关于地铁屏蔽门系统后备电源必要性的分析探讨

摘　要：摘要：地铁屏蔽门系统后备电源[不间断电源（UPS）及其备用蓄电池]在应急状态下使用频率极低，所以有人提出取消后备电源以减少投资。本文通过有无后备电源设计方案的比较，对取消后备电源可能存在的问题进行了分析探讨，提出了不应取消的观点，供同行参考。

关键词：关键词：屏蔽门；电源；UPS；蓄电池

中图分类号：TP39    文献标识码：A     文章编号：
1.概况
    地铁屏蔽门是一项集建筑、机械、材料、电子和信息等学科于一体的高科技产品，屏蔽门系统是将站台和列车运行区域隔开，通过控制系统控制其自动开启，可有效地减少空气对流造成的站台冷热气的流失，保障乘客进出车厢时的绝对安全，降低列车运行产生的噪音对车站的影响，为乘客提供舒适安全的候车环境，具有节能、安全、环保、美观等功能。根据专家测算,可以使空调设备的冷负荷减少35%以上,环控机房的建筑面积减少50%,空调电耗降低30%,现已广泛使于地铁站台。

2. 屏蔽门系统后备电源问题的引出
    屏蔽门系统的正常运营与否直接关系到地铁运营的服务水平和乘客安全，要求在正常供电系统故障或车辆在区间阻塞或区间发生火灾时，屏蔽门系统必须能使处于地铁区间的司乘人员能顺利通过屏蔽门进入站台、站厅疏散到地面的安全区域，故屏蔽门系统的用电负荷可纳入特别重要负荷。根据《供配电系统设计规范》（GB50052-95）要求，对于特别重要负荷必须采用一级负荷供电，即输入电源应为两路相互独立的三相AC380V/50Hz电源，同时还需配备第三电源，故国内所有地铁工程的屏蔽门系统都配备了蓄电池作为第三电源。因此，在《地铁设计规范》（GB50157-2003）和《城市轨道交通站台屏蔽门》（CJ/T236-2006）中对后备电源都作了明确规定：
    《地铁设计规范》规定：当屏蔽门的驱动装置采用电动时，其电源为一级负荷，且备用电源的容量，能使屏蔽门控制系统在1h内对每侧滑动门开/关操作5次。
    《城市轨道交通站台屏蔽门》标准规定：备用？电源宜作为独立的一个系统进行配置，应采用一级负荷供电。驱动电源和控制电源应分别独立设置，驱动备用电源的储能应能满足30min内至少完成开/管滑动门的一次循环，控制备用电源储能至少应满足负载持续工作30min。
    截至目前为止，国内各地铁工程屏蔽门系统后备电源容量的实际执行情况是，有的项目考虑1 h内对每侧滑动门开/关操作至少5次，有的项目采用30min内对每侧滑动门开/关操作至少3次。
由于UPS及其备用蓄电池在应急状态下使用频率极低，目前市场上有人提出取消后备电源以减少投资，持这一观点者认为：①屏蔽门系统的用电等级为1级负荷，即它与车辆、信号等同属最高级别的供电，理论上来说，屏蔽门的供电故障也意味车辆等的供电故障，出现此种情况时列车应已停运，因此屏蔽门的继续供电已无必要性。②从国外的以往工程项目经验来看，有的项目未采用UPS和蓄电池供电，对运营未产生任何影响，因此亦提出取消UPS及后备蓄电池方案。
3. 屏蔽门系统后备电源的既有设计方案与取消后备电源设计方案的比较
3.1 既有设计方案
    在既有设计中，屏蔽门系统电源系统包括控制电源和驱动电源两种。两种电源设计方案如下：
1) 控制电源
    由于控制电源为屏蔽门系统的控制主机、监视主机、接口继电器等提供电源，故其电源的重要性和稳定性要求较高。虽然各厂家依据其产品内部特点略有不同，但控制电源的供配电原理和涉及部件/内容基本相似。其中一种方案主要如下：
    UPS输出220V，50HZ的纯净正弦交流电，经24V整流模块整流后输出DC24V控制电源为PSC柜内的继电器、监控主机等元器件供电。
    UPS输出一路AC220V直接给PSC柜，在PSC柜内经过变压、整流和滤波后输出DC60V供与信号专业接口的电气回路（即与信号系统接口继电器）使用。在信号回路中，可通过调节滑动变阻器的阻值，使得当触点闭合时，继电器线圈上的电压在允许范围内。参见图2所示。
 
                                图2  屏蔽门系统与信号系统接口电路示意
    由于UPS的特点是无论市电输入是否存在波动，输出总为稳定的AC220V电源，从而可保证与信号接口回路的DC60V/DC24V电源的稳定性，因此在屏蔽门系统控制电源供电回路中一般都采用了UPS。
    同时由于设置一定容量的蓄电池，可保证在市电停电后的一段时间内监视主机仍可持续工作一段时间，从而完成内部数据的处理和存储工作，满足运营的需要。
2) 驱动电源
    屏蔽门系统驱动电机均为直流电机，主要有DC48V、DC110V两种，其驱动电源部分的供电方式主要有两种：直流供电方式（即在设备室进行集中整流然后再分配到各门机的用电）或交流供电方式（即在每个门单元处进行分散整流）。具体采用哪种方案除个别项目明确要求以外，绝大部分项目主要取决于各屏蔽门系统供货商的技术优势而不同。在国内外主要的四家屏蔽门系统供应商中，英国Westinghouse习惯于采用交流供电方式，而法国Faiveley公司、瑞士KABA公司和日本Nabco公司则多采用直流供电方式。
   ①屏蔽门系统电源包括门机驱动电源和控制电源，分开配电。
   ②针对本工程每辆车5樘车门的特点，驱动电源的输出回路数至少为5路，即对应每节车厢五道车门的5樘滑动门分别采用不同的输出回路，以保证对应一节车厢的其中一个回路电源故障时，对应该车厢其余4个车门的滑动门能够正常工作；
   ③屏蔽门系统应配有UPS和蓄电池组作为备用电源。当事故停电时，由UPS和蓄电池组对屏蔽门系统供电。其容量应保证在事故停电时，能使屏蔽门控制系统在1h内对每侧滑动门开关操作至少5次。
    在屏蔽门系统的供电中，UPS/蓄电池还同时作为整流器功能接入屏蔽门系统配电回路中，从而避免外电源波动对屏蔽门系统的影响。
    采用此种方案，设备柜一般由4~5面组成，包括PSC柜+电源柜。如果配电柜（PDP）单独设置，则电源部分一般包括一个PDP+控制电源+驱动电源+蓄电池。如果PDP不单独设置，则电源部分的设备柜将由控制电源+驱动电源+蓄电池组成。其设备室大小要求宜为6m×4m，困难情况下不小于5.2m×3.2m（净）。
3.2 取消UPS和蓄电池的变更方案
    仍分控制电源和驱动电源进行分析。
3) 控制电源
    控制电源如取消UPS和蓄电池后，则直接进行整流和电源分配满足PSC、信号接口等的用电需求。
4) 驱动电源
    驱动电源如取消蓄电池，则直接由外电源进行整流、分配后提供屏蔽门单元用电。
采用此种方案，设备柜一般由3~4个（最紧凑情况下2面，但电源柜可能比较拥挤）组成， 包括PSC柜+电源柜。如果配电柜（PDP）单独设置，则电源部分一般包括一个PDP+控制电源+驱动电源+蓄电池。如果PDP不单独设置，则电源部分的设备柜将由控制电源+驱动电源+蓄电池组成。其设备室大小要求宜为4m×4m，困难情况下不小于3.5m×3.2m（净）。
设置与取消UPS和蓄电池后的电源系统配电方案的比较参见图3所示。
 
                                                  设置UPS和蓄电池                     取消UPS和蓄电池
                                                         图3  设置和取消UPS、蓄电池对照图
    设置UPS和蓄电池的方案是目前国内屏蔽门系统项目普遍采用的。但是从图中也可看出，如果“交流输入”的供电质量（包括电源波动、供电可靠率等）能完全满足屏蔽门系统的需求，同时在双路外电源均停电后如果车站现场运营管理能跟上，则取消UPS和蓄电池从理论上来说也是可以的。

4. 取消UPS和蓄电池可能存在的问题分析探讨
4.1 如果控制电源取消UPS和蓄电池
    如果控制电源取消UPS，即AC220V电源不从UPS取，而直接取自市电一级负荷，那么如果市电出现波动（超过一定允许范围），将直接影响信号（PSD－SIG）回路电压的稳定性，有可能使得相关继电器不能工作在允许的电压范围内，影响信号的稳定性。
    如果控制电源取消UPS和蓄电池，则一旦市电停电，则监视主机立即停止工作，可能会丢失一定的数据，不利于后期运营管理。
    另外屏蔽门的控制系统一般为一台工控机，如果突然断电有可能会造成其软件的损坏导致系统瘫痪。
4.2 如果取消UPS和蓄电池增加告警功能
    虽然可以在设计中要求实现一路或两路外电源失电时配电盘具备告警功能，但是两路交流电源失电的情况下，即使有告警功能也对屏蔽门有比较大的影响。因为一个车站两路交流电源都失电时，严重的状况为本站降压变电所退出运行，整个车站（特别是地下站）处于应急照明状态，公共区照度只有正常照明的1/10，此时应疏散站内旅客；如果列车在区间阻塞（如牵引供电中断或火灾状况），势必要进行乘客疏散，乘客需通过屏蔽门进入站台，从而由车站疏散到地面，这种情况下需要及时打开屏蔽门，否则势必造成人员恐慌反而不能及时疏散乘客，恶劣情况下有可能造成严重后果。虽然屏蔽门具备手动解锁功能，但该功能应是在其它开门功能都失效的不得已的情况下才考虑使用。而且乘客在慌乱之下不一定能及时解锁开门疏散，同时站台值班人员也不一定能确保在任何情况下均可在站台侧解锁打开屏蔽门，因此可能影响安全疏散。
(1) 如果取消后备电源屏蔽门失电时全开启
    如果取消屏蔽门后备电源，考虑在双路外电源都失效的情况下屏蔽门自动全部开启，我们认为存在安全隐患。因为在工程设置屏蔽门后，乘客已经适应了有屏蔽门的乘车方式，在此情况下屏蔽门关闭应属于安全状态，否则开启将是不安全的。这种状况的全开门功能与工程本身并未设置屏蔽门时的安全标准应有所不同。
    因此，从上述分析，鉴于目前国内一级负荷供电不能完全满足屏蔽门系统的需要（影响供电可靠性的因素比较多，如元器件、各处供配电开关等均可能存在故障，而且国内地铁系统或多或少地发生过双路外电源停电而用后备电源的情况），因此在屏蔽门电源系统中取消UPS和蓄电池存在一定的风险，还是有必要存在的。
    对于后备电源的容量可以根据运营需求等因素适当调整。如果必须考虑降低后备电源容量，可以根据运营的要求采取小容量的蓄电池。如从停电后控制电源可在1h内每侧滑动门开关操作5次减少为30min内可对每侧滑动门开关操作1次，保证停电后至少可保证整列门开启和关闭一次满足疏散后再关闭，除非人为手动开启。

5. 结论
    综上所述，我们认为屏蔽门系统UPS和蓄电池能否取消主要取决于市电（一级负荷）的供电质量和可靠性以及停电故障时运营的应急处理措施和对故障的接受程度。也就是说在满足以下条件的情况下才可考虑取消UPS和后备电源：
(1) 电源波动情况能够满足屏蔽门控制系统的要求；
(2) 可靠性比较高，能避免两路电源均停电；
(3) 外电源停电后，运营部门能够加强车站现场的应急开门功能，即可提前将门打开，迎接区间疏散乘客。
    但是根据国内地铁工程的实际应用情况，以及地铁外市政供电反馈情况，由于市电供电环节较多，外电源停电和电源波动有可能超过屏蔽门系统的要求都存在可能，故为确保屏蔽门系统安全可靠运行，应仍然保留UPS和蓄电池。
    如果从降低投资和设备室发热量等因素考虑，可以考虑采用UPS配备小容量蓄电池作为屏蔽门电源系统的后备电源，在两路交流电源失电的情况下，系统能够实现屏蔽门可以开启和关闭至少一次满足疏散后再关闭的功能，以保证安全。

参考文献：
[1] 《地铁设计规范》（GB50157-2003）
[2] 《城市轨道交通站台屏蔽门》（CJ/T236-2006）