地铁车站直流照明系统集中整流方案研究

本文发布已获得《都市快轨交通》授权

原文发表于《都市快轨交通》

2025年 第2期

如有转载请联系版权方，标明出处

刘雅杰1，余龙2

直流照明系统是指进行直流供配电的照明系统，系统主要由直流电源、配电线路、直流断路器、低压直流保护装置和末端LED灯具负荷等组成。其中，直流电源可由现有的交流电源经整流变换装置变换得来，也可通过分布式能源(如光伏、储能等)的接入转换而来。直流照明系统和传统交流照明系统相比，直流配电不存在相序问题，无需考虑交流配电系统中各相功率平衡的要求，且配电只需两芯线缆，可使照明系统的架构得到简化；直流配电没有线路电抗损耗，也不传输无功功率，直流照明系统损耗会较交流照明系统小，系统电能质量也更优[1]；直流照明系统架构下，LED灯具驱动电源内部可去除AC/DC整流单元电路，驱动电源的电解电容容易损坏的问题可得到解决[2]，使得驱动电源的寿命延长，进而可减少灯具驱动电源的备品备件库存需求，相应的维护工作量也可减少。目前，因直流照明系统较交流照明系统更具优势，且随着电力电子技术和低压直流配电技术的快速发展，直流照明系统已经在国内部分城市的地铁线路中有了成功应用案例[3-5]，如在太原地铁、宁波地铁、苏州地铁、深圳地铁、上海地铁、合肥地铁等线路中都有应用。在上述应用中，地铁车站直流照明系统的整流电源模块采用高频开关电源，照明电压等级采用DC220V，整流电源设置方案采用在照明配电室的各照明配电箱中分散设置若干个小容量的高频开关电源模块(简称“分散整流方案”)。而通过相关应用案例的研究发现，分散整流方案存在系统供电可靠性较低、系统电源效率偏低、不便于设备的统一维护等缺点，系统架构和配电线缆损耗及电缆造价可进一步简化等缺点或不足[4-5]。地铁车站直流照明系统的整流电源设置方案，除了分散整流方案外，也可选择在变电所0.4kV开关柜室内配置大容量的高频开关电源柜对各照明负荷进行集中整流[4](简称“集中整流方案”)。

目前，集中整流方案已经在其他行业有成功应用案例，但其尚未在地铁车站中应用。鉴于此，本文通过分析现有的地铁车站直流照明系统分散整流方案，结合现有技术提出了地铁车站直流照明系统集中整流方案，以解决目前分散整流方案存在的不足。

1地铁车站直流照明系统分散整流方案现状

地铁车站直流照明系统分散整流方案系统架构如图1所示，

在车站照明配电室的各照明配电箱中分散设置了若干个高频开关电源模块，用以将变电所0.4kV开关柜室馈出至照明配电室的AC380V电源整流变换成DC220V，然后各照明配电箱再将DC220V电源馈至各灯具回路。分散整流方案对地铁车站照明配电系统的改动较小，主要变化有：各照明配电箱中增设了若干个高频开关电源模块、其箱体体积需加大并改为直流类型、各照明配电箱馈至末端灯具的电源改为直流以及照明配电室的土建和通风措施可能需要变动，而0.4kV开关柜室的土建和室内变配电设备以及0.4kV开关柜室馈电至各照明配电室的电缆配置等均未发生变化。在研究中发现，地铁车站直流照明系统分散整流方案存在一些不足，主要如下：

1)系统可靠性较低：在分散整流方案中，高频开关电源模块按各照明配电箱进行设置，其配电灵活性较高、故障影响范围较小。但在常规设计中，地铁车站照明配电室的空间较狭小、通风条件较差[4]，不利于高频开关电源模块散热，模块运行工况较恶劣，使得模块在工作中因热量积累而易出故障导致退出运行，进一步降低了系统的可靠性。

2)不便于设备的统一维护和系统电能质量的统一治理：在分散整流方案中，根据数量众多且分散设置在各照明配电箱中的高频开关电源模块，需相应设置的系统运维监控点数量多、主控制系统后台采集的数据量大、现场运维人员的检修工作量大等，同时，系统需配备的电能质量治理装置(有源滤波装置等)也多。

3)系统效率偏低：系统中分散配置了大量小功率的高频开关电源模块，其模块整流效率普遍较低[6](考察了市场上主流产品，基于成本考虑，大多数小功率开关电源器件工作在硬开关状态，同时，其器件选型和内部电路设计及控制策略并不满足效率最优目标)，进而导致整个系统的效率偏低。

4)配电线缆损耗、电缆造价可进一步简化或降低：在分散整流方案中，0.4kV开关柜室馈电至各照明配电室中各照明配电箱的电缆仍为交流4芯电缆。

2地铁车站直流照明系统集中整流方案

2.1系统架构

地铁车站直流照明系统集中整流方案系统架构如图2所示。

因地铁车站照明系统中公共区照明为一级负荷、设备区照明为二级负荷、广告照明为三级负荷，为了保障相应等级照明负荷的供电可靠性，参照以往相关工程案例设计和相关规范[7-8]，同时考虑系统后期的扩展和高频开关电源模块的故障影响范围等因素，在集中整流方案中，在0.4kV开关柜室1和2内会分别配备2套高频开关电源柜。室内其中一套高频开关电源柜用作公共区照明负荷整流用，另一套用作设备区照明和广告照明两种负荷整流用。高频开关电源柜将照明负荷的AC380V电源集中整流变换成DC220V，然后将DC220V电源馈出至各照明配电室的各照明配电箱中，最后再由照明配电箱馈电至各灯具回路。

其中，公共区照明高频开关电源柜中可预留一路馈线用作应急照明负荷的维修旁路。集中整流方案对地铁车站照明配电系统的改动较大，主要变化有：0.4kV开关柜室内增设了两面大容量的高频开关电源柜、0.4kV开关柜室馈电至各照明配电室的电源由AC380V改为DC220V、照明配电箱改为直流类型、各照明配电箱馈至末端灯具的电源改为直流等。而就常规地铁变电所设计，0.4kV开关柜室内会预留一定的空间，在其中增加少量柜体，不需要进行土建改动；室内配备的空调系统能解决大功率高频开关电源模块的散热问题，模块运行工况良好不易出故障；模块集中设置，便于统一运营、维护、管理及电能质量的集中治理[5]。照明负荷集中整流后，0.4kV开关柜室馈电至照明配电室的各回路电缆芯数可由4芯减少为2芯，其中，电缆截面可与原交流电缆保持一致或稍微增大[9]，可大大减少电缆的投资。地铁车站直流照明系统集中整流方案和分散整流方案相较于原交流照明系统方案的变动对比明细如表1所示。

2.2系统直流电源配置

在集中整流方案中，为了保障相应等级照明负荷的供电可靠性，参照以往相关工程案例设计和有关规范，同时考虑系统后期的扩展、高频开关电源模块的故障影响范围及模块的均流问题，照明负荷的高频开关电源模块可按“用二备一”冗余原则进行配置[7,9]。以某地铁标准车站为例，该车站传统交流照明配电方案中，各0.4kV开关柜室内的照明负荷回路明细如表2所示。结合表2中数据可推断集中整流方案中各照明负荷的高频开关电源模块配置，明细如表3所示。经技术比选，方案设计选定了15kW、22kW两种功率等级的高频开关电源模块，则地铁车站直流照明系统集中整流方案共需在0.4kV开关柜室内配置222kW容量的高频开关电源模块。

2.3系统关键配置

2.3.1直流母联开关

在集中整流方案中，高频开关电源柜馈线端的直流母线上可配置直流母联开关，在系统正常运行时处于合闸状态，用以联络两个0.4kV开关柜室同类别高频开关电源柜的输出，使系统中两个直流电源点共同向直流母线供电。这可解决由于高频开关电源模块的容量限制，当系统中某处(如直流照明配电箱处)发生短路故障时，系统可能无法提供足够的短路容量产生足够驱动相应节点直流断路器断开的持续电流，进而导致故障未得到有效处理的问题[9]，提高系统的电源可靠性和供电能力。其中，直流母联开关的选型可与高频开关电源柜直流总馈线开关一致。直流母联开关的配置重点主要是和高频开关电源柜直流总馈线开关和分馈线开关的保护动作配合。

2.3.2系统分级保护保障措施

地铁车站直流照明系统集中整流方案一般为4级低压直流配电架构，含高频开关电源柜的直流总馈线开关和分馈线开关，以及直流照明配电箱的直流进线开关和各灯具支路的分馈线开关。在项目研究和工程实施中发现，因高频开关电源柜的直流总馈线开关、分馈线开关和直流母联开关器件，甚至是直流配电箱的直流进线开关的动作电流值较高(超过两个直流电源点的输出电流之和)，当系统中相关节点发生短路故障时，可能出现即使直流母联开关联络两个直流电源点为短路点提供较大的短路电流也跳不开相应节点直流断路器的情况，不能实现高频开关电源柜的直流总馈线开关、分馈线开关和直流母联开关等直流开关的正确动作，不能满足系统分级保护的需求。在工程实施中可采取在相应的直流断路器中加装分励脱扣线圈，并配以PLC装置或继电保护装置，通过霍尔传感器和继电保护装置采集到相应节点的电量变化值(一般为di/dt信号)，再通过装置预设的控制逻辑驱动相应的直流断路器分励脱扣线圈动作，实现系统中各级直流开关的正确动作。另外，高频开关电源模块内部半导体器件的关断时间是微秒级的，在直流断路器还未切除系统短路电流时，模块会自行关闭并造成全系统失电。因此，模块的内部电路设计和优化显得极其重要，其限流和稳流时间要能支撑系统中相关节点断路器的正确动作。

2.3.3更多负荷供电可靠性保障措施

系统中配备的智能照明控制系统(如直流电力载波通信照明控制系统)，在系统发生极度严重的故障时，如通过直流母联开关联络的两个同类别高频开关电源柜中的大部分模块因故障退出运行时，系统电源不足以支撑所有照明负荷的供电需求，照明控制系统会检测并下发控制指令到单灯控制器将下属控制的所有灯具的亮度调暗，以保证系统电源的供应，而不至出现系统全失电的现象。0.4kV开关柜室中其中一台高频开关电源柜是给设备区照明负荷和广告照明负荷共同供电用的，而广告照明负荷的负荷重要性会更低，当系统出现故障时，可通过高频开关电源柜预设的控制逻辑切除广告照明负荷的馈线开关，以保证设备区照明负荷的供电可靠性。

3方案分析与对比3.1系统损耗

地铁车站直流照明系统的损耗主要来自直流断路器、配电线缆、高频开关电源3个部分的损耗，其中，直流断路器的损耗数值较低，可忽略其影响。3.1.1系统配电线缆损耗两种整流方案配电线缆损耗量的主要区别在于，在集中整流方案中，0.4kV开关柜室至各照明配电箱的馈电回路电缆芯数由4芯减少为2芯，其电缆型号和配电距离L未发生改变，电缆截面可与原交流电缆保持一致或稍微增大[9]。

仍以上文中提到的某地铁车站数据为例，其原交流照明方案0.4kV开关柜室馈电至各照明配电箱的回路电缆明细及改为集中整流方案后电缆变化明细如表4所示。

在电缆额定运行工况下，忽略电能质量及绝缘介质等因素的影响[10]，配电线缆的损耗主要取决于电缆线芯电阻的大小，线缆损耗公式如下。直流系统(单级接线)线路损耗公式为：

交流系统(三相系统)线路损耗公式为：

其中，UDC=220V，为直流单级电压；UAC=380V，为交流线电压；交流系统功率因数COSφ取0.9；rAC为分散整流方案中0.4kV开关柜室馈电至各照明配电箱的线缆电阻；rDC为集中整流方案中0.4kV开关柜室馈电至各照明配电箱的线缆电阻；因末端灯具照明负荷的实际功率不会改变，即PDC=PAC。由上述公式及表1和表4的数据可推，0.4kV开关柜室至各照明配电箱的馈电线缆损耗为：分散整流方案中Pline,AC=2.5715kW；集中整流方案，Pline,DC=1.806kW。则集中整流方案与分散整流方案的电缆损耗比值为

即直流照明系统电压等级选DC220V，同时，直流电缆的规格截面较原交流电缆增大时(在预算可控范围内)，集中整流方案的线损要比分散整流方案的低，集中整流方案的线损仅占分散整流方案的70%。考虑到交流电缆存在线路电抗损耗和因集肤效应存在集肤电阻等因素，两种整流方案的线损差距可进一步增大。

同时，若是将直流照明系统的电压UDC提高至375V，对标交流380V电压等级，则由交直流系统线路损耗之比

可推Pline, AC>>  Pline, DC，

即集中整流方案的线损将进一步缩小。

3.1.2高频开关电源损耗

分散整流方案中，高频开关电源模块按各个照明配电箱的容量进行配置，其单个照明配电箱的容量较小，方案中选用的模块主要为小功率级别。集中整流方案中，高频开关电源模块按若干个照明配电箱的总容量进行配置，方案中选用的模块功率级别会较分散整流方案的大。查阅市场上主流的高频开关电源产品，在单瓦功率级别价格相当条件下，大功率的高频开关电源模块其内部电路设计和采用的元器件种类(功率开关管采用碳化硅功率MOSFET，高频整流电路中使用的二极管为快恢复二极管等)使得其效率普遍比小功率的高[11]。

表5为以往工程供货中某厂家的6kW和22kW两种功率等级的高频开关电源模块的实测效率明细。其中，测试过程中保持模块恒定额定电流输出，调节负载按10%的量级阶梯从50%逐渐加到满载测算的负载变化过程中高频开关电源模块的效率。

实际工程配置时，高频开关电源模块并不会满功率输出，由表5可知，模块效率以70%负载率进行选择，其中，6kW功率级别的高频开关电源模块的效率为87.9%，22kW功率级别的高频开关电源模块的效率为88.9%。由变换器的损耗公式P损耗=P功率×(1–η效率)可知，同样容量配置下，集中整流方案的高频开关电源损耗要比分散整流方案的低。

3.2系统谐波含量差异

在地铁车站直流照明配电系统中，两种整流方案都会配置相应数量和规格的高频开关电源模块，而高频开关电源模块因内部电路结构与功率半导体元器件的特性等因素，导致在电源模块工作时会产生调制谐波、交流电网不平衡和奇次谐波流入直流侧产生直流电压谐波的现象[12]；同时，由于直流配电系统的惯性比较低，源荷的功率波动或投切都比较容易导致系统直流电压产生非周期性的波动[12]，进而影响整个系统的稳定工作。以上文提到的地铁车站照明系统的数据和配置为例，在厂内搭建两种测试系统，分别模拟直流照明系统的集中整流方案和分散整流方案，具体结果和测试系统描述如表6所示。其中，测试中选用的高频开关电源模块为以往工程供货中某厂家的6kW、11kW、15kW、22kW四种功率等级；系统使用的交流电源为同一个；负载为LED灯具。

由表6中数据可知，集中整流方案的谐波含量比分散整流方案的略低。但是，值得注意的是此为厂内测试环境，其系统条件工况较优，而实际现场各个高频开关电源模块的运行情况较复杂，不会时刻保持恒定理想状况，并且各模块对系统的影响可能会出现叠加或抵消等不确定情况(即因谐波的相位，会出现分散整流方案的系统谐波含量比集中整流方案低的情况)[13]。笔者将持续关注和跟进地铁车站直流照明系统集中整流方案现场的运行和实测数据。

3.3系统运行可靠性

地铁车站直流照明系统分散整流方案的高频开关电源模块均分散设置于各照明配电室的各直流照明配电箱中，其配电灵活性较高、故障影响范围较小。但是，地铁车站照明配电室的常规设计中，其室内的空间较狭小、通风条件较差、并且位于地下，这不利于高频开关电源模块的散热，尤其是夏天整体温度较高，使得高频开关电源模块在运行中因硬件散热不畅而易出故障导致模块退出(尤其是模块内部电路的控制芯片等器件，热量积累导致器件损坏，模块的控制逻辑等运行策略不能继续实施)，这反而降低了整个直流照明系统的运行可靠性。集中整流方案的高频开关电源模块统一集中设置在0.4kV开关柜室，地铁车站0.4kV开关柜室的常规设计中，室内空间较大且室内配备的空调系统能解决大功率电源模块的散热问题，使得高频开关电源模块的运行工况良好，不会出现因硬件散热不畅而容易出现模块故障退出的问题。同时，在集中整流方案中，当柜中多个高频开关电源模块因故障退出运行时，为了保障重要负荷及重要照明区域的可靠供电，可采取以下措施：通过高频开关电源柜系统微处理器中预设的控制逻辑切除广告照明负荷甚至是部分次要回路或冗余回路的直流馈出断路器，通过联络两个0.4kV开关柜室高频开关电源柜的输出使得两个直流电源点共同向系统中的直流照明负荷供电，通过智能照明控制系统降低灯具的亮度而减少系统电源功率需求，这些措施可提高系统的电源可靠性和供电能力。在集中整流方案中，整个直流照明系统的运行可靠性比分散整流方案的高。

3.4系统造价

地铁车站直流照明系统集中整流方案和分散整流方案的主要成本差异体现在高频开关电源模块容量、配电线缆用量和直流开关器件等方面。

1)高频开关电源造价差异。仍以文中该地铁车站数据为例，基于和集中整流方案高频开关电源容量一样的配置原则考虑，则由表1可知，分散整流方案共需配置258kW容量的高频开关电源模块；而集中整流方案配置了222kW容量的高频开关电源模块。按3000元/kW的容量市场均价计算，集中整流方案需花费66万元，分散整流方案需花费77.4万元，则集中整流方案可比分散整流方案节省11.4万的高频开关电源造价。

2)配电线缆造价差异。两种整流方案的配电线缆用量差异在于0.4kV开关柜室至各照明箱的馈线电缆，两种整流方案的线缆用量、电缆规格由表4可知，其电缆型号为WDZB1-YJY型。按以往工程项目造价计算，0.4kV开关柜室至各照明配电箱的馈线电缆，分散整流方案需花费46.027万元，集中整流方案需花费29.173万元，则集中整流方案可比分散整流方案节省16.854万元的配电线缆造价。

3)开关器件造价差异。直流开关器件主要设置于高频开关电源柜内和照明配电箱中，两种整流方案相比，集中整流方案中多了4个高频开关电源柜中的直流总馈线开关和16个直流分馈线开关，以及两种方案中照明配电箱的进线开关有交、直流类型的区别，则集中整流方案在开关器件上的费用比分散整流方案多约5万元。综上所述，地铁车站直流照明系统集中整流方案可比分散整流方案节省23.254万元。单个地铁车站站点节省约25万元，整线推广的经济效益非常可观。

4结束语

为了解决现有分散整流方案存在的不足，如系统供电可靠性较低、系统电源效率偏低、不便于设备的统一维护，以及简化系统架构和降低配电线缆损耗及电缆造价，提出了地铁车站直流照明系统集中整流方案，并从系统架构、系统电源配置、相较于原交流系统的变动范围、系统造价、系统损耗、系统运行可靠性、系统谐波含量等进行详细论述。研究发现，在集中整流方案中，地铁车站的系统损耗、系统造价、系统运行可靠性等要比分散整流方案更具优势。其中，若将地铁车站直流照明系统的电压等级提高至DC375V，集中整流方案的配电线缆损耗可进一步降低。国内应用的地铁车站直流照明系统尚无采用集中整流方案，可借鉴的案例不足，对于两种整流方案的系统谐波含量、电压偏差等关键电能质量参数对比及采用了集中整流方案的地铁车站直流照明系统的实际运行效果，今后还需进一步深入研究和进行现场实际工程测试。