直流远供的安全性分析与防护措施.doc

直流远供的安全性分析与防护措施杭州中信网络自动化有限公司随着通信技术的发展和网络演进，作为直接连接客户的末梢网元，其运行可靠性直接关系到客户网络的正常使用，末梢网元的供电可靠性直接关系到末梢网络正常运行，为此提出了直流远程供电模式。本文从用户关心的人身安全和电气安全两方面对直流远程供电系统的安全性，结合相关标准进行了分析，并提出了有关安全防护方面的措施。一、远供系统对人身的安全性分析1、触电情形及其安全措施1.1、情形一: 单极性接触远供设备正常工作，线路绝缘良好时，维护人员在MDF、交接箱、分线盒上，操作单对电缆线对，在没有采取任何防护措施的条件下，身体直接或通过金属工具接触供电线路导体。这种情形在接线端子绝缘失效、工具没有绝缘时，出现的机会较大。分析：操作人员与远供系统形成的线路可简化成下图，其中，人体电阻取极度潮湿条件下的1k，人体对地绝缘电阻取最恶劣情况0。该情形下，多人身安全取决于远供输出电压和设备对地绝缘电阻。局端设备输出电压U设备对地绝缘电阻R110 M线路绝缘电阻R2100M人体电阻R31k人体对地绝缘电阻R4：0图11.2、情形二: 线路接地远供线路负(或正)极性的一根带电芯线碰地时，维护人员在MDF、交接箱或分线盒操作时接触另一极性的一对芯线。这种情形在线路受到自然或人为损坏或者维护人员误操作时出现。分析：人体与设备构成的回路可简化成下图，流过人体的电流取决于局端设备输出电压和人体电阻，对人身安全构成的威胁取决于设备输出电压。局端设备输出电压U设备对地绝缘电阻R10M线路绝缘电阻R2100M人体电阻R31k人体对地绝缘电阻R4：0图2.1.3、情形三：双极性接触远供系统正常工作时，维护人员操作时身体不同部位同时操作不同极性的远供用电缆线对，接触到不同极性的导体。这种情形在进行电缆复接割接时，两回线以上端子的绝缘失效并且被同一个人碰到、工具不绝缘时可能出现。局端设备输出电压U140VDC或280VDC人体电阻R31k线路绝缘电阻R2100M设备对地绝缘电阻R110 M远端负载R4 (含CS)图 3分析：维护人员的身体将直接构成远供设备的部分负载，如果远供设备输出电压高于安全电压限值，有可能直接威胁维护人员的生命安全。基站在正常工作时，根据信道占用的多少，功率变化范围很大，远供线路的电流变化范围为几百毫安以上。一般而言，50毫安以下的直流电流可以称作人体允许的安全电流，高于此安全电流时，则直接构成人身威胁。因此由于人体对设备带来的电流变化远小于实际工作电流变化，设备根本无法通过电流的变化而判别人员触电。此种情形下，只有将远供电源的输出电压限定在安全电压范围内，才能解决。没有其他任何的技术监测手段可以解决这个问题。1.4、情形四：线路开路远供线路部分或全部芯线开路，维护人员连接时双手同时接触断开的线头。这种情形在线路受损后，两端线头均被开剥进行接续时出现。人体电阻R31k局端设备输出电压U线路绝缘电阻R2100M设备对地绝缘电阻R110M线路电阻RRRR图 4分析：全部芯线开路时维护人员双手间的电压为远供局端设备的输出电压，此种情况和上述情形（三）情况一样。结论：一、从以上几种涉及安全的情形分析可以看到，由于情形（三）的存在，作为远供电源系统，输出电压必须不高于人体允许的安全直流电压限值。而在此条件下，其他三种情形的安全性均可以得到满足，而不必再考虑对地漏电流、绝缘等问题（因为所有的情形均能保证人体的接触电压在安全电压以下）。 二、在安全电压以上时，如果安全防卫措施到位（严格按照电力施工和维护规程操作）情况下，远供采用浮地供电、确保对地绝缘良好时，能避免因单极碰触引起的触电事故，但不能避免情形三双极碰触下的安全问题。以下具体分析直流安全电压。2、 安全标准要求与规定2.1 ITU-T建议K.50、K51的相关规定(1) ITU-T建议K.50规定：“正常工作条件下RFT-V(注：电压限制型远供电路)应符合下列所有要求：供给一个电信网络的、从任何一个导体对地的稳态开路电压应不超过： 直流140V，或 直流200V，如果短路电流被限制在10mA以下”(原文：The steady state open circuit voltage from each conductor to earth that is supplied to a telecommunication network shall not exceed:140 V dc, or200 V dc if the short circuit current is limited to 10 mA dc)(2) 在ITU-T K.50图A.1(即GB4943-2001图2D)中还规定，在发生单一故障15至200毫秒以内，直流安全电压限值为400V。200ms后，电压必须回落到安全水平。峰值电压U：以V为单位T：以ms为单位T0 = 1ms峰值或直流值正常工作条件下的限值图2 图A.1/K.50（GB4943 图2D）时间T(ms)结论：从该标准可见，远供的对地安全电压为：直流140V，或 直流200V，如果短路电流被限制在10mA以下， 或在发生单一故障15至200毫秒以内，电压能回落到安全水平直流安全电压140V，则限值为400V。2.2 IEC 60950-21的相关规定该标准的主要内容均来自于ITU-T K.50及K.51，其主要区别是对RFT-V电路中，“任何一个导体对地的稳态开路电压”在介于140VDC和200VDC之间的规定：The steady state open circuit voltage between earth and each conductor that normally connect to a telecommunication network shall not exceed:140 V dc, or200 V dc provided that a monitoring and control device is used that limits the current to earth in accordance with 6.2.3.6.2.3 Limits with one conductor earthedIf one conductor of an RFT-V CIRCUIT that normally connects to a TELECOMMUNICATION NETWORK is earthed: - the open circuit voltage between the other conductor and earth shall not exceed the maximum RFT-V CIRCUIT supply voltage after 200ms; and- for RFT-V CIRCUITS whose opencircuit voltage exceeds 140Vd.c. under normal operating conditions, the current between the other conductor and earth, measured through a 20002% resistor, under any external load condition, shall not exceed the relevant line-to-earth limit given in Figure 1. Moreover, this current shall not exceed 10mAd.c. after 10s.结论：从该标准可见，远供的对地安全电压为：直流140V，或 直流200V，但必须提供对地电流监控设备，确保在导体意外接地时对地电流在2ms内降至25mA以下，10s后降至10mA以下；而电压在200毫秒以内，能回落到安全水平直流安全电压140V。2.3 GB 3805的相关规定(1) “本标准所规定的电压限值是指在最不利的情况下(预计到所有应考虑的外部因素，如电网电压的容差等)允许存在于两个可同时触及的可导电部分间的最高电压。可以认为在本标准规定的限值范围内的电压，在相应条件下对人是不会有危险的”。 图3 GB 3805 图1 单故障发生后交流(15100Hz)和直流电压限值结论：1、从图中直流电源的安全曲线A曲线：A环境状况（DC）可以看出，直流安全电压限值为140V。交流电源的安全曲线B、C、D曲线可以看出，按不同接触面大小，交流安全电压限值分别为80V、54V、36V左右，明显低于DC电源安全电压限值。2、在发生单一故障200毫秒时，直流安全电压的限值约为350V(曲线A)， 发生单一故障900毫秒时，直流安全电压的限值约为200V；当直流电压在140200V之间时，电压越低，允许单一碰触的时间越长（从900毫秒到无限长），140V直流时，可以较长时间碰触）有以上相关标准可以得到以下结论：1、直流远供的安全电压为140V，在140V以下，无论是对地、两极性间的碰触均是安全的，无须任何漏电流监测保护设备。2、高于140V时，须按照不同的电压等级，予以及时保护。如在发生单一故障时，200毫秒内能及时保护回到安全电压值（140V）时，直流安全电压的限值约为350V； 900毫秒内能及时保护回到安全电压值时，直流安全电压的限值约为200V。 3、140V以上，电压越高，允许的碰触时间越短。4、由于上述情形三的存在，使得在高于140V进行保护监测时，根本无法在技术上予以判断是否是负载功率变化还是触电引起，因此无法实现有效的保护，因此，在室内分布或其他容易被非电气专业人员碰触的场合，应采用直流140V及以下远供电压；高于140V以上等级电压，所采用线缆和施工、维护措施，要按照有关电力电缆施工维护规程要求，做好人身安全防护工作。二、远供系统对馈电线缆电气的安全性分析1、多种馈电线缆的主要电气安全参数：1.1、通信电缆：国家安全标准要求的0.4 mm通信电缆电流小于400mA，采用多对线馈电、通过每根电缆的电流小于400mA时，可保证馈电线路长期安全工作；在出现过载或线路短路情况时，远供电源局端设备要能提供线路过流保护功能，能及时自动将电源切断，从而保护线缆不会因过热而损坏或烧毁。 1.2、射频同轴电缆：对于移动通信用射频同轴电缆耐压可达DC4000V、1minute，额定峰值功率可达40KW（峰值电压可达到1800V），对于远程供电系统中正常工作时所需的几安培的输出电流显然是非常安全的。而在故障状态下，即使出现短路状况，电缆完全可以承受断路器或保险丝动作前的冲击电流，不会引起电缆因过热而自燃的情况。1.3、电力电缆：对于电力电缆：普通BVV耐电压是300-500V，BVR耐电压是450-575V，如果是电力专用电缆其耐电压更高，每1mm铜电缆可通3-5A的电流，而远供供电电压为140-350V，电流一般在10A以下（使用的馈电电缆为4-6），正常工作时的电流显然也是非常安全的。而在故障状态下，即使出现短路状况，电缆一样可以承受断路器或保险丝动作前的冲击电流，而不会引起电缆因过热而自燃的情况。为进一步防范因电缆引起的火灾安全事故，可以选用铠装阻燃电缆，也可以采用阻燃PVC或钢管单独穿线形式。1.4、复合光缆：这几年开始广泛使用的复合光缆，在结构上，具备了阻燃的基本特性：光缆和电缆集成在钢带环绕的中间，钢带能有效的阻止外部空气的进入，达到阻燃的效果，即使内部出现火花，也能被钢带有效阻止在内部，不会引燃外面的其他缆线或物品，钢带外面为阻燃型PE材料，不会起明火。因此，复合光缆既可以承担光通信，又可以作为电源的传导载体，可以放置在弱电井道，便于布线。2、远供线缆的施工维护安全措施（某电信运行商参考标准）：1. 远供线路电缆截面积及单元芯数应满足远供线路远期工程的需求，电缆材质应满足相关通信行业电缆标准。2. 远供线路电缆应针对敷设场景的不同，选用类型适合在架空、埋地、室内、管井中敷设的电力电缆。3. 考虑到远供线路电缆的实际应用环境并保证今后的耐用性，建议工程中采用铠装耐火电缆。4. 建议谨慎选用性能工艺质量优良的光纤复合低压电缆进行长距离（需要中间复接）线路施工，以避免今后增加维护抢修难度；一般情况下长距离线路施工可采用传统的电缆和传输光缆各自单独布放的形式进行缆线敷设。5. 电缆缆芯介质可选用铜芯或铝芯，由于铝芯材质在等效载流量情况下，相比铜芯电缆质量轻、价格低，且户外的防盗性优于铜芯电缆，建议在户外布放(尤其是架空布放)时使用铝芯电缆替代铜芯电缆。6. 当使用铝电缆时，必须注意做好铜铝转换处的抗氧化工作，以防止接头处老化造成的线路故障。7. 若远供线缆布放线路完全或部分在室外，线缆宜选用带有金属屏蔽层或铠装的阻燃护套线缆；若供电线缆完全在室内布放时，依据场景实际情况可不使用屏蔽电缆；但为防止鼠害、虫害或意外损伤，宜选用铠装阻燃电缆。8. 当远供线路采用架空或直埋方式敷设时，宜选用铠装电缆。9. 远供线路电缆电压耐受等级要求为1KV，拉远线路电缆输送直流电力，建议使用双芯电缆；要求外皮颜色为橙色，且要求电缆厂家在外皮醒目加印“带电危险勿触”的字样；内部双芯线缆外皮颜色分别为红色和黑色，红正，黑负。10. 远供电缆线径规格宜选用1.5mm225mm2为宜，线径规格不宜超过等效25mm2铜芯电缆的规格。附：YD/T1817（征求意见稿）相关安全标准要求DC Remote Feeding Power System for Telecommunication Equipment（IEC 60950-21：2002，Information technology equipmentSafety Part 21: Remote power feeding，NEQ） 正常条件下，远供系统应遵循如下限制： 输出A,端口为对地悬浮式输出，不接地； 远端变换设备输入C端口，对地悬浮，不接地， 远端通信设备输入D端口不接地; 整个通信网络中，每极导体稳态电流应附合IEC 60364-5-523 1983 铜芯电线电缆载流量标准 局端供电设备及远端变换设备均要有监控设备，检测设备及线路工作状态； 5.3.3.2在单一故障下的要求 当出现线路或远端设备（含变换设备或通信设备）故障时，局端设备应能及时检测，并采取相应地保护措施； 故障现象为开路、过流（含短路）、电力线搭接、输出线缆接地等故障时，局端设备应关闭输出，同时给出报警信息； 当局端设备出现过压、过热等故障时，局端设备应关闭输出，同时给出报警信息； 上述故障消除后，局端设备应能自动恢复输出； 5.3.3.3一根导体接地的要求 在远供系统线路出现任一根导体接地情况，应遵循以下限制： 输出线路任一极接地时，应关闭输出，在正常的外部负载条件下，在200ms后测量，应符合图9的限制。 在任何外部负载条件下，另一根导体与地之间的电流，在 接2000*（12%）电阻，应不超过图7的电流限制； 在开始的200ms内，输出电压应遵循图5的限制值 在200ms后，应遵循正常条件下的限制。 任一极接地时，应给出告警信息，并给出接地极性信息。 5.12 工程安装中的安全要求 5.12.1 基本要求 采用远供方式的通信网络应严格限制维护人员接触导体。对于 RFT 电路，安装指导中应标出下列技术规格、标签： RFT电路电压； 在安装期间，在考虑反射叠加情况下，也满足RFT电路电压； 在安装期间，连接在一起的电路应都为RFT-C或都为RFT-V； 在端口A、A、B、