(duì)地是沒有電壓的，所以可以保障運(yùn)營(yíng)操作人員的安全，還能過(guò)濾電網(wǎng)高次諧波。

項(xiàng)目中普遍采用的二工位ATS 不具備零線重疊切換功能。在ATS 切換過(guò)程中，N 線會(huì)出現(xiàn)短暫對(duì)地失零的狀態(tài)，產(chǎn)生過(guò)大的市電電壓尖峰會(huì)瞬間擊穿濾波電容器，從而導(dǎo)致電容器燒毀，引發(fā)火災(zāi)的情況。從問(wèn)題本身分析配置三工位ATS（具備零線重疊切換功能）是可以很好地解決ATS 切換過(guò)程中N 線對(duì)地懸浮的情況。但是根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)越復(fù)雜可靠性越低的原理可知，三工位的ATS 的可靠性是顯然低于二工位的ATS，而且也不滿足低壓配電的規(guī)范。因此，不建議要求動(dòng)照專業(yè)設(shè)置具備三工位的ATS，而是可以選擇在UPS 輸入端配置隔離變壓器，在變壓器中性點(diǎn)處重新引出N 線，在副邊再造一個(gè)TN-S 系統(tǒng)。

雖然一些觀點(diǎn)認(rèn)為隔離變壓器不僅占用空間，還產(chǎn)生能量交換的損耗，是電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中多余的設(shè)備，但根據(jù)上述闡述和分析，并從安全性的角度出發(fā)，筆者認(rèn)為不間斷電源系統(tǒng)是有必要配置輸出隔離變壓器的。

6 系統(tǒng)方案

國(guó)內(nèi)城市軌道交通UPS 電源系統(tǒng)常有UPS 單機(jī)系統(tǒng)、并機(jī)冗余系統(tǒng)和獨(dú)立雙總線系統(tǒng)三種方案[4]。

6.1 UPS 單機(jī)系統(tǒng)

UPS 單機(jī)系統(tǒng)方案由單UPS 和單蓄電池組構(gòu)成。正常工作狀態(tài)低壓配電為UPS 提供的兩路獨(dú)立的具備切換功能的外部電源。當(dāng)兩路獨(dú)立的外部電源同時(shí)故障時(shí)，UPS 通過(guò)蓄電池逆變來(lái)為負(fù)載終端提供不間斷的交流電源。當(dāng)外部電源和UPS 整流器同時(shí)故障，則由蓄電池組經(jīng)逆變器供電。當(dāng)UPS 逆變器故障時(shí)則切換至靜態(tài)旁路維持供電。

單機(jī)系統(tǒng)方案的可靠性相對(duì)于并機(jī)冗余和獨(dú)立雙總線方案較低，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，目前仍是國(guó)內(nèi)主要的不間斷電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

6.2 并機(jī)冗余系統(tǒng)

并機(jī)冗余系統(tǒng)采用雙UPS（1+1）并機(jī)和雙蓄電池組和單配電柜的構(gòu)成方案。正常工作狀態(tài)下，每套UPS 負(fù)擔(dān)50%的負(fù)載，當(dāng)其中一臺(tái)UPS 故障時(shí)，另一套UPS 接替故障的UPS 負(fù)擔(dān)100%的負(fù)載。由于兩組蓄電池之間存在電壓差，為避免電壓差形成環(huán)流，影響蓄電池壽命，兩組蓄電池間不設(shè)開關(guān)，各自為整個(gè)系統(tǒng)提供50%的逆變輸出容量。

并機(jī)冗余方案相對(duì)單機(jī)方案可靠性高，但是造價(jià)較高，在目前在國(guó)內(nèi)城市軌道交通的集中UPS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中較為普遍。

6.3 獨(dú)立雙總線系統(tǒng)

獨(dú)立雙總線系統(tǒng)采用雙UPS（1+1）并機(jī)和雙蓄電池組和雙配電柜的構(gòu)成方案，相較于并機(jī)冗余方案，整體造價(jià)也相對(duì)較高，但是UPS 和配電柜相互獨(dú)立，系統(tǒng)可靠性極高，與弱電系統(tǒng)主要設(shè)備的雙電源特點(diǎn)形成良好的供需匹配，可以真正意義上的實(shí)現(xiàn)設(shè)備級(jí)的雙電源供電。目前在城市軌道交通項(xiàng)目的數(shù)據(jù)中心、城規(guī)云平臺(tái)、集中UPS 和信號(hào)系統(tǒng)項(xiàng)目中應(yīng)用較為廣泛。

綜上所述，項(xiàng)目前期的用電功耗統(tǒng)計(jì)、設(shè)備散熱量計(jì)算及UPS 選型，直接影響了弱電及土建工程的設(shè)計(jì)和投資。只有通過(guò)科學(xué)的分析和計(jì)算，結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)和用戶需求才能更好地提升設(shè)計(jì)水平。