通信电源技术

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B变电站A变电站高压配电设备变压器柴油发电机低压配电设备UPS整流设备蓄电池直流配电屏通信设备通信设备通信设备直流变换器交流配电屏交流配电屏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）COSφ——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）cos38031000PIe•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。市电整流滤波逆变器充电电路蓄电池组输出变压器及滤波器控制、监测、显示、告警及保护电路静态开关UPS输出•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∮*ц)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）ц----保险系数（一般取0.8)UPS电池放电电流计算：–I=（S*COS∮）/（n*V*ц逆)–S----UPS额定输出容量（VA）ц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，－48Vη：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.系统组成接地＋_整流模块整流模块AC输入AC输入整流部分电池部分DC输出DC输出配电部分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）；•η：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；•α：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。251tKITQ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