城市轨道交通在为人们提供方便、快捷、绿色出行方式的同时，其安全性也是一直关注的重点。如今，随着“新基建”的提出，城市轨道交通将迎来怎样的变化呢？
面对复杂的轨道交通各个子系统，应该选择什么样的供电解决方案来保障系统的高可靠性？在产品功能方面又该如何选择？
针对这些问题，伊顿大中华区应用技术总监王伟在以 “从轨交行业 UPS 应用看伊顿的解决之道” 为主题的线上研讨会上给予了全面解读。
城市轨道交通引爆基建狂潮，UPS 行业机遇在哪里？
在刚刚结束的政府工作报告中，“新型基础设施建设”概念备受瞩目，这将在未来很长一段时间内，成为推动产业多维度加速改革和转型的新王牌。
在“新基建”的七大领域中，与 UPS 行业密切相关的莫过于城市轨道交通、5G 基站、大数据中心、工业互联网，其中轨道交通作为城市的大动脉，与人民群众的日常生活休戚相关，并将极大地改善城市经济发展的基础硬件环境，尤其得到地方政府的重视。截止到 2019 年，我国共有 65 个城市的轨道交通线网规划获批，总长度约 7339.4KM（不含已经建成的），引爆新一轮基建狂潮，也为 UPS 行业带来巨大商机。
城市轨道交通与 UPS 电源相关的子系统主要有通信系统、信号系统等十几个子系统，这些子系统又分布再沿线站点、控制中心、乘客集散中心、车辆段、停车场、维修中心、培训中心等分散的地域。为了确保这些系统能高效、安全、可靠运行，向它们提供具有高品质、高可靠性和高可用性的 UPS 供电系统是必不可少的基础性运营条件。
轨交系统 UPS，供电模式及挑战
对于一条地铁线的控制中心来说，它所需的 UPS 供电系统的典型需求为：
由上图表格可见，在轨交系统建设中，UPS 供电系统按照各子系统负载诸如计算机型设备、网络控制设备、通信设备、信号设备等主设备的不同分类、容量与后备时间来设计方案，各子系统在各站点的负载容量在几到几十个千瓦不等。
在每个站点采用多台小功率 UPS 来各自分别带不同专业的负载，这种供电模式称为分散供电方案。与采用多台小功率 UPS 所组成的分散式 UPS 供电系统相比，目前很多新建项目的主流模式是采用集中供电的设计方案，每个站点采用技术更优、性价比更好的大容量 UPS 来代替多台小容量 UPS。被整合的子系统包括：
列车综合自动化系统（TIASA）
专用通信系统（警用通信除外）
环境与设备监控系统（BAS）
乘客信息系统（PIS）
自动售票系统（AFC）
门禁系统（ACS）
大集中式供电设计方案综合了几个不同专业负载的容量和重要性考量，来确定所需配置的 UPS 输出功率大小及其电池后备供电时间的长短，通常单机容量为 120-200kVA，在重要的车辆段和控制中心为 200-300kVA；系统采用 1+1 冗余并机模式，有些城市轨交还要求配置与 UPS 一体化设计的输出隔离变压器及 “智能型配电柜”。智能配电柜用来集中监控 UPS 主机、稳压隔离柜、蓄电池、进线柜、馈线柜等，并进行信息上传，以便根据各种负载的重要程度不同，来执行“分时、自动卸载”操作，从而达到对不同的用电设备提供“有差别”的电源保护的目的。
UPS 作为轨道交通行业功能系统中应用最多、最核心的电源保护产品，由于应用场景的多样化和复杂化，使用中往往面临诸多挑战：
安全性挑战：安全生产对电源系统依赖严重。
环境适应性挑战：设备多在较为恶劣环境中安装使用，需要做专门防护设计。
复杂性挑战：子系统繁多，管理难度大，要求 UPS 系统一致性强，管理简洁、便利。
重要性挑战：负载等级高，需配套相应的高等级解决方案。
绿色节能挑战：电力维修服务的质量和效率低，导致间接巨额损失。
伊顿 UPS 在城市轨道交通行业的解决之道
伊顿 UPS 可是说是伴随着中国地铁的发展而成长，从 1993 年开始用于上海地铁一号线到目前，经过多年的技术沉淀，伊顿 UPS 已经与城市轨道交通项目中的各子系统构建了良好的系统匹配。根据城市轨道交通 UPS 应用的特殊需求，在保障主要电气性能的基础上，立足于加强安全可靠性设计、环境防护设计和可维护性设计，伊顿专门推出了轨交版专用 UPS 系列。
小功率模块化 UPS：轨交版 91PS/93PS，8-40kVA
中功率模块化 UPS：93PR，25-300kVA
模组化塔式 UPS：轨交版 93E，15-500kVA
(1)伊顿轨交版 UPS 的可靠性设计
01.UPS 输出保护机制
UPS 在城市轨道交通应用中，若输出保护机制不够完善，逆变器故障短路时可能会导致旁路输入配电保护开关在内的所有开关跳闸、设备供电中断，导致列车停运的重大安全事件。
伊顿轨交版 UPS 逆变输出回路配置了伊顿高可靠性反时限保护快速熔断器，能实现精准保护。出现逆变器短路时，输出熔断器及时熔断，切除短路点，旁路不间断供电，负载供电可靠性得到保障。
02.电池的主动保护机制
内置电池接触器，不依赖外部电池开关是否动作即可在电池故障或放电到截止电压时自动保护蓄电池。
03.交流直供模式
伊顿轨交版 UPS 在交流直供供电模式下，整流器和逆变器均处于休眠状态，逆变输出开关处于接通状态，在负载大于 20% 的情况下即可达到 99% 的供电效率；逆变器处于休眠状态时，无短路隐患，并且功率器件、风扇、电容等也未投入正常运行，使整机寿命得以延长，增强了设备的可持续可靠性。
伊顿交流直供技术保证了优异的供电品质。在该模式下，其整流和逆变部分等效于巨大的滤波器，有效吸收电网中可能浪涌能量，确保负载不直接受浪涌的能量冲击，减少尖峰能量及电网干扰。
伊顿交流直供技术的快速切换专利保证了负载供电的安全性。由于逆变输出始终处于闭合状态，所以从市电供电切换到逆变输出时的典型时间值为小于 2ms，伊顿利用这一专利切换技术保证了快速追踪的实现，确保切换迅速，从而确保负载安全。
伊顿交流直供技术还具有雷暴侦测功能，可以确保在恶劣市电条件下负载依然能得到可靠保护。当 UPS 侦测到一定时间内持续出现 3 次市电异常时， UPS 将会鉴定为可能正遭遇雷暴等异常状况，系统退出 ESS 模式，并将负载锁定在双变换模式，UPS 系统随后进入甄别/计时期，在此期间，若市电不再出现异常，UPS 会解除锁定，并再次自动进入交流直供模式。
04.独有热同步并机技术消除单点故障
伊顿 Hot Sync® 专利热同步并联技术无需并机通讯数据线，有效消除单点故障瓶颈；自适应并机，无主从关系，最多可实现 8 台并机，并保证并机系统中每台 UPS 的输出同步、负载均衡，最大限度保证并机的可靠性和冗余性。这一专利保护的成熟技术，已经成功运用在全球十万多套并机系统中。
05.ABM 智能化电池管理系统，延长电池使用寿命 50%
对于占系统成本很大部分的电池，伊顿轨交专用版 UPS 采用了 ABM 智能化电池管理系统，间歇式充电方式与传统长期浮充模式相比能延长电池使用寿命 50%，还能对电池故障前瞻性预警，为城市轨道交通行业的电池使用安全性提供了有效保障。
06.电容温度检测
伊顿轨交版 UPS 所提供的高可靠电容与电容检测选件，可以对电容温度即时侦测，及时预知风险并预警，提高城市轨道交通行业用电保障。
07.以油浸电容带起干式电容
2019 年 8 月 2 日，HSE（英国健康与安全执行局）下达了安全风险警示，指出自愈式聚丙烯膜薄干式电容器存在安全风险，干式电容器容易受工作负荷和环境温度等因素影响，有发热自燃导致 UPS 起火的风险。
而伊顿 UPS 所配置的油浸式电容器性能稳定、无自燃风险，更有效、更安全。
08.防雷/浪涌保护
针对城市轨道交通行业的应用特点，伊顿轨交版 UPS 进行了加强型防雷选件，符合 C 级防雷的放电电流标准，高放电能力符合 IEC61643-1 和 GB18802.1-2011 标准，模块化的设计，更易于安装和维护。
(2)伊顿轨交版 UPS 的环境防护设计
针对城市轨道交通行业户外环境恶劣等特点，伊顿轨交版 UPS 标配防尘网，提升产品适应恶劣环境的能力，防尘网使用阻燃设计，符合美国防火标准 UL 94 及滤尘网标准 UL900，拆卸、清洗便捷，维护费用低。
在防尘设计布局方面，伊顿轨交版 UPS 的模块、器件均采用防尘布局，风道结合安规爬电距离科学设计，减少设备内部积尘。
前进风后出风设计，有效避免下进风方式可能带入的灰尘或异物。
对于轨交系统湿度过大的问题，伊顿轨交版 UPS 采用加强型 PCBA 三防喷涂工艺，提升了防尘防潮防腐蚀性能和抵御高湿环境的能力。
(3)伊顿轨交版 UPS 的可维护性设计
现代地铁正在向着全自动运行方向发展，供电系统除了利用创新技术提高系统可靠性，还要帮助城市轨道交通行业实现减少专业人员配置，降低设备运维成本。
模块化设计。伊顿利用 UPS 模块化热插拔设计和模组化结构设计等设计理念，为现场维护人员通过快速更换模块实现维护提供了便利条件，也提高了 UPS 系统的可靠性和可用性。
风扇冗余易更换设计。伊顿轨交版 UPS 散热风扇等易损部件采用了冗余易设计，在更换风时不影响系统正常运行，从而确保整机的高可用性。
IR 远红外扫描。伊顿轨交版 UPS 前进风后出风的开孔设计结合独特的元件热点布局，支持非接触远距离红外热成像扫描，即时检测关键元件，提前预知热点，防患于未然。
在线假负载测试技术。伊顿轨交版 UPS 具有独特的在线假负载测试技术，为大容量 UPS 的测试提供了一种至为灵活的解决方案。无需假负载箱及线缆、连接工程等，以模拟测试的方式实现，能量从 UPS 的静态旁路反馈回 UPS 输入过程中，所有主要功率器件可靠性均能得到满载验证，在线假负载测试过程能量损耗低，同时减少大量的人力物力，节约了建设成本。
作为在轨道交通行业有着 20 余年经验的 UPS 品牌，伊顿深研轨道交通行业 UPS 应用特点和不断挖掘用户需求，在标准版 UPS 基础上，通过提高安全可靠性设计，环境防护设计和可维护性设计为用户提供完善 UPS 供电解决方案。
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