运营商核心通信电源系统原理.ppt

传送网络维护室陈永富 通信电源基础 通信电源系统是对通信局站内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 主要由高压供电系统 变压器系统 低压供电系统 备用发电系统 不间断电源系统 直流系统 空调系统 接地防雷系统以及动力环境监控系统等多个子系统组成 通信电源概述 通信电源系统组成 通信电源系统由高压配电 变压器 柴油发电机组 整流器 交 直流配电屏 UPS电源 蓄电池组 变换器和通信设备配电屏组成 高压配电 变压器 低压配电屏 柴油发电机 交流配电屏 整流器 直流配电屏 蓄电池 DC DC DC AC 通信设备 UPS电源 通信电源系统方框图 10KV市电 380V 48V AC380 220V 380V AC380V 动力与环境监控 380V 保证建筑负荷 一般建筑负荷 通信用空调 AC380 220V AC380 220V 48V DC 48V b b a a a a b c AC380 220V b a 不间断 b 可短时间中断 c 允许中断 变电站 1 通信电源向通信设备提供直流电或交流电的电能源通信电源是通信设备的重要组成部分 是保证通信畅通的基础 2 通信电源系统和设备稳定 可靠地运行和优质供电是保证通信网络正常运行的重要条件 3 通信电源的瞬间中断都有可能造成整个通信系统的中断和瘫痪 造成难以估计的损失 通信电源重要性 通信电源通常被称为通信的 心脏 在通信局 站 中 具有无可比拟的重要地位 通信电源重要性 把通信电源比喻为人体中的心脏 把流向各种通信设备的电流比喻成人体血管中流动的血液 是非常形象的 通信系统对电源的要求 通信设备对电源系统的一般要求 1 高可靠性 必须保证连续供电 不能有任何的中断 2 高稳定性 通信设备都有一定的电压变化范围 不能超出 另外 通信设备对电压波动 杂音电压 瞬变电压等非常敏感 3 小型 高效率效率高意味着热损耗低 功率密度大 有利于节能 减小站地面积 减少其它方面的投资 通信电源使用安全 1 高压部分使用安全高压一般指1KV以上电压 2 低压部分使用安全低压一般指1KV以下的低压 1 1 保持与高压设备距离大于安全距离 1 2 在高压设备工作 巡检 操作等必须严格遵守 电业安全工作规程 执行工作票制度 严格按照工作票流程操作 1 3 严禁无证人员靠近 操作 维护高压设备 通信系统常见的为 交流 380V 220V 110V 直流 48V 24V 12V 2V 通信电源使用安全 2 1 人身安全人体电阻约为1700欧姆 人体的摆脱电流约为30mA 人体安全电压在50V以下 接触低压设备 可能发生触电 常发生的低压触电为 单相触电 两相触电 防止触电事故方法 1 带证上岗 验电后操作 2 避免接触安全带电设备 2 2 设备安全常见低压设备故障 短路 过载 雷击 均可造成通信电源负载掉电 严重影响通信设备业务 短路的预防 提高电源设备的绝缘水平 防止设备间的短路 操作维护注意正负极 火线 火零的距离 防止人为操作造成短路 过载的预防 对电源使用进行容量预警管理 加电或扩容前进行周密的容量计算 雷击的预防 按照维护规范造好防雷和接地系统的建设 维护 直流供电系统 交流电 电压 电流大小和方向随时间不断变化三相电字母表示 A B C N GND 或U V W N GND 相电压 火线与中线间电压 220VAC 线电压 两火线之间的电压 380VAC 交流电压表 电流表的刻度为有效值 电源按性质分交流电 直流电两种 t 直流电 大小和方向不随时间而变化 恒定不变的电压或电流 三相交流 交换 传输 基站等通信设备采用直流供电 直流电 u U0 t i I0 直流供电系统 t 交流配电屏 蓄电池组 蓄电池组 整流屏 通信设备 直流配电屏 直流供电系统 t 1 交流配电屏 主要负责市电输入切换 防雷等 2 整流屏部分 主要作用是把交流电源转换为直流电源 3 蓄电池部分 主要负责在市电断电后向负载供电 4 直流配电部分 主要负责电源的配出和电源的保护 整流器 监控模块 整流架 交流配电柜 直流配电柜 分立开关电源 监控模块 整流模块 交流配电柜 直流配电柜 分立开关电源 整流模块 核心 AC DC交流配电 分配交流电直流配电 分配直流电监控模块 监测 管理 直流配电单元 整流模块 监控模块 交流配电单元 组合开关电源 100A 25A 50A 整流模块功能 AC DC变换 提供24V 48V直流输出 模块外观 监控模块功能 检测 控制 告警 保护 通讯 电池管理 开关电源系统 t 交流屏 整流屏 直流屏 监控模块 整流模块 电压等级 48V 交换 传输 接入网电源 24V 部分基站电源 爱立信 系统结构 分立机柜和组合电源 工作方式 48V 浮充53 5V 均充56 4V24V 浮充27V 均充28V 目前高频开关整流器在技术上已相当成熟 由于具有小型 轻量 高效 高功率因数和高可靠性等优点 高频开关整流器机架的输出功率大 机架上装有监控模块 与计算机相结合组成智能型电源设备 开关电源系统 t 1 为什么是 48V 2 为什么标称 48V电源而实际使用 53 5V t 1 为什么是 48V 首先 电压为什么是48V 使用 48V电源是历史原因造成的 使用最早的通讯网是电话网 话机是由电讯局供电的 选48V是在当时的条件下尽可能提高用户到端局的距离 36V是安全电压 超过太多不安全 后来为了兼容早期设备 降低成本考虑 局端通讯设备还是用 48V电源 顺便提一下 48V电源系统只是我国和大部分国家采用的通信电源标准 并非所有国家都使用这个标准 例如俄罗斯会使用 60V的电源系统 还有某些国家使用 24V的电源系统 市电的标准在世界范围内也是不同的 例如我国和欧洲等采用220V的市电系统 美国 日本等是110V的市电 极性为何是负电源 也就是正极接地 正极接地主要是为了防止电极的腐蚀 电话局蓄电池组 48V或 24V是正极接地 其原因是减少由于继电器或电缆金属外皮绝缘不良时产生的电蚀作用 使继电器和电缆金属外皮受到损坏 因为在电蚀时 金属离子在化学反应下是由正极向负极移动的 继电器线圈和铁芯之间的绝缘不良 就有小电流流过 电池组负极接地时 线圈的导线有可能蚀断 反之 如电池组正极接地 虽然铁芯也会受到电蚀 但线圈的导线不会腐蚀 铁芯的质量较大 不会招致可察觉的后果 正极接地也可以使外线电缆的芯线在绝缘不良时免受腐蚀 注 隐含条件是继电器铁芯接地 蓄电池 t 储存电能的一种设备 将充电时得到的电能转化为化学能储蓄起来 又能及时将化学能转变为电能 电池立放 电池卧放 蓄电池原理 t 目前常用阀控式密封铅酸蓄电池 VLRA PbQ2 2H2SO4 PbPbSO4 2H2O PbSO4 充电 放电 蓄电池作用 t 直流通信设备供电是从交流配电屏引入交流进入整流器进行整流 整流器的输出端直流通过直流配电屏与蓄电池和负载连接 整流器输出与蓄电池并联后对通信设备供电 如果没配蓄电池 交流电中断时 整流器无直流输出 直流供电的通信设备供电中断 蓄电池在通信系统中的作用和地位 1 平滑滤波市电正常时 虽然蓄电池不担负向通信设备供电的主要任务 但它与供电主要设备 整流器并联运行 能改善整流器的供电质量 2 储能设备当市电异常或在整流器不工作的情况下 由蓄电池单独供电 担负起对全部负载供电的任务 起到备用作用 蓄电池是作为通信系统供电的最后一道保证 是维持正常通信的最后一道屏障 开关电源蓄电池系统 t 电池类型 2V开关电源蓄电池系统 每组24个单体串联2组并联浮充电压 2 23伏 2 27伏 单体 25 均充电压 2 33伏 2 37伏 单体 25 电压需依照环境温度的变化 而作相应调整 蓄电池工作方式 浮充工作均充工作电池放电工作 开关电源蓄电池系统 在直流电源系统中 蓄电池采用全浮充工作方式 在市电正常时 蓄电池与整流器并联运行 蓄电池自放电引起的容量损失便在全浮充过程被补足 这时 蓄电池组起平滑滤波作用 因为电池组对交流成分有旁路作用 从而保证了负载设备对电压的要求 在市电中断或整流器发生故障时 由蓄电池单独向负荷供电 以确保通讯 t 浮充工作 53 5V 是指电池与负载并联 处于备用状态 由充电设备同时给电池与负载供电的过程 浮充时的电压叫浮充电压 当电池处于充满状态时 充电器不会停止充电 仍会提供恒定的浮充电压与很小浮充电流供给电池 因为 一旦充电器停止充电 电池会自然地释放电能 所以利用浮充的方式 开关电源蓄电池系统 t 均充工作 56 4V为了均衡电池组中各个电池的端压 比重所进行的充电 以定电流和定时间的方式对电池充电 充电较快 均充电压与浮充相比要大 它能保证在相对较短的时间内使放过电的电池能充足电 使蓄电池达到满容量的状态 同时在这个电压下又不会对蓄电池造成过充电 从而使充电对蓄电池造成损坏达到最低程度 1 电池放电后自动进入均衡工作状态 提高系统电压充电 加快蓄电池的充电速度 2 全浮充运行6个月电池组防止出现落后电池 为了迫使各单体电池的特性均衡 保持端压内阻一致性 自动进入均充工作状态 开关电源蓄电池系统 t 电池放电工作 图1蓄电池放电曲线 从图1可以看出 在放电初期电池端电压下降是比较快的 在放电10分钟 电压下降到53 0V 大约半小时后 电池端电压降至49V左右 1小时后降至48V 蓄电池在48V时 放电时间最长 大约要持续7到8小时 8小时后 蓄电池端电压开始下降 下降速度比较快 降至43 2V时系统直流断路器断开 以便保护蓄电池 此时蓄电池端电压会有所上升 上升值约为5V左右 UPS系统 t 1为什么要使用UPS 为了保护重要设备 网络 服务器 计算机 免受断电及市电电网中存在干扰的影响 不至造成数据丢夭 硬件损坏 控制误动 传输误码率降低等不良后果 2什么是UPS UPS是英文UninterruptablePowerSystem的缩写 中文名叫不间断电源 UPS是连接在负载和市电之间一种电源设备 它的功能是保证向负载提供持续不间断高质量的交流电源 3UPS的主要作用是什么 市电故障时 通过电池放电和逆变器输出 维持继续向负载供电 用于保证供电的连续性 可以等效为一台发电机 市电正常时 UPS是一个具有稳频稳压功能的高性能滤波器 保证向负载提供无动静态干扰的纯正弦波的高品质交流电源 原理 AC DC AC 输出的交流电更干净 UPS 小 中 大功率系列 小功率UPS设备 主要用于大客户及小型计算机房 小容量需求通信机房 办公等场合 中等功率UPS设备 主要用于部分本地网中等容量需求通信机房 大容量UPS设备应用于大的IT机房 IDC机房等 模块化UPS设备 用于前期负荷较小随IT设备增加逐步增加负荷的场合 UPS系统组成 UPS系统组成 t UPS系统由整流器 逆变器 蓄电池 静态开关等组成 整流模块 AC DC 和逆变器 DC AC 都为能量变换装置 蓄电池为储能装置 除此还有间接向负载提供市电电源 或备用电源 的旁路装置 静态开关 负载 整流器 逆变器 蓄电池 市电 市电 UPS系统组成 t 整流器 将输入的交流电转化为恒定电压的直流 一路给蓄电池进行补充电 一路送给逆变器以便转化为交流供给负载使用 逆变器 将整流器或蓄电池送来的直流转化为交流输出 以便供给负载使用 蓄电池 能量储存装置 作用是市电供应中断时 能通过逆变器继续向负载维持交流电能的供给 静态开关 二路输入一路输出的高速转换开关 转换时间可认为是零毫秒 二路输入分别是逆变器和市电送来 输出送至负载 维修旁路开关 以便UPS常规保养或故障检修时 在不中断负载运行条件下将UPS退出运行并与系统隔离 保证操作时设备和人员的安全 静态开关 负载 整流器 逆变器 蓄电池 市电 市电 UPS系统 t 按工作方式分 后备式和在线式 1 市电正常时 UPS处于后备状态 由市电直接向负载供电 同时 市电经整流后向蓄电池浮充电 逆变器不工作 静态开关 负载 整流器 逆变器 蓄电池 市电 后备式UPS工作原理 UPS系统 t 后备式UPS工作原理 2 市电停电时 蓄电池才对逆变器充电 并由UPS的逆变器向负载提供交流电 静态开关 负载 整流器 逆变器 蓄电池 市电 优点 结构简单 价格便宜 噪声低 缺点 只有在蓄电池供电的有限时间内 负载方可得到高质量的交流电压 当市电异常 市电电压 频率超出后备式UPS允许的输入范围或市电中断 时 后备式UPS通过转换开关切换到电池状态 逆变器进入工作状态 此时输出波形为交流正弦波或方波 后备式UPS存在切换时间 一般为4毫秒 10毫秒 但对一般的计算机设备的工作不会造成影响 UPS系统 t 按工作方式分 后备式和在线式 在线式UPS工作原理 1 市电正常时 市电电源经整流变换成直流电 直接驱动逆变器向负载供电 同时也给蓄电池充电 静态开关 负载 整流器 逆变器 蓄电池 市电 UPS系统 t 按工作方式分 后备式和在线式 在线式UPS工作原理 2 当市电停电时 由蓄电池放电驱动逆变器工作 对逆变器而言 它的输入端电压一直存在 故负载可不间断供电 静态开关 负载 整流器 逆变器 蓄电池 市电 3 当整流器 逆变器 蓄电池中任何部件故障或者负载故障过载时 由静态开关将负载转换至旁路 UPS并机原理 UPS并联条件 两台型号 功率相同 电压 频率 相位一致 具备同步锁相 均流及并联管理等功能 UPS并联目的 提高供电系统的安全性 可靠性 1 1并联冗余运行模式 两台UPS均正常时 各承担50 的负载 当其中某一台UPS故障 由另外一台承担全部负载 当两台UPS均故障或过载时 市电经静态旁路开关直接对负载供电 UPS1 UPS2 输入配电屏 输出配电屏 市电输入 负载 UPS系统蓄电池 t 单体电压 12V 蓄电池内部为6个2V并联 根据不同厂家逆变器电压范围不同 每组电池数量不同 一般30 32和40只单体串连 电压为360V 384V或480V 一般每台UPS系统配套2至3组 思考 t 1 开关电源和UPS系统有什么异同 2 开关电源和UPS系统是如何实现其高可靠性 常见的通信电源设备 高压配电柜 由进线柜 计量柜 出线柜 母联开关柜 隔离开关柜 操作电源柜等组成 高压配电功能 实现两路高压市电安全可靠的引入 任一路市电停电不影响后级设备 变压器 的正常运行 在高压配电设备 变压器单台故障或者检修时 保障负载能安全的供电 变压器 变压器是一种利用电磁互感应 变换电压 电流和阻抗的器件 由铁芯 线圈 绝缘 引线 冷却装置和调压保护装置组成 通信机房均为降压型变压器 将10KV高压电降压 输出380V低压交流电源 变压器分类 干式和油浸式 干式变压器 带有温控器 自动检测温度高时开启风机冷却 适用于容量较大场所 400KVA以上 油浸式变压器 带有油箱 油枕 适用于容量较小场合 400KVA以下 油浸式 干式 变压器 低压配电设备 进线柜 电容补偿柜 市电油机ATS转换柜 母联开关柜 出线柜 负载分配柜 组成 低压配电功能 1 实现变压器输出电源安全可靠的分配到楼层 2 实现保障两路市电停电后油机安全的接入发供电 3 配置电容补偿柜 进行无功补偿 提高功率因数 4 设置母联开关柜 任一台变压器 进线柜故障或检修 不影响后级负载的运行 低压配电设备 油机发电机组 由发动机 发电机 控制和配电系统三大部分构成 发动机 油机 结构 燃油供给系统 配气机构 曲轴连杆机构 润滑系统 冷却系统 启动系统六大部分组成 油机发电机组功能 在市电停电后 输出380 220V 频率为50HZ的稳定交流电 提供备用交流电源 油机发电机组设备 安装方式 1 固定机组 2 移动机组 便携式 5 15kw 拖车式 20 200kw 车载式 20 500kw 内燃机 1 柴油机 2 汽油机 3 煤气机 按转速分类 1 低速 750转以下 分钟 2 中速 750 1000转 分钟 3 高速 1000以上转 分钟通信用油机 1500转 分钟 油机发电机分类 柴油发电机组 通风 烟管 油机房降噪 油机铭牌 油机输出线 柴油机发电机组设备 44 3 各部分工作过程 45 高低压配电 市电 油机 交流配电屏 整流器 整流器 直流配电屏 蓄电池 逆变器 变换器 通信设备 交流设备 其它设备 10KV 380V 48V B 市电停电 油机尚未启动