应急照明电源

应急照明电源是为应急照明服务的设备，一般特指在正常电源断开后，为应急照明提供的备用电源。

一、应急电源的种类

1. 独立于正常电源的发电机组

提供交流应急电源，包括应急燃气轮机发电机组和应急柴油发电机组。快速自启动的发电机组适用于允许中断供电时间为30 s以内的负荷。

对于城市轨道交通的车站来讲，一般建于地下，建设规模小，人员密集程度高，而发电机组的动力来源都是可燃性物质，对城轨工程尤其是地下消防安全不利。另一方面，即使是快速自启动的发电机，也需要30 s的时间，如果应用于应急照明电源，还需要和其他电源系统配合使用。所以，国内城轨工程尚没有采用发电机组用作应急电源的实例，也没有单独用作应急照明电源。

2. UPS（Uninterruptable Power Supply）

UPS即不间断电源，防止意外断电数据丢失的一种备用电源设备，可以在交流电断开的情况下，保证短时间的工作。它适用于允许中断供电时间为毫秒级的负荷，以蓄电池和逆变器作为备用电源。

UPS一般用于精密仪器负载（如电脑、服务器等负载）等要求供电质量较高的场合，如：逆变切换时间短、输出电压及频率稳定、输出波形的纯正、无各种干扰等。城轨工程控制调度相关系统和自动清分结算系统等采用计算机设备的重要系统，一般采用UPS不间断电源，而应急照明电源一般不采用UPS装置。

3. EPS（Emergency Power Supply）

EPS即应急电源装置，提供交流应急电源，以蓄电池和逆变器作为备用电源，多用于允许中断供电时间为0.25 s以上的负荷。

EPS装置多用于应急照明电源，也可用于消防用电设备，如应急照明灯、标志灯、消防电梯、消防水泵、防火卷帘、防火门、排烟风机等或其他供电质量相对要求不高的用电设备，强调能持续供电这一功能。但不可用于计算机、交换机、服务器等精密仪器负载，以免出现数据丢失的情况。

4. 带有自动投入装置而有效独立于正常电源的专用馈电回路

此回路适用于允许供电中断时间1.5 s或0.2 s以上的负荷，可用于应急照明电源，目前北京地铁某些既有线路使用的是这种方式。

5. 蓄电池

蓄电池适用于容量不大但特别重要的负荷，并要求采用直流电源，如变电所直流操作电源。由于蓄电池直接接在直流母线上，交流电源正常时为浮充状态，因此由交流电源经高频开关装置供电转为蓄电池直接供电，没有转换时间。也可采用正常由高频开关供电，在有冲击负荷时由蓄电池放电。在直流操作电源屏的输出回路增设逆变器，可用于提供应急照明电源。在应急照明灯具内也可直接设置蓄电池，作为备用电源。

按照现行国家标准《地下铁道照明标准》（GB/T 16275—96）的要求，城市轨道交通工程应急照明由正常电源切换到应急电源的允许时间为不大于5 s。

二、典型应急照明电源装置

1. EPS应急电源

（1）EPS的工作原理

EPS应急电源由充电器、逆变器、蓄电池、隔离变压器、切换开关、监控器、保护装置和机箱组成。相比于UPS，EPS均为离线式。由于采用不同形式的切换开关，EPS的切换时间是不同的，切换开关可采用接触器、静态旁路开关等。

当交流电源正常时，由电源经过EPS装置的交流旁路给重要负载供电，同时进行电源检测及蓄电池充电管理，然后再由电池组向逆变器提供直流能源。在此，充电器是一个仅需向蓄电池组提供相当于10%蓄电池组容量（Ah）的充电电流的小功率直流电源，它并不具备直接向逆变器提供直流电源的能力。此时，交流电源经由EPS的交流旁路和转换开关所组成的应急电源系统向用户的各种应急负载供电。同时，在EPS的逻辑控制板的调控下，逆变器停止工作处于自动关机状态。用户负载实际使用的电源是来自电网的交流电，此时EPS应急电源也是通常说的一直工作在睡眠状态，可以有效地达到节能的效果。

当交流电源供电中断或电压超限（如±15%或±20%额定输入电压）时，切换开关将投切至逆变器供电模式，在蓄电池所提供的直流能源的支持下，用户负载所使用的电源是通过EPS的逆变器转换的交流电源。

当交流电源电压恢复正常工作时，EPS的监控装置发出信号对逆变器执行自动关机操作，同时还通过它的转换开关执行从逆变器供电向交流旁路供电的切换操作。EPS在经交流旁路供电通路向负载提供交流电源的同时，还通过充电器向电池组充电。

EPS工作原理如图9.14所示。

图9.14　EPS工作原理框图

EPS装置较多用于应急照明电源，它也可作为消防动力的电源。对于不同的供电对象，EPS装置的要求也有不同。下面对EPS作为应急照明电源的一般要求进行说明：

① 向应急照明灯供电的EPS，供电中断时间小于5 s。

② 为尽可能地利用正常交流电源，减少EPS的能耗，当交流电源电压在187～242 V（）的范围内时，EPS允许仍为交流旁路供电，而不采用逆变器供电。

③ EPS配置蓄电池的容量，应满足在交流电源供电中断时，保证应急照明的供电时间要求。对于地下车站和控制中心不小于60 min；对于地面车站等建筑物，不小于30 min。

（2）EPS的容量及选择

在交流供电正常时，EPS通过交流旁路向负载供电。原则上，它可以带具有各种不同功率因数的负载，但在交流供电中断　或是电压或频率超限时，则是由EPS中的逆变器来供电的。因此，EPS的承载能力不仅要考虑逆变器在不同功率因数值负载时的降额度输出特性，而且还要根据所使用的应急照明灯具的不同来选配EPS的输出功率和机型。

① 应急照明灯具光源为白炽灯。由于应急照明的功耗是用有功功率P（kW）来标注的，而EPS逆变器的输出功率是用功率因数cos ψ =0.8（滞后）时的视在功率S（kV·A）来标注的，因此实际选用EPS的满载输出功率应为S=P0.8。

② 应急照明灯具光源为荧光灯。由于荧光灯启动时存在较大的“启动浪涌电流”，因此EPS满载输出功率应为S =（1.3～1.5）P/0.8

③ 应急照明灯具的光源也可采用、高压气体灯，但城轨工程目前尚未使用。此时宜选用切换时间小于20 ms的EPS设备。因为如果对高压气体灯的供电中断时间超过20 ms，就有可能致使气体灯中的放电电弧熄灭或中断。一旦发生放电电弧中断现象，即使马上恢复供电也可能导致长达数分钟的黑灯现象，因为重新预热高压气体灯中的灯丝需要足够长的时间。

2. 电源自动转换装置

所谓电源自动转换装置（ATSE），是由两个或几个转换开关电器和其他必需的联锁、控制设备组成，用于监视电源，并在特定条件下，将负载设备从一个电源自动转换到另一个电源的电器设备。它主要由开关转换电器、联锁设备和转换控制电器组成。

根据IEC-60947-6国际标准规定，自动转换装置可分为PC级或CB级两个级别。根据采用转换开关电器的不同可分为四种：接触器式、断路器式、负荷开关式、专用转换开关式。按照转换控制电器的不同分为电磁继电器和数字控制器。

PC级指能够接通和承载但不用于分断短路电流的自动转换装置。CB级指采用断路器并配备过电流脱扣器的自动转换装置，它的主触头能够接通并用于分断短路电流。因此，只有转换开关电器采用了断路器，能够在短路情况下分断短路电流，才可称为CB级自动转换装置；其余不采用断路器，不能分断短路电流的，都称为PC级。

因此采用负荷开关、接触器和专用转换开关的ATSE都属于PC级，本体只能作为自动转换开关使用，不具备过载和短路保护以及其他保护功能。

电源自动转换装置由开关电器本体和转换控制器组成。开关电器采用断路器时，即为CB级，由两台或两台以上的断路器和机械联锁机构组成，具有过载、短路保护功能，体积较大，切换时间一般为1.5 s以上。PC级开关电器为一体式结构（二进一出），体积小，转换速度较快，切换时间一般在0.2～1.3 s之间。

由传统的电磁式继电器构成的转换控制器，优点是成本低，但存在性能单一、体积大的缺点。数字电子式转换控制器，可根据用户要求设定产品参数，具有精度高、体积小、使用方便的特点。

三、应急照明电源方案

在城轨工程中，应急照明电源方案可能是一种形式，也可能是几种形式的组合。如地下车站的应急照明电源采用EPS应急电源系统，而对于地面独立设置的变电所，其应急照明电源也可采用分散式安装的蓄电池。

1. 独立设置的变电所

对于主变电所及独立设置的牵引变电所，其应急照明电源是独立考虑的，与城轨车站的应急照明电源没有联系。它有以下三种方案可供选择：

方案一：考虑到应急照明灯具数量不多、容量不大，可以采用分散设置于应急照明灯具的蓄电池作为应急电源。应急照明灯具采用三线制，当正常电源失电时，由灯具自带的蓄电池继续供电，供电时间不小于60 min。应急照明灯具的交流电源引自变电所交流电源屏，馈出回路与正常照明分开，避免正常照明回路故障对应急照明供电造成影响。为保证应急照明灯具可靠工作，需对蓄电池进行维护。由于蓄电池分散布置，其维护工作量比蓄电池集中设置或采用EPS应急电源略大。

方案二：在变电所中设置较小容量的EPS应急电源，应急电源的交流电源引自变电所交流电源屏，为单独馈出回路。EPS的馈出回路接至应急照明灯具。EPS应急电源的供电时间不小于60 min。此方案造价较高。

方案三：在变电所直流操作电源屏的馈出回路中加装逆变器，为应急照明提供交流电源。正常交流电源失电，由蓄电池放电后继续供电，供电时间不小于60 min。这需要加大操作电源屏的高频开关电源及蓄电池的容量。

2. 车站内牵引变电所、降压变电所

由于变电所处于车站内，变电所与车站的应急照明电源应统一考虑。主要有以下三个方案：

方案一：在车站配电室设置EPS应急电源。应急电源的交流输入电源引自车站消防配电系统。EPS引出若干回路为变电所应急照明提供电源，应急照明的供电时间不小于60 min。

方案二：采用独立于正常电源的第三路电源作为应急电源。在变电所内设置应急照明电源柜，由变电所交流电源屏提供正常双路电源，应急的第三路电源由相邻车站引入，并向另一相邻车站提供备用电源。应急照明电源柜提供若干馈出回路分别引至变电所、车站应急照明设备。当本车站变电所双路低压电源失电，自动切换至应急电源后继续供电。本方案的优点在于应急电源的供电时间不受限制。

方案三：在变电所直流操作电源屏的馈出回路中加装逆变器，为应急照明提供交流电源。

3. 车辆段、停车场内的牵引变电所、降压变电所

当降压变电所独立设置或与之合建的建筑物没有应急照明时，应急照明电源方案同独立设置的变电所。合建建筑物设置应急照明时，有以下两个方案：

方案一：在建筑物内配电室设置EPS应急电源。应急电源的交流输入电源引自建筑物消防配电系统或照明配电系统独立馈出回路，EPS引出若干回路为变电所应急照明提供电源。应急照明的供电时间不小于60 min。

方案二：在变电所直流操作电源屏的馈出回路中加装逆变器，为应急照明提供交流电源。正常交流电源失电时，由蓄电池放电后继续供电，供电时间不小于60 min。

复习思考 >>>

1. 列举城轨供电系统中各种类型变电所的自用电设备、负荷分级和供电制式以及电源供电方案。

2. 分析自用电交流屏互投操作、同投操作的工作过程。

3. 分析阀控式密封铅酸蓄电池在结构、原理、充放电特性、运行维护常识等方面的区别。

4. 分析高频开关直流系统在结构、原理、工作特性、运行维护等方面的区别。

5. 简述城轨工程中应急照明电源方案。