城市轨道交通站台屏蔽门系统电气设计

摘要 简要介绍屏蔽门系统在城市轨道交通建设中的发展,及城市轨道交通屏蔽门系统的组成,并对其配电方式、蓄电池容量计算、控制设计进行描述,以供地铁电气设计人员参考借鉴。

关键词 城市轨道交通 屏蔽门 系统 电气设计

1概述

目前我国城市轨道交通项目建设处在快速发展和不断完善的过程中。改善轨道交通设备系统及其配套设施,优化地铁候车环境,提高城市轨道交通的服务水平,采用节约能源的新设备和新技术将是一种必然的要求和趋势。

城市轨道交通站台屏蔽门安装于地铁、轻轨等交通车站站台边缘,将轨道与站台候车区隔离,设有与列车门相对应, 可多级控制开启与关闭滑动门的连续屏障,简称屏蔽门。屏蔽门作为城市轨道交通的新型设备系统,在广州地铁二号线首次投入使用,由于其良好的节能效果和对乘客的安全舒适保障,越来越得到相关建设部门的认同。

2构成及功能

2.1基本构成

屏蔽门系统由机械和电气两部分构成,一般有三种结构形式,见图1、2、3。

2.2基本功能

屏蔽门在轨道交通站台中的基本功能如下:

a.屏蔽门可以防止人和物体落入轨道和非法闯入隧道,杜绝因而引发的事故、延迟运营与增加额外成本。

b.减少站台区与轨行区之间气流的交换,通过对地下车站通风空调制式的改变,降低车站通风空调系统的运营能耗。

c.成为铁路车辆和车站基础设施之间的紧急栏障和安全整合的安全系统。

d.减少列车运行噪声及活塞风对站台候车乘客的影响,改善乘客候车环境。

e.保障乘客和工作人员的人身安全,阻挡乘客进入轨道,拓宽乘客在站台候车的有效站立空间。

f.更好的乘客管理。当列车停靠在正确的位置上,乘客才进入列车或站台。

g.在火灾或其他故障模式下,可以配合相关系统进行联动控制。

h.可以利用屏蔽门采用一体化的信息、广告显示屏,达到资源的最大化利用,同时对车站整体空间布置进行简化。

3配电系统设计

3.1电源

主要包括驱动电源、控制电源,电源设备设置在屏蔽门系统设备室。

3.2供电方式

根据目前国内屏蔽门设计和投标的情况,控制电源采用ups(不间断电源系统)供电,驱动电源的供电方式则分为两种:直流供电、交流供电。

3.2.1直流供电

电源设备由ups、隔离变压器、整流器、蓄电池等设备组成。屏蔽门直流无刷电机及dcu(门控单元)采用直流10供电;psc(主控机)和psl(就地控制盘)采用直流2v或5v供电。低压配电系统提供两路20/30电源到自动切换箱,输出一路三相30电源及一路单相20电源。30电源经过ups、三相隔离变压器和整流器至10直流母线,然后由直流10母线每侧馈出三路直流送至各个门控单元。当供电回路、开关或整流器均故障时,蓄电池的容量应能满足屏蔽门驱动系统每小时开/关门5次的要求,见图4。

3.2.2交流供电

3.2.2.1正常运行

正常情况下,屏蔽门的驱动电源由主电源供应,当主电源故障时,电源自动切换装置自动将主回路切换到备用电源,将备用电源投入。

ups充电模块通过内部的交直交转换,一方面除对蓄电池组进行浮充电外,另一方面通过ac30隔离变压器向屏蔽门配电单元交流供电,并由门控单元经交直流转换驱动电机运动,见图5。

3.2.2.2故障运行

充电模块采用n+1冗余配置,当某个充电模块发生故障时,由于ups充电模块的在线式热插拔的固有特性,使其不会对其余充电模块产生影响,其余充电模块继续给负荷供电。

当主电源、备用电源均发生故障时,由电池组经逆变器将直流转换为交流,通过ac380v隔离变压器向屏蔽门/安全门配电单元交流供电,并由门控单元经交直流转换驱动电机运动。在低压一主一备两路交流电源断电后,蓄电池的容量应能满足屏蔽门驱动系统每小时开/关门5次的要求。当交流电源恢复供电时,系统具有自启动功能,保证交流电恢复时能自动恢复正常运行。

3.3电源容量计算

屏蔽门系统驱动电源主要是为门机提供稳定的电源。驱动电源主要由电源自动切换装置、充电模块、降压硅链、微机监控装置、绝缘监测装置、防雷装置、进口免维护蓄电池和馈线回路等构成。

控制电源是为屏蔽门系统的控制设备如主控机(psc)、屏蔽门紧急操作指示盘(ibp)、站台端头控制盒(psl)等提供电力需求。控制电源由ups(含蓄电池)、直流变换稳压电源装置、馈线回路等构成。

3.3.1驱动电源容量的计算

a.确定驱动设备用电参数。dcu额定工作电压、dcu工作电压范围、滑动门启动时的最大电流、滑动门恒定最大速度时的额定连续电流、dcu控制电流、滑动门顶盒上指示灯等。

b.绘制屏蔽门开/关门dcu电力负荷曲线图。

c.蓄电池容量及单体数量的确定(以目前屏蔽门普遍采用的德国阳光电池为例)。

考虑最严峻的条件,当标准两侧站台的屏蔽门同时动作时,蓄电池需要放出的电流为:

imax1=i1+i2 (1)

式中:imax1———蓄电池最大放电电流;

i1———站台两侧滑动门同时开关时dcu最大电流;

i2———门顶盒指示灯电流。

依据阳光蓄电池的选择原则,需要考虑设计系数(δ1=11)、温度系数(δ2=10)、寿命系数(δ3=12)。则:

imax2=imax1×δ (2)

式中:imax2———计算电流;

δ———可靠系数,δ=δ1×δ2×δ3=11×10×12≈14。

按照屏蔽门开/关门dcu电力负荷曲线图的负荷曲线,依据《电站变电所用大型铅酸蓄电池容量确定》(ansi-ist45-17)的标准,将蓄电池放电时间确定为3i。查阳光电池5i恒电流放电数据表,进行蓄电池容量选择。

考虑到线路压降及安全因素,蓄电池的浮充电压选择为10,则:

3.3.2控制电源容量的计算(以标准岛式车站站台为例)

a.首先确定控制设备的工作电压(控制设备指psc、ip、psl)。

b其次计算控制电源容量:

wk=n×iσk/(η×δ) (4)

式中:wk———控制电源(ups)最大功率需求(k);

iσk———控制设备总电流(a);

n———单侧站台的屏蔽门滑动门数量;

η———ups效率;

δ———直流稳压电源装置效率。

3.3.3屏蔽门供电总容量

屏蔽门三相ac30电源为屏蔽门系统提供的电力需求应满足屏蔽门系统驱动电源、控制电源(ups)及蓄电池充电的需求,则有:

wz=wq+wk+wx (5)

式中:wz———整个站台最大功率需求;

wq———屏蔽门开/关时dcu(包括门指示灯)的最大功率需求;

wx———蓄电池充电最大功率需求,蓄电池最大充电电流取01c10(c10为电池1小时放电参数)。

其中:wq=umax×imax/η (6)

式中:umax———dcu最大工作电压(10);

imax———站台屏蔽门同时开/关时dcu(包括门指示灯)最大电流;

η———充电模块效率,取为09。

3.4控制系统设计

屏蔽门控制系统应由以下几个主要部分构成:主控机(包括逻辑控制单元及状态监视单元)psc、就地控制盘(psl)、门控单元(dcu)组、通讯介质及通讯接口等设备。

每个车站的每侧站台屏蔽门应具有独立的一套逻辑控制单元,每个车站应有至少一套远程状态监视系统;每个车站内的屏蔽门系统内应具有足够的与其它系统设备进行接口的接线端子、接口设备。每侧屏蔽门的控制完全独立,相互之间不设置互锁。

根据屏蔽门系统内部通信的需要,以每侧站台单元控制器、psl和dcu为单位组成一个相对独立的子系统,通信方式采用现场总线和硬线连接。每个门控单元(dcu)之间没有通讯需求,单个控制系统中,只存在单元控制器向每个dcu进行广播式通讯,而每个dcu向单元控制器反馈每个门机状态信息。根据屏蔽门系统设置特性,控制系统采用总线型的局域网。

采用标准通用、开放的网络通讯协议,方便与其它专业进行接口。现场总线采用tcp/i(传输控制协议/网际协议)通信协议,每个dcu作为一个网络结点挂接在网络现场总线上,psc作为网络服务器,dcu作为网络工作站。采用冗余设计,当总线上其中一个节点发生故障时,其它网络结点不会受影响。现场总线采用部分点对点的通讯线路进行命令及响应的传输。对于一些关键信号,psc与psl间以及psc与dcu之间、单元控制器与dcu之间、psl与dcu之间采用点对点的硬线连接。

3.5安全设计

3.5.1安全系统组成

屏蔽门系统在城市轨道交通的采用,其中一个最主要的原因就是应保证运营、乘客的安全,为达到这个要求,需要屏蔽门设计在本身的结构性能、安全保障以及设计周全等方面作好相应的工作。除采用设置站台监控亭、应急门、防夹设计外;电气设计方面,还有安全回路设计、接地及绝缘层设计等。

3.5.2安全回路设计

安全回路的概念是,为了保证屏蔽门关闭和锁定状态的故障安全检测,采用一个串联式连线回路,沿车站站台穿过所有的滑动门与应急门。当回路闭合时,向信号系统发出一个“所有滑动门/应急门关闭和锁定”的信号,此回路就简称安全回路。

其作用在于,当回路闭合时,授权列车才能离开车站;当回路断开时,禁止列车离开或进入车站。

3.5.3接地及绝缘层设计

地铁牵引配电系统采用直流供电,并把钢轨作为汇流通道,因此钢轨与大地间存在电位差会对乘客造成影响。因此为确保乘客及工作人员的安全,要求在乘客及工作人员易接触到的金属部件与列车的金属部件之间采用等电位连接。在站台两端各用一根电缆与钢轨回流线相连,同时屏蔽门采用绝缘安装,以保持轨道与站台的电气隔离。

3.5.4紧急控制盘(ibp)

屏蔽门系统紧急控制盘设置在车站车控室,一般与消防、emcs(设备监控)、fas(防灾报警)等紧急操作按钮统一布置,紧急控制盘上的操作按钮高度应方便运营人员紧急操作。在允许紧急控制盘操作状态下,紧急控制盘能控制屏蔽门进行开门、关门操作。

4小结

城市轨道站台屏蔽门系统是一项集建筑、机械、电子、自动控制和计算机等多种学科于一体的高科技产品,在中国高速发展的城市轨道交通领域,将会得到更多、更广泛应用。由于它涉及地铁领域的相关专业较多,诸如:行车组织、限界、车辆、通信、信号、自动化集成系统、供电、结构、建筑等专业,相互关联的处理接口也众多,这就需要相关的专业人员进行更深的研究,紧跟时展的步伐为业主提出更好更合理的解决方案。