城市軌道交通站臺屏蔽門系統電氣設計摘要 簡要介紹屏蔽門系統在城市軌道交通建設中的發展,及城市軌道交通屏蔽門系統的組成,并對其配電方式、蓄電池容量計算、控制設計進行描述,以供地鐵電氣設計人員參考借鑒。關鍵詞 城市軌道交通 屏蔽門 系統 電氣設計1概述 目前我國城市軌道交通項目建設處在快速發展和不斷完善的過程中。改善軌道交通設備系統及其配套設施,優化地鐵候車環境,提高城市軌道交通的服務水平,采用節約能源的新設備和新技術將是一種必然的要求和趨勢。 城市軌道交通站臺屏蔽門安裝于地鐵、輕軌等交通車站站臺邊緣,將軌道與站臺候車區隔離,設有與列車門相對應, 可多級控制開啟與關閉滑動門的連續屏障,簡稱屏蔽門。屏蔽門作為城市軌道交通的新型設備系統,在廣州地鐵二號線首次投入使用,由于其良好的節能效果和對乘客的安全舒適保障,越來越得到相關建設部門的認同。2構成及功能2.1基本構成 屏蔽門系統由機械和電氣兩部分構成,一般有三種結構形式,見圖1、2、3。
2.2基本功能 屏蔽門在軌道交通站臺中的基本功能如下: a.屏蔽門可以防止人和物體落入軌道和非法闖入隧道,杜絕因而引發的事故、延遲運營與增加額外成本。 b.減少站臺區與軌行區之間氣流的交換,通過對地下車站通風空調制式的改變,降低車站通風空調系統的運營能耗。 c.成為鐵路車輛和車站基礎設施之間的緊急欄障和安全整合的安全系統。 d.減少列車運行噪聲及活塞風對站臺候車乘客的影響,改善乘客候車環境。 e.保障乘客和工作人員的人身安全,阻擋乘客進入軌道,拓寬乘客在站臺候車的有效站立空間。 f.更好的乘客管理。當列車停靠在正確的位置上,乘客才進入列車或站臺。 g.在火災或其他故障模式下,可以配合相關系統進行聯動控制。 h.可以利用屏蔽門采用一體化的信息、廣告顯示屏,達到資源的最大化利用,同時對車站整體空間布置進行簡化。3配電系統設計3.1電源 主要包括驅動電源、控制電源,電源設備設置在屏蔽門系統設備室。3.2供電方式 根據目前國內屏蔽門設計和投標的情況,控制電源采用UPS(不間斷電源系統)供電,驅動電源的供電方式則分為兩種:直流供電、交流供電。3.2.1直流供電 電源設備由UPS、隔離變壓器、整流器、蓄電池等設備組成。屏蔽門直流無刷電機及DCU(門控單元)采用直流10供電;PSC(主控機)和PSL(就地控制盤)采用直流2V或5V供電。低壓配電系統提供兩路20/30電源到自動切換箱,輸出一路三相30電源及一路單相20電源。30電源經過UPS、三相隔離變壓器和整流器至10直流母線,然后由直流10母線每側饋出三路直流送至各個門控單元。當供電回路、開關或整流器均故障時,蓄電池的容量應能滿足屏蔽門驅動系統每小時開/關門5次的要求,見圖4。3.2.2交流供電3.2.2.1正常運行 正常情況下,屏蔽門的驅動電源由主電源供應,當主電源故障時,電源自動切換裝置自動將主回路切換到備用電源,將備用電源投入。 UPS充電模塊通過內部的交直交轉換,一方面除對蓄電池組進行浮充電外,另一方面通過AC30隔離變壓器向屏蔽門配電單元交流供電,并由門控單元經交直流轉換驅動電機運動,見圖5。3.2.2.2故障運行 充電模塊采用N+1冗余配置,當某個充電模塊發生故障時,由于UPS充電模塊的在線式熱插拔的固有特性,使其不會對其余充電模塊產生影響,其余充電模塊繼續給負荷供電。 當主電源、備用電源均發生故障時,由電池組經逆變器將直流轉換為交流,通過AC380V隔離變壓器向屏蔽門/安全門配電單元交流供電,并由門控單元經交直流轉換驅動電機運動。在低壓一主一備兩路交流電源斷電后,蓄電池的容量應能滿足屏蔽門驅動系統每小時開/關門5次的要求。當交流電源恢復供電時,系統具有自啟動功能,保證交流電恢復時能自動恢復正常運行。3.3電源容量計算 屏蔽門系統驅動電源主要是為門機提供穩定的電源。驅動電源主要由電源自動切換裝置、充電模塊、降壓硅鏈、微機監控裝置、絕緣監測裝置、防雷裝置、進口免維護蓄電池和饋線回路等構成。 控制電源是為屏蔽門系統的控制設備如主控機(PSC)、屏蔽門緊急操作指示盤(IBP)、站臺端頭控制盒(PSL)等提供電力需求。控制電源由UPS(含蓄電池)、直流變換穩壓電源裝置、饋線回路等構成。3.3.1驅動電源容量的計算 a.確定驅動設備用電參數。DCU額定工作電壓、DCU工作電壓范圍、滑動門啟動時的最大電流、滑動門恒定最大速度時的額定連續電流、DCU控制電流、滑動門頂盒上指示燈等。 b.繪制屏蔽門開/關門DCU電力負荷曲線圖。 c.蓄電池容量及單體數量的確定(以目前屏蔽門普遍采用的德國陽光電池為例)。考慮最嚴峻的條件,當標準兩側站臺的屏蔽門同時動作時,蓄電池需要放出的電流為:Imax1=I1+I2 (1)式中:Imax1———蓄電池最大放電電流; I1———站臺兩側滑動門同時開關時DCU最大電流;I2———門頂盒指示燈電流。 依據陽光蓄電池的選擇原則,需要考慮設計系數(δ1=11)、溫度系數(δ2=10)、壽命系數(δ3=12)。則:Imax2=Imax1×δ (2)式中:Imax2———計算電流; δ———可靠系數,δ=δ1×δ2×δ3=11×10×12≈14。 按照屏蔽門開/關門DCU電力負荷曲線圖的負荷曲線,依據《電站變電所用大型鉛酸蓄電池容量確定》(ANSI-ISt45-17)的標準,將蓄電池放電時間確定為3i。查陽光電池5i恒電流放電數據表,進行蓄電池容量選擇。 考慮到線路壓降及安全因素,蓄電池的浮充電壓選擇為10,則:3.3.2控制電源容量的計算(以標準島式車站站臺為例) a.首先確定控制設備的工作電壓(控制設備指PSC、IP、PSL)。 b其次計算控制電源容量: Wk=N×IΣk/(η×δ) (4)式中:Wk———控制電源(UPS)最大功率需求(k); IΣk———控制設備總電流(A);N———單側站臺的屏蔽門滑動門數量;η———UPS效率; δ———直流穩壓電源裝置效率。3.3.3屏蔽門供電總容量 屏蔽門三相AC30電源為屏蔽門系統提供的電力需求應滿足屏蔽門系統驅動電源、控制電源(UPS)及蓄電池充電的需求,則有:Wz=Wq+Wk+Wx (5)式中:Wz———整個站臺最大功率需求;Wq———屏蔽門開/關時DCU(包括門指示燈)的最大功率需求;Wx———蓄電池充電最大功率需求,蓄電池最大充電電流取01C10(C10為電池1小時放電參數)。 其中:Wq=UMAX×IMAX/η (6)式中:UMAX———DCU最大工作電壓(10);IMAX———站臺屏蔽門同時開/關時DCU(包括門指示燈)最大電流; η———充電模塊效率,取為09。 3.4控制系統設計 屏蔽門控制系統應由以下幾個主要部分構成:主控機(包括邏輯控制單元及狀態監視單元)PSC、就地控制盤(PSL)、門控單元(DCU)組、通訊介質及通訊接口等設備。 每個車站的每側站臺屏蔽門應具有獨立的一套邏輯控制單元,每個車站應有至少一套遠程狀態監視系統;每個車站內的屏蔽門系統內應具有足夠的與其它系統設備進行接口的接線端子、接口設備。每側屏蔽門的控制完全獨立,相互之間不設置互鎖。 根據屏蔽門系統內部通信的需要,以每側站臺單元控制器、PSL和DCU為單位組成一個相對獨立的子系統,通信方式采用現場總線和硬線連接。每個門控單元(DCU)之間沒有通訊需求,單個控制系統中,只存在單元控制器向每個DCU進行廣播式通訊,而每個DCU向單元控制器反饋每個門機狀態信息。根據屏蔽門系統設置特性,控制系統采用總線型的局域網。 采用標準通用、開放的網絡通訊協議,方便與其它專業進行接口。現場總線采用TCP/I(傳輸控制協議/網際協議)通信協議,每個DCU作為一個網絡結點掛接在網絡現場總線上,PSC作為網絡服務器,DCU作為網絡工作站。采用冗余設計,當總線上其中一個節點發生故障時,其它網絡結點不會受影響。現場總線采用部分點對點的通訊線路進行命令及響應的傳輸。對于一些關鍵信號,PSC與PSL間以及PSC與DCU之間、單元控制器與DCU之間、PSL與DCU之間采用點對點的硬線連接。3.5安全設計3.5.1安全系統組成 屏蔽門系統在城市軌道交通的采用,其中一個最主要的原因就是應保證運營、乘客的安全,為達到這個要求,需要屏蔽門設計在本身的結構性能、安全保障以及設計周全等方面作好相應的工作。除采用設置站臺監控亭、應急門、防夾設計外;電氣設計方面,還有安全回路設計、接地及絕緣層設計等。3.5.2安全回路設計 安全回路的概念是,為了保證屏蔽門關閉和鎖定狀態的故障安全檢測,采用一個串聯式連線回路,沿車站站臺穿過所有的滑動門與應急門。當回路閉合時,向信號系統發出一個“所有滑動門/應急門關閉和鎖定”的信號,此回路就簡稱安全回路。 其作用在于,當回路閉合時,授權列車才能離開車站;當回路斷開時,禁止列車離開或進入車站。3.5.3接地及絕緣層設計 地鐵牽引配電系統采用直流供電,并把鋼軌作為匯流通道,因此鋼軌與大地間存在電位差會對乘客造成影響。因此為確保乘客及工作人員的安全,要求在乘客及工作人員易接觸到的金屬部件與列車的金屬部件之間采用等電位連接。在站臺兩端各用一根電纜與鋼軌回流線相連,同時屏蔽門采用絕緣安裝,以保持軌道與站臺的電氣隔離。3.5.4緊急控制盤(IBP) 屏蔽門系統緊急控制盤設置在車站車控室,一般與消防、EMCS(設備監控)、FAS(防災報警)等緊急操作按鈕統一布置,緊急控制盤上的操作按鈕高度應方便運營人員緊急操作。在允許緊急控制盤操作狀態下,緊急控制盤能控制屏蔽門進行開門、關門操作。4小結 城市軌道站臺屏蔽門系統是一項集建筑、機械、電子、自動控制和計算機等多種學科于一體的高科技產品,在中國高速發展的城市軌道交通領域,將會得到更多、更廣泛應用。由于它涉及地鐵領域的相關專業較多,諸如:行車組織、限界、車輛、通信、信號、自動化集成系統、供電、結構、建筑等專業,相互關聯的處理接口也眾多,這就需要相關的專業人員進行更深的研究,緊跟時代發展的步伐為業主提出更好更合理的解決方案。
2.2基本功能 屏蔽門在軌道交通站臺中的基本功能如下: a.屏蔽門可以防止人和物體落入軌道和非法闖入隧道,杜絕因而引發的事故、延遲運營與增加額外成本。 b.減少站臺區與軌行區之間氣流的交換,通過對地下車站通風空調制式的改變,降低車站通風空調系統的運營能耗。 c.成為鐵路車輛和車站基礎設施之間的緊急欄障和安全整合的安全系統。 d.減少列車運行噪聲及活塞風對站臺候車乘客的影響,改善乘客候車環境。 e.保障乘客和工作人員的人身安全,阻擋乘客進入軌道,拓寬乘客在站臺候車的有效站立空間。 f.更好的乘客管理。當列車停靠在正確的位置上,乘客才進入列車或站臺。 g.在火災或其他故障模式下,可以配合相關系統進行聯動控制。 h.可以利用屏蔽門采用一體化的信息、廣告顯示屏,達到資源的最大化利用,同時對車站整體空間布置進行簡化。3配電系統設計3.1電源 主要包括驅動電源、控制電源,電源設備設置在屏蔽門系統設備室。3.2供電方式 根據目前國內屏蔽門設計和投標的情況,控制電源采用UPS(不間斷電源系統)供電,驅動電源的供電方式則分為兩種:直流供電、交流供電。3.2.1直流供電 電源設備由UPS、隔離變壓器、整流器、蓄電池等設備組成。屏蔽門直流無刷電機及DCU(門控單元)采用直流10供電;PSC(主控機)和PSL(就地控制盤)采用直流2V或5V供電。低壓配電系統提供兩路20/30電源到自動切換箱,輸出一路三相30電源及一路單相20電源。30電源經過UPS、三相隔離變壓器和整流器至10直流母線,然后由直流10母線每側饋出三路直流送至各個門控單元。當供電回路、開關或整流器均故障時,蓄電池的容量應能滿足屏蔽門驅動系統每小時開/關門5次的要求,見圖4。3.2.2交流供電3.2.2.1正常運行 正常情況下,屏蔽門的驅動電源由主電源供應,當主電源故障時,電源自動切換裝置自動將主回路切換到備用電源,將備用電源投入。 UPS充電模塊通過內部的交直交轉換,一方面除對蓄電池組進行浮充電外,另一方面通過AC30隔離變壓器向屏蔽門配電單元交流供電,并由門控單元經交直流轉換驅動電機運動,見圖5。3.2.2.2故障運行 充電模塊采用N+1冗余配置,當某個充電模塊發生故障時,由于UPS充電模塊的在線式熱插拔的固有特性,使其不會對其余充電模塊產生影響,其余充電模塊繼續給負荷供電。 當主電源、備用電源均發生故障時,由電池組經逆變器將直流轉換為交流,通過AC380V隔離變壓器向屏蔽門/安全門配電單元交流供電,并由門控單元經交直流轉換驅動電機運動。在低壓一主一備兩路交流電源斷電后,蓄電池的容量應能滿足屏蔽門驅動系統每小時開/關門5次的要求。當交流電源恢復供電時,系統具有自啟動功能,保證交流電恢復時能自動恢復正常運行。3.3電源容量計算 屏蔽門系統驅動電源主要是為門機提供穩定的電源。驅動電源主要由電源自動切換裝置、充電模塊、降壓硅鏈、微機監控裝置、絕緣監測裝置、防雷裝置、進口免維護蓄電池和饋線回路等構成。 控制電源是為屏蔽門系統的控制設備如主控機(PSC)、屏蔽門緊急操作指示盤(IBP)、站臺端頭控制盒(PSL)等提供電力需求。控制電源由UPS(含蓄電池)、直流變換穩壓電源裝置、饋線回路等構成。3.3.1驅動電源容量的計算 a.確定驅動設備用電參數。DCU額定工作電壓、DCU工作電壓范圍、滑動門啟動時的最大電流、滑動門恒定最大速度時的額定連續電流、DCU控制電流、滑動門頂盒上指示燈等。 b.繪制屏蔽門開/關門DCU電力負荷曲線圖。 c.蓄電池容量及單體數量的確定(以目前屏蔽門普遍采用的德國陽光電池為例)。考慮最嚴峻的條件,當標準兩側站臺的屏蔽門同時動作時,蓄電池需要放出的電流為:Imax1=I1+I2 (1)式中:Imax1———蓄電池最大放電電流; I1———站臺兩側滑動門同時開關時DCU最大電流;I2———門頂盒指示燈電流。 依據陽光蓄電池的選擇原則,需要考慮設計系數(δ1=11)、溫度系數(δ2=10)、壽命系數(δ3=12)。則:Imax2=Imax1×δ (2)式中:Imax2———計算電流; δ———可靠系數,δ=δ1×δ2×δ3=11×10×12≈14。 按照屏蔽門開/關門DCU電力負荷曲線圖的負荷曲線,依據《電站變電所用大型鉛酸蓄電池容量確定》(ANSI-ISt45-17)的標準,將蓄電池放電時間確定為3i。查陽光電池5i恒電流放電數據表,進行蓄電池容量選擇。 考慮到線路壓降及安全因素,蓄電池的浮充電壓選擇為10,則:3.3.2控制電源容量的計算(以標準島式車站站臺為例) a.首先確定控制設備的工作電壓(控制設備指PSC、IP、PSL)。 b其次計算控制電源容量: Wk=N×IΣk/(η×δ) (4)式中:Wk———控制電源(UPS)最大功率需求(k); IΣk———控制設備總電流(A);N———單側站臺的屏蔽門滑動門數量;η———UPS效率; δ———直流穩壓電源裝置效率。3.3.3屏蔽門供電總容量 屏蔽門三相AC30電源為屏蔽門系統提供的電力需求應滿足屏蔽門系統驅動電源、控制電源(UPS)及蓄電池充電的需求,則有:Wz=Wq+Wk+Wx (5)式中:Wz———整個站臺最大功率需求;Wq———屏蔽門開/關時DCU(包括門指示燈)的最大功率需求;Wx———蓄電池充電最大功率需求,蓄電池最大充電電流取01C10(C10為電池1小時放電參數)。 其中:Wq=UMAX×IMAX/η (6)式中:UMAX———DCU最大工作電壓(10);IMAX———站臺屏蔽門同時開/關時DCU(包括門指示燈)最大電流; η———充電模塊效率,取為09。 3.4控制系統設計 屏蔽門控制系統應由以下幾個主要部分構成:主控機(包括邏輯控制單元及狀態監視單元)PSC、就地控制盤(PSL)、門控單元(DCU)組、通訊介質及通訊接口等設備。 每個車站的每側站臺屏蔽門應具有獨立的一套邏輯控制單元,每個車站應有至少一套遠程狀態監視系統;每個車站內的屏蔽門系統內應具有足夠的與其它系統設備進行接口的接線端子、接口設備。每側屏蔽門的控制完全獨立,相互之間不設置互鎖。 根據屏蔽門系統內部通信的需要,以每側站臺單元控制器、PSL和DCU為單位組成一個相對獨立的子系統,通信方式采用現場總線和硬線連接。每個門控單元(DCU)之間沒有通訊需求,單個控制系統中,只存在單元控制器向每個DCU進行廣播式通訊,而每個DCU向單元控制器反饋每個門機狀態信息。根據屏蔽門系統設置特性,控制系統采用總線型的局域網。 采用標準通用、開放的網絡通訊協議,方便與其它專業進行接口。現場總線采用TCP/I(傳輸控制協議/網際協議)通信協議,每個DCU作為一個網絡結點掛接在網絡現場總線上,PSC作為網絡服務器,DCU作為網絡工作站。采用冗余設計,當總線上其中一個節點發生故障時,其它網絡結點不會受影響。現場總線采用部分點對點的通訊線路進行命令及響應的傳輸。對于一些關鍵信號,PSC與PSL間以及PSC與DCU之間、單元控制器與DCU之間、PSL與DCU之間采用點對點的硬線連接。3.5安全設計3.5.1安全系統組成 屏蔽門系統在城市軌道交通的采用,其中一個最主要的原因就是應保證運營、乘客的安全,為達到這個要求,需要屏蔽門設計在本身的結構性能、安全保障以及設計周全等方面作好相應的工作。除采用設置站臺監控亭、應急門、防夾設計外;電氣設計方面,還有安全回路設計、接地及絕緣層設計等。3.5.2安全回路設計 安全回路的概念是,為了保證屏蔽門關閉和鎖定狀態的故障安全檢測,采用一個串聯式連線回路,沿車站站臺穿過所有的滑動門與應急門。當回路閉合時,向信號系統發出一個“所有滑動門/應急門關閉和鎖定”的信號,此回路就簡稱安全回路。 其作用在于,當回路閉合時,授權列車才能離開車站;當回路斷開時,禁止列車離開或進入車站。3.5.3接地及絕緣層設計 地鐵牽引配電系統采用直流供電,并把鋼軌作為匯流通道,因此鋼軌與大地間存在電位差會對乘客造成影響。因此為確保乘客及工作人員的安全,要求在乘客及工作人員易接觸到的金屬部件與列車的金屬部件之間采用等電位連接。在站臺兩端各用一根電纜與鋼軌回流線相連,同時屏蔽門采用絕緣安裝,以保持軌道與站臺的電氣隔離。3.5.4緊急控制盤(IBP) 屏蔽門系統緊急控制盤設置在車站車控室,一般與消防、EMCS(設備監控)、FAS(防災報警)等緊急操作按鈕統一布置,緊急控制盤上的操作按鈕高度應方便運營人員緊急操作。在允許緊急控制盤操作狀態下,緊急控制盤能控制屏蔽門進行開門、關門操作。4小結 城市軌道站臺屏蔽門系統是一項集建筑、機械、電子、自動控制和計算機等多種學科于一體的高科技產品,在中國高速發展的城市軌道交通領域,將會得到更多、更廣泛應用。由于它涉及地鐵領域的相關專業較多,諸如:行車組織、限界、車輛、通信、信號、自動化集成系統、供電、結構、建筑等專業,相互關聯的處理接口也眾多,這就需要相關的專業人員進行更深的研究,緊跟時代發展的步伐為業主提出更好更合理的解決方案。
