浅谈城市轨道交通设备系统专业备用蓄电池电源的设计

一、陕西西安地铁UPS蓄电池改造应急UPS电源项目科华蓄电池导读

       在城市轨道交通工程的设计中，设备系统专业各个子系统对本专业的备用蓄电池电源（不间断电源UPS）的设计要求不尽相同，包括电源负荷容量大小、后备供电时长等不同指标，所遵照的依据为现行几本规范和标准。审图工作中，我们经常发现不同工程、不同设计单位在同一系统专业设计图纸中对备用蓄电池电源设计采用不同参数的情况，下面分不同情况进行概述。

     西安地铁UPS蓄电池结合西安地铁弱电系统UPS蓄电池性能及参数，介绍蓄电池日常使用及维护方法，为相关人员提

供参考和借鉴。

 

关键词:UPS电源蓄电池;西安地铁UPS蓄电池使用;西安地铁UPS蓄电池维护

 

     1.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***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，一旦失电将对乘客生命

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，U

PS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(如图1所

示)。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

数、短路报数，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。

     2.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不间新供电。西安地铁一号线弱电系统UPS采用荷贝克

SB 12V 60Ah阀控密封式铅酸蓄电池，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。(如图2所示)

      2.1 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，使电压趋干平衡。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。***大均充电流为6A，***高限压为2.35-2.40V/

单体。***大浮充电流为0.12A，浮充电压为2.25V/单体。

2.2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。

     3.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，充电时几平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。

 

      3.1 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。

 

      3.2 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/DIN EN60896

-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=IxT。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。

     4.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，应用氧氧化钾溶液中和，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一空开，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***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。

 

     5.结束语

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，

二、 陕西西安地铁UPS蓄电池改造应急UPS电源项目科华蓄电池现状     

（一）火灾自动报警系统、气体灭火控制系统

       在城市轨道交通项目中，火灾自动报警系统和气体灭火系统控制部分两个专业的备用蓄电池电源（不间断电源UPS）的设计要求一般依据如下规范和标准：

       《火灾自动报警系统设计规范》GB 50116-2013第10.1.5规定：“消防设备应急电源输出功率应大于火灾自动报警及联动控制系统全负荷功率的120%，蓄电池组的容量应保证火灾自动报警及联动控制系统在火灾状态同时工作负荷条件下连续工作3h以上。”

       《地铁设计规范》GB 50157-2013第23.1.8条规定：“火灾自动报警系统直流备用电源宜采用专用蓄电池或集中设置的蓄电池组供电，其容量应保证主电源断电后连续供电1h；”

       在近期的送审项目中，遵循新规范和标准优先的原则，设计人多数选择设计为3h的供电时长，即遵守GB 50116-2013的相关条文规定。

为什么要对西安地铁UPS蓄电池进行内阻测试？

     城轨人都在关注的西安地铁UPS蓄电池学习笔记，让西安地铁UPS蓄电池学习成就更好的自己！

地铁自动化专业普遍使用UPS（不间断电源）实现持续性供电要求，对于UPS蓄电池的日常维护，为什么要强调内阻的测试呢？

不间断电源(UPS)是将蓄电池(多为铅酸免维护蓄电池)与主机相连接，通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备，为专业设备提供稳定、不间断的电力供应。

蓄电池内阻是国际公认的对蓄电池***有效的、测量***便捷的性能参数，能够反映蓄电池的劣化程度、容量状态等性能指标，而这些指标是电压、电流、温度等运行参数所无法反映的。

蓄电池的四种主要的失效模式：失水、负极板硫化、正极板腐蚀和热失控，其直接影响使蓄电池的容量下降，内阻升高，也是造成蓄电池内阻升高的主要原因。

随着蓄电池的容量状态的下降，蓄电池的内阻会升高。容量越大的蓄电池其反映的内阻越小，同时随着蓄电池劣化程度的加大，蓄电池的内阻也会出现显著的增高。所以，蓄电池的内阻与其容量有着密切的关系：蓄电池内阻升高是蓄电池性能劣化的重要标志。

国际电信电源年会的研究成果显示，如果蓄电池的内阻超过正常值25％，该容量已降低到其标称容量的80％左右，如果蓄电池内阻超过正常值的50％，该蓄电池容量已降低到其标称容量的80％以下，需及时更换。

西安地铁UPS蓄电池在绝大部分现场是串联使用的，单体蓄电池的性能状态直接影响到蓄电池组的性能状态。同时，蓄电池组中的落后电池会加快与其串联的其他蓄电池的劣化速度。所以，对单体蓄电池的监测是保障蓄电池组的容量状态和使用寿命的必要条件。

通过对西安地铁UPS蓄电池组中的单体蓄电池进行内阻测试，能够准确地掌握蓄电池组中的每个单体蓄电池的性能状态；同时对于保证蓄电池供电稳定和延长蓄电池组的使用寿命具有重要意义。

合理设计西安地铁UPS蓄电池组的参数:

西安地铁UPS蓄电池公司

科华蓄电池型号 电池电压V 电池容量Ah 长mm 宽mm 高mm 总高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

西安地铁UPS蓄电池在低温情况下，各活性物质活度降低，其电极上的P溶解变得困难，充电时消耗P后很难得到补

       综上所述，在设备系统专业设计图纸中，对本专业蓄电池供电时长的要求设计为1h、2h、3h的均有，其设计依据主要来源于《地铁设计规范》GB 50157-2013和《火灾自动报警系统设计规范》GB 50116-2013。

       目前城市轨道交通工程项目中，对蓄电池供电时长的设计有就高不就低、就长不就短的趋势，UPS电池组设计的负荷容量也越来越大，而UPS/EPS电池组的使用寿命仅有六年左右， 其更换费用不菲，据不完全统计大概在5-10万/10KVA，这还不包括日常维护费用大约两万/10KVA/年。

       目前，国家对节能减排方面出台的法律法规如下：《中华人民共和国节约能源法》、《中华人民共和国大气污染防治法》、《交通行业实施节能法细则》、《可再生能源中长期发展规划》等等，其目的都是围绕保护和改善环境，防治大气污染，保障公众健康，推进生态文明建设，促进经济社会可持续发展制定。随着经济发展，环境污染已经是全人类面临的一大难题，节能环保是我们可持续发展的必然方向，弘扬节约美德，倡导低碳生活，建设环保型、节约型社会是我们目前的当务之急。

       回到我们城市轨道交通工程的设计中，在遵循规范要求和倡导低碳环保节能减排中寻求平衡点，是需要设计人认真思考的问题。

       因此，对UPS电池组设计的负荷容量和供电时长进行适当调整和***控制不失为较好的选择之一。具体分析：设计中火灾自动报警系统专业选择本专业备用蓄电池电源的供电时长为3h，在设计依据方面没有问题，因为《火灾自动报警系统设计规范》GB 50116-2013其实施日期较近，并且又是专业标准，虽然GB 50116-2013在条文内容和条文解释中均未明确说明供电时长要求为3h的依据，但这是另外的话题了。而环境与设备监控系统、综合监控系统、通信系统专业图纸中蓄电池组供电时长设计为3h的情况值得商榷，虽然BAS、ISCS、通信专业等与火灾报警系统相关性很强，火灾工况下，城市轨道交通火灾自动报警系统的消防设备联动需要通过上述系统共同实现，所以其蓄电池组供电时长的选择不宜独立考虑，需协同一致，设计为相同的供电时长，但是从另一方面来说，BAS、ISCS、通信专业与火灾报警系统直接联动相关的仅为部分功能，我们是否能考虑使用需求针对不同功能分别设置蓄电池组要求，与火灾报警系统强相关的部分供电时长设计为3h，正常工况部分的供电时长根据GB 50157-2013中相关条文设计为1h。

      另外，我们在此提出一个论点供大家探讨，既备用蓄电池组供电时长的确定与火灾供电时长没有必然关联。因为消防设备系统的负荷等级均定义为一级负荷中的特别重要负荷既是消防负荷，按照《建筑设计防火规范》GB50016（2018年版）第10.1.6的要求，在火灾情况下，消防设施电源不得切除，依靠市电进行供电，因此，按照消防供电时长来确定蓄电池的供电时长并没有足够依据。并且，如果地铁中的市电停电情况下，消防水泵、消防风机等消防设备也失去电源无法工作，此时其它设备系统的备用蓄电池能够提供进行系统处理，数据在线贮存等小负荷容量的工作即可。此外，任何蓄电池都存在使用周期短，无法再利用的痼疾，备用时间越长，不仅投资巨大，而且从再生能源利用方面考虑对环境的损害也越大。

       综前所述，西安地铁UPS蓄电池组的供电时长如设计过短影响火灾情况下系统运行功能，设计过长会造成不必要的浪费，不符合节能减排要求。所以，设计中应结合各专业功能需求和不同规范的要求，同时也要参考消防线缆在火灾时的工作时间，多方面统筹考虑，根据城市轨道交通领域自身建筑特点和防灾要求，规定符合设备系统设计要求的蓄电池组供电时长。

地铁弱电系统UPS蓄电池使用及西安地铁UPS蓄电池维护,作为地铁行驶过程中***为重要的一个部分,地铁弱电系统UPS蓄电池的使用以及维护至关重要,不仅能够为列车提供电压,而且西安地铁UPS蓄电池在应急照明、通风、广播等方面扮演着重要的角色,基于此,西安地铁UPS蓄电池首先分析讨论了地铁弱电系统UPS蓄电池的概念,然后对地铁弱电系统的工作原理、覆盖范围以及具体的维护方式进行了介绍,西安地铁UPS蓄电池希望能够为今后的地铁弱电系统UPS的使用提供参考.