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通信电源技术 演讲人 李波 2012年12月10日 通信电源系统概述 作为通信系统的 心脏 通信电源在通信局 站 中具有无可比拟的重要地位 它包含的内容非常广泛 不仅包含48V直流组合通信电源系统 而且还包括DC DC二次模块电源 UPS不间断电源和通信用蓄电池等 通信电源的核心基本一致 都是以功率电子为基础 通过稳定的控制环设计 再加上必要的外部监控 最终实现能量的转换和过程的监控 通信设备需要电源设备提供直流供电 电源的安全 可靠是保证通信系统正常运行的重要条件 目录 一 通信电源系统的组成二 交流供电系统三 直流供电系统四 接地系统 第一章通信电源系统的组成 通信电源系统是对通信局 站 各种通信设备及建筑负荷等提供用电的设备和系统的总称 主要由交流供电系统 直流供电系统和相应的接地系统 监控系统组成 通信局 站 供电系统示意图 通信电源系统的组成 交流供电系统 市电交流供电系统 备用发电机组交流供电系统 电力机房交流供电系统 通信交流配电及UPS供电系统 市电交流供电系统包括 变电所 电力线路及电力配电设备组成 直流供电系统 由高频开关整流器 与之配套的交直流配电屏 蓄电池组 直流 直流 DC DC 变换器等设备及其供电母线 通信电源系统组成原理图 二 交流供电系统 1 交流供电系统组成2 交流供电系统设计2 1配电设备设计2 2UPS设计2 3逆变设备设计 1 交流供电系统组成 1 系统组成通信电源的交流供电系统由高压配电所 降压变压器 油机发电机 UPS和低压配电屏组成 交流供电系统可以有三种交流电源 变电站供给的市电 油机发电机供给的自备交流电 UPS供给的后备交流电 2 油机发电机 为防止停电时间较长导致电池过放电 电信局一般都配有油机发电机组 当市电中断时 通信设备可由油机发电机组供电 油机分普通油机和自动启动油机 当市电中断时 自动启动油机能自动启动 开始发电 由于市电比油机发电机供电更经济和可靠 所以 在有市电的条件下 通信设备一般都应由市电供电 3 UPS 为了确保通信电源不中断 无瞬变 可采用静止型交流不停电电源系统 也称UPS UPS一般都由蓄电池 整流器 逆变器和静态开关等部分组成 市电正常时 市电和逆变器并联给通信设备提供交流电源 而逆变器是由市电经整流后给它供电 同时 整流器也给蓄电池充电 蓄电池处于并联浮充状态 当市电中断时 蓄电池通过逆变器给通信设备提供交流电源 逆变器和市电的转换由交流静态开关完成 4 交流配电屏 输入市电 为各路交流负载分配电能 当市电中断或交流电压异常时 过压 欠压和缺相等 低压配电屏能自动发出相应的告警信号 5 连接方式 交流电源备份方式大型通信站交流电源一般都由高压电网供给 自备独立变电设备 而基站设备常常直接租用民用电 为了提高供电可靠性 重要通信枢纽局一般都由两个变电站引入两路高压电源 并且采用专线引入 一路主用 一路备用 然后通过变压设备降压供给各种通信设备和照明设备 另外还要有自备油机发电机 以防不测 一般的局站只从电网引入一路市电 再接入自备油机发电机作为备用 一些小的局站 移动基站只接入一路市电 配足够容量的电池 油机为车载设备 2 交流供电系统设计 2 1 配电设备设计 交流配电屏容量计算 Ie 交流配电屏额定电流 A P 交流配电屏保证的交流负荷远期最大值 KW COS 功率因素 一般取0 82 2 UPS设计 1 UPS的工作原理UPS主要是由 整流滤波电路 充电器 逆变器 输出变压器及滤波器 静态开关 蓄电池组和控制 监测 显示告警及保护电路组成 如下图 市电正常时 输入电压经过整流滤波电路 一路给逆变器提供电压 一路送入充电器给蓄电池充电 此时 静态开关切换到逆变器端 由逆变器完成稳压和频率跟踪功能 当市电出现故障 UPS工作在后备状态 静态开关仍然切换在逆变器端 由逆变器将蓄电池的直流电压转换成交流电压 通过静态开关输出到负载 市电正常时 输入电压经过整流滤波电路 一路给逆变器提供电压 一路送入充电器给蓄电池充电 此时 静态开关切换到逆变器端 由逆变器完成稳压和频率跟踪功能 当市电出现故障 UPS工作在后备状态 静态开关仍然切换在逆变器端 由逆变器将蓄电池的直流电压转换成交流电压 通过静态开关输出到负载 当市电正常 逆变器出现故障或输出过载时 UPS工作在旁路状态 静态开关切换到市电端 由市电直接给负载供电 2 UPS系统常用的UPS系统一般分为两大类 备用冗余系统和并联冗余系统 备份冗余系统中 一台电源装置供电 另外几台备用 一旦正在运行的电源装置发生故障 备用电源装置立即投入工作 并联冗余系统中 多台电源装置并联供电 在正常工作状态下 每台电源装置的输出功率都低于它的额定输出功率 3 UPS容量计算P入 P出 COS COS 功率因数 一般取0 8 P出 额定输出功率 KVA P入 输入功率 KVA 保险系数 一般取0 8 UPS电池放电电流计算 I S COS n V 逆 S UPS额定输出容量 VA 逆 逆变器效率 一般取0 8 0 85 n 蓄电池只数COS 功率因数 1 20KVA为0 7 20 120KVA为0 8 V 蓄电池放电终止电压 2V电池对应1 8V 12V电池对10 8V 蓄电池容量计算 Q KCIC 电池容量计算系数 查表 I 电池放电电流K 保险系数 取值范围1 2 1 67 2 3 逆变器设计 1 逆变器的分类 逆变器可分为两类 一类是UPS电源中的逆变器 一类是通信逆变器 二者的区别仅在于输入 输出电压或频率量不同 UPS逆变器输入直流电压高 而通信输入为 48V UPS逆变器一般输出为50Hz 单相220V或三相380V 而通信逆变器除上述输出外 还有铃流发生器输出为25Hz 75V 且失真度要求也稍低 但两类逆变器的本质是一样的 都是把由市电整流滤波后的直流或蓄电池的直流电 逆变成频率稳定 电压稳定 波形失真小的交流电 2 逆变器输入电流计算 I 逆变器输入电流P 逆变器输出功率U 逆变器输入电压 48V 整流器效率 一般取80 第三章直流供电系统 1 系统组成2 直流系统设计2 1蓄电池设计2 2整流器设计2 3直流电力线设计 1 系统组成 通信设备的直流供电系统由高频开关电源 AC DC变换器 蓄电池 DC DC变换器和直流配电屏等部分组成 1 油机发电机 从交流配电屏引入交流电 将交流电整流为直流电压后 输出到直流配电屏与负载及蓄电池连接 为负载供电 给电池充电 2 蓄电池 交流停电时 向负载提供直流电 是直流系统不间断供电的基础条件 3 直流配电屏 为不同容量的负载分配电能 当直流供电异常时要产生告警或保护 如熔断器断告警 电池欠压告警 电池过放电保护等 4 DC DC变换器 DC DC变换器将基础电源电压 48V或 24V 变换为各种直流电压 以满足通信设备内部电路多种不同数值的电压 5V 6V 12V 15V 24V等 的需要 通信设备所需的工作电压有许多种 这些电压如果都由整流器和蓄电池供给 那么就需要许多规格的蓄电池和整流器 这样 不仅增加了电源设备的费用 也大大增加了维护工作量 为了克服这个缺点 目前大多数通信设备采用DC DC变换器给内部电路供电 DC DC变换器能为通信设备的内部电路提供非常稳定的直流电压 在蓄电池电压 DC DC变换器的输入电压 由于充 放电而在规定范围内变化时 直流变换器的输出电压能自动调整保持输出电压不变 从而使交换机的直流电压适应范围更宽 蓄电池的容量可以得到充分的利用 5 连接方式 直流供电方式蓄电池是直流系统供电不中断的基础条件 根据蓄电池的连接方式 直流供电方式主要采用并联浮充供电方式 尾电池供电方式 硅管降压供电方式等等基本不再使用 并联浮充供电方式是将整流器与蓄电池直接并联后对通信设备供电 在市电正常的情况下 整流器一方面给通信设备 一方面又给蓄电池充电 以补充蓄电池因局部放电而失去的电量 当市电中断时 蓄电池单独给通信设备供电 蓄电池处于放电 由于蓄电池通常处于充足电状态 所以市电短期中断时 可以由蓄电池保证不间断供电 若市电中断期过长 应启动油机发电机供电 这是最常用的直流供电方式 采用这种工作方式时 蓄电池还能起一定的滤波作用 但这种供电方式有个缺点 在并联浮充工作状态下 电池由于长时间放电导致输出电压可能较低 而充电时均充电压较高 因此负载电压变化范围较大 它适用于工作电压范围宽的交换机 2 直流系统设计 2 1蓄电池设计2 1 1蓄电池基本工作原理蓄电池组成蓄电池由正 负极板组 电解液和电池槽等部分组成 正极板上的活性物质是二氧化铅 PbO2 负极板上的活性物质是海绵状铅 Pb 电解液由蒸馏水和纯硫酸按照一定的比例配置而成的 当电解槽中装入一定密度的电解液后 正负极板上的活性物质开始和电解液进行一系列的化学反应 正负极板上形成2 1V的电位差 该电位差就是蓄电池的电动势 E 所以在蓄电池充电时 外接直流电源的电压应高于蓄电池的电动势 放电过程中的电化学反应蓄电池放电过程中总的电化学反应为 PbO2 2H2SO4 PbPbSO4 2H2O PbSO4蓄电池在放电过程中 正负极板上的活性物质都不断转变成PbSO4 由于硫酸铅的导电性能比较差 所以放电后 蓄电池的内阻增加 此外 在放电过程中 由于电解液中的硫酸铅逐渐变成水 所以电解液的密度逐渐下降 因此蓄电池的内阻增加 电动势降低 放电终了时 蓄电池的端电压下降到1 8V左右 充电过程中的电化学反应PbSO4 2H2O PbSO4PbO2 2H2SO4 Pb充电过程中 电解液的密度逐渐增加 蓄电池的电动势逐渐增加 充电后期 极板上的活性物质大部分已经还原 如果继续大电流充电 充电电流只能起分解水的作用 这样 负极板上将有大量的氢气逸出 正极板上将有大量的氧气逸出 蓄电池产生剧烈的冒气 蓄电池的各种定义 1 蓄电池容量的定义蓄电池放电到终了电压时 蓄电池放出的电量 即放电电流If与放电时间t的乘积 称为蓄电池的容量 用C表示 单位为 Ah 安时 容量系列 100 150 200 300 500 1000 1500 2000 3000 2 蓄电池充电率的定义蓄电池充电电流的大小通常用充电率表示 比如10小时率充电电流即表示 用该电流充电 10小时后充入蓄电池的电量等于蓄电池的额定容量 因此 10小时率充电电流为 Ic C 10 0 1C 3 蓄电池放电率的定义放电率是针对蓄电池放电电流大小而言的 2 1 2蓄电池容量计算Q 蓄电池容量 Ah K 安全系数 取1 25 I 负荷电流 A T 放电小时数 h 放电容量系数 t 实际电池所在地的最低环境温度数值 有采暖设备时 按15 考虑 无采暖设备时 按5 考虑 电池温度系数 电解液温度以25 为标准时 放电小时率 10时 取0 006 10 放电小时率 1时 取0 008 1时 取0 01以上公式可以简化成 Q KCI其中C为容量计算系数 2 1 3电池备份方式电池备份分为无备份和1 1备份两种 无备份时 一组电池可以满足放电小时数 1 1备份时 任何一组电池损坏都可以满足放电小时数 有时为了选型方便或运行安全 将单组电池容量分成两组电池 每组电池可以满足一半的放电小时数 2 2整流器设计整流器容量及数量配置如果局站近期负荷小 终期负荷大 为了减小近期投资额 可以按照近期负荷容量I进行设计 整流器容量IZ配置计算公式如下 IZ I 负载电流 K Q 均充电流 其中IZ 计算的整流器总容量 单位安培 近期或终期负荷电流 单位安培 电池备用系数 无备份取1 1 1备份取2 充电系数 取值范围为0 1 0 2 10小时放电率电池容量 单位Ah 整流器的配置个数N的确定通过IZ与单体整流器容量的比值取整计算得出 根据备用方式确定最后需要配置的整流器数量采用高频开关整流器的局 应按n 1冗余方式确定整流器配置 其中n只主用 n 10时 1只备用 n 10时 每10只备用1只 整流模块数目 注 对于1000A以上的系统 每十个模块冗余一个 电池均充电流 总输出电流 IM 模块额定电流CEIL 向上取整 如3 3 4 整流模块数目计算 2 4直流电力线设计2 4 1 电流矩法2 4 2 固定压降分配法 应其简便 工程中常用 当某段压降确定后 可以采用以下公式计算所需的电缆截面积 S I L 2 V 其中 S 电缆截面积 单位平方毫米 I 最大工作电流 单位安培 电导率 铜 57 铝 34 V 最大允许压降 单位福特 2 4 3 直流供电各段压降的分配宽电压 窄电压 第四章接地系统 1 接地的目的及原则 2 接地的种类及作用3 接地电阻值的确定4 接地系统的组成及连接4 1接地系统的组成4 2接地系统的连接5 接地体的设计及连接5 1接地体的设计原则5 2接地体和接地导线的选择 1 接地的目的及原则为保证通信系统的安全和信息数据的可靠传输 同时为了抑制电磁干扰 提高信息系统的电磁兼容性 接地是最主要技术措施之一 机房内采用总等电位连接 建筑物各部位采用局部等电位连接 并采用共用接地系统 2 接地的种类及作用通信系统机房内电子 电气设备的接地按其作用可分为功能性接地和保护性接地 功能性接地种类 工作接地 逻辑接地 屏蔽接地 信号接地 作用是保障设备正常稳定工作并抑制干扰 保护性接地种类 防雷 防电击 防静电 防电蚀 等电位接地 作用是保护设备人身安全 3 接地电阻值的确定3 1 不同用途的接地系统 共用一个总接地系统时 接地电阻应满足其中最小值的要求 3 2 对功能性接地一般由通信系统设备要求决定 常见要求R 2 1 0 5 3 3 对保护性接地按其重要性和安全性决定 防雷接地R 30 10 4 防电击R 4 防静电R 100 4 接地系统的组成及连接4 1接地系统的组成电气设备或金属部件对一个接地系统的连接称为接地 一个接地系统由大地 接地引入线 接地汇流排 接地配线和接地点汇集线组成地接地系统中所指的地 即一般的土壤 不过它具有导电的特性 并具有无限大的电容量 可以用来作为良好的参考电位 土壤的导电特性用电阻率来衡量 其主要取决于土壤类型 接地体为使电流入地扩散而采用的与土壤电气接触的金属部件称为接地体 接地体一般采用镀锌钢材 规格如下 钢管壁厚 不小于3 5mm角钢 不小于50 50 5mm扁钢 不小于40 4mm圆钢直径 不小于8mm接地体之间的所有焊接点均应做防腐处理 接地体埋深不小于0 7m 接地系统中的垂直接地体 宜采用长度不小于2 5m的镀锌钢材 接地引入线把接地极连接到地线汇流排上的导线称为接地引入线 接地引入线宜采用40 4或50 5的镀锌扁钢 接地总汇集线 1 接地总汇集线可用接地汇集环或汇集排 汇集环安装在地下室或底层 距离墙面为50mm左右 汇集排安装在电力室 2 接地总汇集线的截面积应根据最大故障电流确定 一般采用截面积不小于120mm2的铜排或相同电阻值的镀锌扁钢 3 根据需要 可在大楼相应层或设备层内设置接地分汇集线 接地配线把必须接地的各部分连接到地线排或地线汇流排上的导线称为接地配线 1 直流电源接地线的截面积 应根据直流供电回路允许电压降确定 2 设备保护地线的截面积 一般选用35 90mm2的多股铜导线 3 接地线两端的连接点应确保电气接触良好 并应做防腐处理 4 严禁在接地线中 交流中性线中加装开关或熔断器 5 严禁利用其他设备作为接地线电气连通的组成部分 6 由接地总汇集线引出的接地线应设明显标志 4 2接地系统的连接通信设备的保护接地1 机房内通信设备及其供电设备正常不带电的金属部分 进局电缆的保安装置接地端以及电缆的金属护套均应做保护接地 2 数字通信设备的机架保护接地 应从接地总汇集线或机房内的分接地汇集线引入 并防止通过布线引入机架的随机接地 天线 馈线的上端和进入机房的入口处均应就近接地 通信电源的接地1 电力室的直流电源接地线必须从接地总汇集线上引入 2 机房的直流电源接地垂直引入线长度超过30m时 从30m处开始 每向上隔一层与接地端连接一次 3 在电力变压器高 低侧 除应设保安防雷装置外 宜采用三相五线制引入电力室 该变压器机壳与低压侧中性点汇集后 就近接地 中性线不准安装熔断器 4 引入大楼的交流电力线