淺談城市軌道交通設備系統專業備用蓄電池電源的設計

一、陜西西安地鐵UPS蓄電池改造應急UPS電源項目科華蓄電池導讀

       在城市軌道交通工程的設計中，設備系統專業各個子系統對本專業的備用蓄電池電源（不間斷電源UPS）的設計要求不盡相同，包括電源負荷容量大小、后備供電時長等不同指標，所遵照的依據為現行幾本規范和標準。審圖工作中，我們經常發現不同工程、不同設計單位在同一系統專業設計圖紙中對備用蓄電池電源設計采用不同參數的情況，下面分不同情況進行概述。

     西安地鐵UPS蓄電池結合西安地鐵弱電系統UPS蓄電池性能及參數，介紹蓄電池日常使用及維護方法，為相關人員提

供參考和借鑒。

 

關鍵詞:UPS電源蓄電池;西安地鐵UPS蓄電池使用;西安地鐵UPS蓄電池維護

 

     1.地鐵弱電系統UPS電源供電方式及特點

根據《地鐵設計規范)GB50157-2013城市軌道交通的用電負荷按照用電可靠性要求及失電影響程度分為三

級。一級負荷是***重要的負荷，如通信系統、信號系統、火災報警系統等弱電系統，一旦失電將對乘客生命

安全構成嚴重威脅。因此西安地鐵弱電系統由兩路獨立電源經過UPS供電。UPS電源選型為在線雙轉換式，U

PS由市電輸入輸出濾波器、整流/PFC、DC/DC充電器、逆變器、旁路、電池和輸出功能模塊組成(如圖1所

示)。當市電正常供電時，UPS可以看作是一臺穩頻穩壓電源，經過整流器、逆變器向負載輸出潔凈交流電

的同時又向蓄電池組充電。市電停電時，由蓄電池經逆變器向負載供電。在線雙轉換式UPS除了具有過流報

數、短路報數，過壓保護，短路保護，過載保護功能外還有一個特點，那就是不管有無市電供應，負載的全

部功率都由逆變器提供，保證高質量的電力輸出，這對于軌道交通精密的電子設備來說非常重要。

     2.蓄電池參數及工作原理

蓄電池是UPS的儲能裝置。市電正常供電時，它依靠充電電路將市電提供的電能轉化為化學能儲存起來。市

電斷電時，它將化學能轉化為電能釋放出來維持UPS不間新供電。西安地鐵一號線弱電系統UPS采用荷貝克

SB 12V 60Ah閥控密封式鉛酸蓄電池，額定電壓12V，額定容量60Ah，額定放電電流6A，每塊電池內部封裝

6個串聯的2V單體，終止放電電壓為1.8V/單體。蓄電池組數量根據各系統設計要求所要滿足的后備時間的長

短而不同，電池間采用串聯方式連接。鉛酸蓄電池是由兩組極板插入稀硫酸溶液中構成的。電池在充電后，

正極板為二氧化鉛PbO2，負極板為海綿狀鉛Pb;放電后，在兩極板上都產生細小而松軟的硫酸鉛PbSO4.

充電后又恢復為二氧化鉛PbO2和鉛Pb。(如圖2所示)

      2.1 充電

充電方式有兩種:均充和浮充。均充指恒大電流充電，其特點是充電速度快，持續時間短，蓄電池放電后可

以用均充法快速補充電能。使用均充法還可以消除個別電池的電壓偏差，使電壓趨干平衡。浮充指恒壓小電

流充電，其特點是充電時間長，充電速度慢，目的是補充電池由于自放電而虧損的小部分容量并增加充電深

度。兩種充電方式之間的轉換由UPS監控模塊自動控制。西安地鐵弱電系統UPS的充電程序為先均充再浮

充，根據電池放電程度，一般先均充12-48小時后再開始浮充。***大均充電流為6A，***高限壓為2.35-2.40V/

單體。***大浮充電流為0.12A，浮充電壓為2.25V/單體。

2.2放電

放電有兩種情況:一是市電掉電或電壓波動在UPS工作范圍之外UPS主機自動切換為電池供電。二是為延長

電池壽命而人工進行的周期性放電作業。根據西安地鐵供電情況，自動切換主要發生在夜間雙電源倒閘期

間，倒閘結束則自動轉入市電供電并同時對電池充電。而為延長電池壽命所做的放電作業周期為三個月，放

電時間較長，需注意避免電池深度放電，當單體電壓低于1.8V時繼續放電易形成不可逆硫酸鹽化，使充電恢

復能力變差，嚴重損害電池，縮短其使用壽命。

     3.電池性能檢測

由于西安地鐵弱電系統UPS蓄電池采用的是密封式鉛酸蓄電池，充電時幾平沒有腐蝕性氣體釋放，并且電解

液的消耗非常少，在設計壽命內不需添加蒸餾水，所以對于電池性能的檢查主要在于以下兩點:電池電壓和

電池容量。

 

      3.1 電壓的檢測

電池電壓要在長時間浮充后測量，每單體電壓為2.25V，整塊電池電壓為13.5V;若是在均充狀態，每單體電

壓在2.35V-2.40V之間，整塊電池電壓在14.1V-14.4V之間。

 

      3.2 容量的檢測

常溫下，電池的容量是電池達到放電終止電壓的時間及放電電流大小的乘積。參照IEC896-11/DIN EN60896

-11標準，鉛酸蓄電池一般進行10小時率容量測試。放電電流I=60Ah/10h=6A，放電終止電壓為1.8V/單

體，記錄每單體電壓下降至1.8V所用的時間T，則測量出的電池容量C=IxT。只要測出的電池容量大于其額定

容量，我們就判定電池容量合格。

     4.電池維護

 

      (1)在日常巡檢中應密切觀察電池的外觀，表面灰塵用干的無紡布擦除。電池的端極柱容易發生微小的電化

學腐蝕，為了防止電池極柱氧化腐蝕，需定期向極柱添加防護油。運輸安裝過程中的磕碰有可能產生肉眼看

不見的裂紋，經過一段時間的充放電后，裂紋擴大會導致漏液，從而腐蝕電池架甚至造成鋼結構柜體的損

壞。如果有電解液溢出，應用氧氧化鉀溶液中和，然后徹底沖洗整個區域。若皮膚接觸電解液，需用清水充

分沖洗。

 

      (2)電池外殼膨脹，破裂甚至漏液時一般會伴隨電池內阻升高，溫度上升的現象，需要及時更換故障電池。

由于大量電池串聯，整個電池組端電壓會達到DC430V以上，對人身構成致命威脅。因此更換電池的全程應

穿戴絕緣手套和護目鏡，做好防護。更換電池首先要斷開電池充電器和輸一空開，松開螺母并拆除電池的連

接片，拆除電池，檢查電池架、絕緣子、基座板處在良好狀態并更換任何有缺陷或可疑的零件。安裝新電

池，一定注意極性順序，即新電池的正極連至前一個電池的負極，負極連至后一個電池的正極。

      (3)電池***佳工作溫度在15℃-25℃之間，溫度過低會減少電池容量，溫度過高會縮短電池使用壽命，實驗

室數據表明，溫度每升高10℃，化學腐蝕速率加快一倍，電池壽命減少一半。另外，在實際使用中應考慮到

不同位置電池的溫度差異，由于UPS主機運轉散發大量熱量，如果柜內通風不好，或者電池距離UPS主機過

近，會造成個別電池溫度升高影響其壽命，對整個系統的可靠性造成影響。這一點需要在設計安裝時格外注

意。

 

     5.結束語

蓄電池作為UPS的儲能裝置，在市電失電時為負載供電，蓄電池的性能直接決定了通信、信號、火災報警等

弱電系統的工作狀態，關系到乘客的生命安全。作為軌道交通運營維保人員，應盡可能使蓄電池性能長期保

持在高質量、高可靠性、高安全性的水平上，

二、 陜西西安地鐵UPS蓄電池改造應急UPS電源項目科華蓄電池現狀     

（一）火災自動報警系統、氣體滅火控制系統

       在城市軌道交通項目中，火災自動報警系統和氣體滅火系統控制部分兩個專業的備用蓄電池電源（不間斷電源UPS）的設計要求一般依據如下規范和標準：

       《火災自動報警系統設計規范》GB 50116-2013第10.1.5規定：“消防設備應急電源輸出功率應大于火災自動報警及聯動控制系統全負荷功率的120%，蓄電池組的容量應保證火災自動報警及聯動控制系統在火災狀態同時工作負荷條件下連續工作3h以上。”

       《地鐵設計規范》GB 50157-2013第23.1.8條規定：“火災自動報警系統直流備用電源宜采用專用蓄電池或集中設置的蓄電池組供電，其容量應保證主電源斷電后連續供電1h；”

       在近期的送審項目中，遵循新規范和標準優先的原則，設計人多數選擇設計為3h的供電時長，即遵守GB 50116-2013的相關條文規定。

為什么要對西安地鐵UPS蓄電池進行內阻測試？

     城軌人都在關注的西安地鐵UPS蓄電池學習筆記，讓西安地鐵UPS蓄電池學習成就更好的自己！

地鐵自動化專業普遍使用UPS（不間斷電源）實現持續性供電要求，對于UPS蓄電池的日常維護，為什么要強調內阻的測試呢？

不間斷電源(UPS)是將蓄電池(多為鉛酸免維護蓄電池)與主機相連接，通過主機逆變器等模塊電路將直流電轉換成市電的系統設備，為專業設備提供穩定、不間斷的電力供應。

蓄電池內阻是國際公認的對蓄電池***有效的、測量***便捷的性能參數，能夠反映蓄電池的劣化程度、容量狀態等性能指標，而這些指標是電壓、電流、溫度等運行參數所無法反映的。

蓄電池的四種主要的失效模式：失水、負極板硫化、正極板腐蝕和熱失控，其直接影響使蓄電池的容量下降，內阻升高，也是造成蓄電池內阻升高的主要原因。

隨著蓄電池的容量狀態的下降，蓄電池的內阻會升高。容量越大的蓄電池其反映的內阻越小，同時隨著蓄電池劣化程度的加大，蓄電池的內阻也會出現顯著的增高。所以，蓄電池的內阻與其容量有著密切的關系：蓄電池內阻升高是蓄電池性能劣化的重要標志。

國際電信電源年會的研究成果顯示，如果蓄電池的內阻超過正常值25％，該容量已降低到其標稱容量的80％左右，如果蓄電池內阻超過正常值的50％，該蓄電池容量已降低到其標稱容量的80％以下，需及時更換。

西安地鐵UPS蓄電池在絕大部分現場是串聯使用的，單體蓄電池的性能狀態直接影響到蓄電池組的性能狀態。同時，蓄電池組中的落后電池會加快與其串聯的其他蓄電池的劣化速度。所以，對單體蓄電池的監測是保障蓄電池組的容量狀態和使用壽命的必要條件。

通過對西安地鐵UPS蓄電池組中的單體蓄電池進行內阻測試，能夠準確地掌握蓄電池組中的每個單體蓄電池的性能狀態；同時對于保證蓄電池供電穩定和延長蓄電池組的使用壽命具有重要意義。

合理設計西安地鐵UPS蓄電池組的參數:

西安地鐵UPS蓄電池公司

科華蓄電池型號 電池電壓V 電池容量Ah 長mm 寬mm 高mm 總高mm

   6-GFM-24 12 24 167 127 174 178

   6-GFM-38 12 40 197 167 176 176

   6-GFM-65 12 65 330 174 166 173

   6-GFM-100 12 100 330 174 216 223

   6-GFM-120 12 120 407 173 210 239

   6-GFM-150 12 150 486 170 242 242

   6-GFM-200 12 200 523 238 219 225

西安地鐵UPS蓄電池在低溫情況下，各活性物質活度降低，其電極上的P溶解變得困難，充電時消耗P后很難得到補

       綜上所述，在設備系統專業設計圖紙中，對本專業蓄電池供電時長的要求設計為1h、2h、3h的均有，其設計依據主要來源于《地鐵設計規范》GB 50157-2013和《火災自動報警系統設計規范》GB 50116-2013。

       目前城市軌道交通工程項目中，對蓄電池供電時長的設計有就高不就低、就長不就短的趨勢，UPS電池組設計的負荷容量也越來越大，而UPS/EPS電池組的使用壽命僅有六年左右， 其更換費用不菲，據不完全統計大概在5-10萬/10KVA，這還不包括日常維護費用大約兩萬/10KVA/年。

       目前，國家對節能減排方面出臺的法律法規如下：《中華人民共和國節約能源法》、《中華人民共和國大氣污染防治法》、《交通行業實施節能法細則》、《可再生能源中長期發展規劃》等等，其目的都是圍繞保護和改善環境，防治大氣污染，保障公眾健康，推進生態文明建設，促進經濟社會可持續發展制定。隨著經濟發展，環境污染已經是全人類面臨的一大難題，節能環保是我們可持續發展的必然方向，弘揚節約美德，倡導低碳生活，建設環保型、節約型社會是我們目前的當務之急。

       回到我們城市軌道交通工程的設計中，在遵循規范要求和倡導低碳環保節能減排中尋求平衡點，是需要設計人認真思考的問題。

       因此，對UPS電池組設計的負荷容量和供電時長進行適當調整和***控制不失為較好的選擇之一。具體分析：設計中火災自動報警系統專業選擇本專業備用蓄電池電源的供電時長為3h，在設計依據方面沒有問題，因為《火災自動報警系統設計規范》GB 50116-2013其實施日期較近，并且又是專業標準，雖然GB 50116-2013在條文內容和條文解釋中均未明確說明供電時長要求為3h的依據，但這是另外的話題了。而環境與設備監控系統、綜合監控系統、通信系統專業圖紙中蓄電池組供電時長設計為3h的情況值得商榷，雖然BAS、ISCS、通信專業等與火災報警系統相關性很強，火災工況下，城市軌道交通火災自動報警系統的消防設備聯動需要通過上述系統共同實現，所以其蓄電池組供電時長的選擇不宜獨立考慮，需協同一致，設計為相同的供電時長，但是從另一方面來說，BAS、ISCS、通信專業與火災報警系統直接聯動相關的僅為部分功能，我們是否能考慮使用需求針對不同功能分別設置蓄電池組要求，與火災報警系統強相關的部分供電時長設計為3h，正常工況部分的供電時長根據GB 50157-2013中相關條文設計為1h。

      另外，我們在此提出一個論點供大家探討，既備用蓄電池組供電時長的確定與火災供電時長沒有必然關聯。因為消防設備系統的負荷等級均定義為一級負荷中的特別重要負荷既是消防負荷，按照《建筑設計防火規范》GB50016（2018年版）第10.1.6的要求，在火災情況下，消防設施電源不得切除，依靠市電進行供電，因此，按照消防供電時長來確定蓄電池的供電時長并沒有足夠依據。并且，如果地鐵中的市電停電情況下，消防水泵、消防風機等消防設備也失去電源無法工作，此時其它設備系統的備用蓄電池能夠提供進行系統處理，數據在線貯存等小負荷容量的工作即可。此外，任何蓄電池都存在使用周期短，無法再利用的痼疾，備用時間越長，不僅投資巨大，而且從再生能源利用方面考慮對環境的損害也越大。

       綜前所述，西安地鐵UPS蓄電池組的供電時長如設計過短影響火災情況下系統運行功能，設計過長會造成不必要的浪費，不符合節能減排要求。所以，設計中應結合各專業功能需求和不同規范的要求，同時也要參考消防線纜在火災時的工作時間，多方面統籌考慮，根據城市軌道交通領域自身建筑特點和防災要求，規定符合設備系統設計要求的蓄電池組供電時長。

地鐵弱電系統UPS蓄電池使用及西安地鐵UPS蓄電池維護,作為地鐵行駛過程中***為重要的一個部分,地鐵弱電系統UPS蓄電池的使用以及維護至關重要,不僅能夠為列車提供電壓,而且西安地鐵UPS蓄電池在應急照明、通風、廣播等方面扮演著重要的角色,基于此,西安地鐵UPS蓄電池首先分析討論了地鐵弱電系統UPS蓄電池的概念,然后對地鐵弱電系統的工作原理、覆蓋范圍以及具體的維護方式進行了介紹,西安地鐵UPS蓄電池希望能夠為今后的地鐵弱電系統UPS的使用提供參考.