中铁建电气化局集团南方工程有限公司湖北武汉430000
摘要：地铁系统中通信系统是地铁工程运营指挥，信号系统直接对全线列车运行有直接的控制和影响，地铁中的舒适、照明及排水系统、乘客正常出行的扶梯等均集中在机电类各设备中，为乘客提供高质量的出行服务，在异常情况下能迅速转变为供防灾求援和事故处理的指挥通信系统。由于市电电网中接有各种各样的负载，对电网造成了干扰和污染，恶化了供电质量，影响负载设备的正常运行，会导致服务器的数据丢失等问题出现，应急电源UPS供电系统给设备机房内用电设备提供保障，可以解决数据电源断电、电压尖峰、电压浪涌、频繁漂移、谐波干扰，过欠压、电压波动及噪声电压等电源系统干扰问题，而且在线式UPS可维持在市电失效情况下，及时切换为设备提供电源保障。
关键词：地铁；弱电系统；UPS蓄电池；使用；维护
1、UPS电源的组成及工作原理
UPS电源系统包括整流器、变换器、储能电池和开关控制四部分。在此系统中，整流器完成稳压功能。它采用可控硅或高频开关整流器，可根据外电变化自动控制输出幅度。外电变化时，整流电压的输出幅度能维持一个基本稳定的状态，不会大幅度上下波动。变换器变换频率主要取决于其振荡频率。整流器在工作状态下会干扰瞬时脉冲，电压经整流后并不能使这种脉冲干扰彻底消除。储能电池储存直流电能，就相当于为整流器连接了一个大容量电容器，使得电容两侧电压无法突变。这其实运用了电容器对脉冲的平滑特性规避了脉冲干扰，对蓄电池进行了净化。开关控制主要用于完成UPS电源系统的日常操作与维护。当外电正常时，给负载供电，同时给储能电池充电；当外电中断时，UPS电源开始工作，由储能电池给负载供电；当负载严重过载时，由外电经整流直接给负载供电。
2、地铁弱电系统UPS电源供电方式及特点
根据《地铁设计规范》GB50157-2013城市轨道交通的用电负荷按照用电可靠性要求及失电影响程度分为三级。一级负荷是最重要的负荷，如通信系统、信号系统、火灾报警系统等弱电系统，一旦失电将对行车、人员、财产安全构成严重威胁。因此西安地铁弱电系统由两路独立电源经过UPS供电。UPS电源选型为在线双转换式，UPS由市电输入输出滤波器、整流/PFC、DC/DC充电器、逆变器、旁路、电池和输出功能模块组成。当市电正常供电时，UPS可以看作是一台稳频稳压电源，经过整流器、逆变器向负载输出洁净交流电的同时又向蓄电池组充电。市电停电时，由蓄电池经逆变器向负载供电。在线双转换式UPS除了具有过流报警、短路报警、过压保护、短路保护、过载保护功能外还有一个特点，那就是不管有无市电供应，负载的全部功率都由逆变器提供，保证高质量的电力输出，这对于轨道交通精密的电子设备来说非常重要。
3、蓄电池参数及工作原理
蓄电池是UPS的储能装置。市电正常供电时，它依靠充电电路将市电提供的电能转化为化学能储存起来。市电断电时，它将化学能转化为电能释放出来维持UPS不间断供电。西安地铁一号线弱电系统UPS采用荷贝克Power.comSB12V60Ah阀控式密闭铅酸蓄电池，额定电压12V，额定容量60Ah，额定放电电流6A，每块电池内部封装6个串联的2V单体，终止放电电压为1.8V/单体。蓄电池组数量根据各系统设计要求所要满足的后备时间的长短而不同，电池间采用串联方式连接。铅酸蓄电池是由两组极板插入稀硫酸溶液中构成的。电池在充电后，正极板为二氧化铅PbO2，负极板为海绵状铅Pb；放电后，在两极板上都产生细小而松软的硫酸铅PbSO4，充电后又恢复为二氧化铅PbO2和铅Pb。
3.1、充电
充电方式有两种：均充和浮充。均充指恒大电流充电，其特点是充电速度快，持续时间短。蓄电池放电后可以用均充法快速补充电能。使用均充法还可以消除个别电池的电压偏差，使电压趋于平衡。浮充指恒压小电流充电，其特点是充电时间长，充电速度慢，目的是补充电池由于自放电而亏损的小部分容量并增加充电深度。两种充电方式之间的转换由UPS监控模块自动控制。西安地铁弱电系统UPS的充电程序为先均充再浮充，根据电池放电程度，一般先均充12-48小时后再开始浮充。最大均充电流为6A，最高限压为2.35-2.40V/单体。最大浮充电流为0.12A，浮充电压为2.25V/单体。
3.2、放电
放电有两种情况：一是市电掉电或电压波动在UPS工作范围之外UPS主机自动切换为电池供电。二是为延长电池寿命而人工进行的周期性放电作业。根据西安地铁供电情况，自动切换主要发生在夜间双电源倒闸期间，倒闸结束则自动转入市电供电并同时对电池充电。而为延长电池寿命所做的放电作业周期为三个月，放电时间较长，需注意避免电池深度放电，当单体电压低于1.8V时继续放电易形成不可逆硫酸盐化，使充电恢复能力变差，严重损害电池，缩短其使用寿命。
4、电池性能检测
由于西安地铁弱电系统UPS蓄电池采用的是密封式铅酸蓄电池，充电时几乎没有腐蚀性气体释放，并且电解液的消耗非常少，在设计寿命内不需添加蒸馏水，所以对于电池性能的检查主要在于以下两点：电池电压和电池容量。
4.1、电压的检测
电池电压要在长时间浮充后测量，每单体电压为2.25V，整块电池电压为13.5V；若是在均充状态，每单体电压在2.35V-2.40V之间，整块电池电压在14.1V-14.4V之间。
4.2、容量的检测
常温下，电池的容量是电池达到放电终止电压的时间及放电电流大小的乘积。参照IEC896-11/DINEN60896-11标准，铅酸蓄电池一般进行10小时率容量测试。放电电流I=60Ah/10h=6A，放电终止电压为1.8V/单体，记录每单体电压下降至1.8V所用的时间T，则测量出的电池容量C=I×T。只要测出的电池容量大于其额定容量，我们就判定电池容量合格。
5、电池维护
（1）在日常巡检中应密切观察电池的外观，表面灰尘用干的无纺布擦除。电池的端极柱容易发生微小的电化学腐蚀，为了防止电池极柱氧化腐蚀，需定期向极柱添加防护油。运输安装过程中的磕碰有可能产生肉眼看不见的裂纹，经过一段时间的充放电后，裂纹扩大会导致漏液，从而腐蚀电池架甚至造成钢结构柜体的损坏。如果有电解液溢出，应用氢氧化钾溶液中和，然后彻底冲洗整个区域。若皮肤接触电解液，需用清水充分冲洗。
（2）电池外壳膨胀，破裂甚至漏液时一般会伴随电池内阻升高，温度上升的现象，需要及时更换故障电池。由于大量电池串联，整个电池组端电压会达到DC430V以上，对人身构成致命威胁。因此更换电池的全程应穿戴绝缘手套和护目镜，做好防护。更换电池首先要断开电池充电器和输出空开，松开螺母并拆除电池的连接片，拆除电池，检查电池架、绝缘子、基座板处在良好状态并更换任何有缺陷或可疑的零件。安装新电池，一定注意极性顺序，即新电池的正极连至前一个电池的负极，负极连至后一个电池的正极。
（3）电池最佳工作温度在15℃-25℃之间，温度过低会减少电池容量，温度过高会缩短电池使用寿命，实验室数据表明，温度每升高10℃，化学腐蚀速率加快一倍，电池寿命减少一半。另外，在实际使用中应考虑到不同位置电池的温度差异，由于UPS主机运转散发大量热量，如果柜内通风不好，或者电池距离UPS主机过近，会造成个别电池温度升高影响其寿命，对整个系统的可靠性造成影响。这一点需要在设计安装时格外注意。
结论
蓄电池作为UPS的储能装置，在市电失电时为负载供电，蓄电池的性能直接决定了通信、信号、火灾报警等弱电系统的工作状态，关系到乘客的生命安全。作为轨道交通运营维保人员，应尽可能使蓄电池性能长期保持在高质量、高可靠性、高安全性的水平上。
参考文献：
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