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发布时间:2021-04-07 16:56:35

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作者:刘宝庆主编

出版社:出版服务编辑部

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现代通信电源技术及应用

现代通信电源技术及应用试读:

前言

2003年,中讯邮电咨询设计院编写了《通信电源技术培训教材》,以下简称《教材》,在运营商通信电源专业人员培训中,发挥了较大的作用,深受欢迎。多年过去了,通信电源技术不断发展,《教材》也需要更新了。2010年6月,中国联通通信电源培训基地建成,当月开始培训。培训基地编写了多种专题培训教材,但基础教材仍用了《教材》。广大学员迫切要求修订基础教材。中讯邮电咨询设计院有限公司电源与节能研究中心汇集了多名专家和培训教师,修订《教材》。在修订过程中,增加了许多最新通信电源技术的发展和应用内容,故将《教材》更名为《现代通信电源技术及应用》。《现代通信电源技术及应用》就内容说,有三个特点:三成新,三成旧,三成不变。三成新,是说与《教材》相比,有新内容。比如,谐波治理、四极ATS、低压保护选择性、高压发电机组、汽油发电机组、UPS的最新技术发展、双母线UPS、高压直流供电系统、磷酸铁锂电池、最新空调技术、最新动力环境监控技术、节能减排技术、电源设备检测技术,都是本书的新内容。三成旧,是说一些成熟的技术仍然是构成通信电源系统的重要元素,本书予以继承。如分散供电、功率因数电容电抗补偿、谐波对UPS及柴油发电机组的影响、燃气轮机发电机组、阀控电池、机房空调、联合接地等,本书保留了这些内容,并予以修订。三成不变,是说通信电源的理论基础、系统的基本结构、设备的基本原理是相对稳定的,本书予以继承。如电源系统的可靠性基础,市电的分类,发电机、开关电源、电池的原理及结构等,本书作为基础知识收录,并予以修订。另一方面,一些旧技术现在已基本不用或很少使用,本书不再保留,如逆变器、稳压器等。

本书共有十一章。第一章通信电源系统及主要设备的作用;第二章变配电系统;第三章备用发电机组与太阳能供电系统;第四章UPS交流不间断电源系统;第五章直流供电系统;第六章防雷与接地;第七章通信局(站)动力、空调及环境集中监控系统;第八章机房空调;第九章通信电源工程建设;第十章通信电源节能技术;第十一章主要通信电源设备的检测。

为了编写本教材,中讯邮电咨询设计院电源与节能研究中心成立了编写组。主编刘宝庆,编审刘希禹,顾问朱雄世。刘希禹、范俊谱编写第一章,张清泉、滕达编写第二章,刘宝庆、崔荣春编写第三章,刘希禹、迟永生编写第四章,王伟、李宝奇编写第五章,华京编写第六章,侯永涛、殷琪编写第七章,李红霞、许伟杰编写第八章,孔力、朱清峰编写第九章,吕威、王路编写第十章,曹涛、刘艳、冯保全编写第十一章。《现代通信电源技术及应用》编写组2011.12第一章通信电源系统及主要电源设备第一节 通信电源系统的重要性和可用性要求一、概述

通信电源系统是通信系统的一个组成部分,常被称为通信系统的“心脏”,这说明通信电源系统在通信系统中占有极为重要的地位。

只有在各个通信设备正常供电的情况下,整个通信系统才能正常运行。如果通信电源系统发生故障,致使供电质量下降或供电中断,通信系统就不能正常运行,必然引发通信系统的故障。通信系统的故障将会造成巨大的经济损失和不可估量的政治影响。因此,对于电信运营商而言,在一定意义上,通信电源是头等重要的。可以说,“没有通信电源,就没有通信业务,就没有经济效益”。所以,为了保证通信畅通,必须对通信电源给予足够的重视,并采取各种必要的措施,以达到通信电源的高可用性的要求。

通信供电系统必须能稳定、可靠、安全地供电,确保在任何情况下通信设备不断电。通信供电系统的结构应十分完善,必须由主用电源和备用电源组成。主用电源一般是两路或一路市电电源,备用电源又分为长时间备用电源和短时间备用电源。短时间备用电源一般是蓄电池等储能装置;长时间备用电源是自备柴油发电机组或燃气轮机发电机组。在正常情况下,通信电源系统将市电电源经过适当的变换和调节,为通信设备提供稳定可靠的电源;市电电源故障时或电源变换和调节设备发生故障时,先由短时间备用电源供电(由储能装置直接供电或经电力变换装置供电);当市电长时间故障时,自备发电机组启动供电。配置这些电源设备和完善的电源系统的目的,就是为了提高通信电源系统的可用性,不间断地满足各种通信设备的动力需求,保证通信畅通,万无一失。二、通信电源系统的可用性要求

电信系统、数据通信系统和通信电源系统常常以“几个9”表示系统的可用性(A),可用性是指一年内系统正常运行的时间占全年时间的百分比。例如,“4个9”是指99.99%的可用性,表示一年内(365天)的停机时间小于53min;“5个9”(99.999%)的可用性,表示一年内停机时间小于5.3min;“6个9”(99.9999%)的可用性表示一年内只有32 s的停机时间。此外,还可以用术语“不可用性(U)”指标表示系统的可用性。

实际上,术语“可用性(A)”表示的是系统正常运行的能力,术语“不可用性(U)”表示的则是系统故障的可能性。可用性(A)和不可用性(U)的关系是:A=1-U。例如,假设可用性−4A=99.99%(4个9),则不可用性U=1-0.9999=1×10。

综上所述,通信电源的可用性是指一年内正常供电时间占全年时间的百分比(例如可用性为99.99%,表示每年的故障时间为53min)。通信电源的不可用性是指一年内故障时间占全年时间的百分比(例如−4不可用性为1×10,表示每年的故障时间为53min)。

根据《通信局(站)电源系统总技术要求》(YD/T1051-2000)的规定,不同通信局(站)电源系统的不可用性的要求如下。(1)省会城市和大区中心通信枢纽(含国际局)、市话汇接局、电报(数据)局、无线局、长途传输一级干线站、市话端局以及特别−7规定的其他通信局(站),电源系统的不可用性应≤5×10[相当于6个9,(99.99995%)的可用性]。即每年内电源系统故障时间应≤15.8 s;平均20年内,电源系统故障的累计时间应≤5min。(2)地(市)级城市综合局、1 万~5 万门市话局、长途传输二级干线站或相当的通信局(站)等,电源系统的不可用性应≤1×-610[相当于6个9(99.9999%)的可用性]。即每年内电源系统故障时间应≤31.5 s;平均20年内,电源系统故障的累计时间应≤10min。(3)县(含县级市)综合局、万门以下市话局,电源系统的不-6可用性应≤5×10[相当于5个9(99.9995%)的可用性]。即每年内电源系统故障时间应≤2.6min;平均20年内,电源系统故障的累计时间应≤50min。三、高可用性通信电源的关键要素

为了保证通信电源的高可用性,通信电源系统必须具备以下4个关键要素。或者说,必须通过以下4个途径才能实现高可用性的通信电源系统。(1)可靠性

要求各种电源设备(包括高频开关电源模块、UPS模块、蓄电池、备用发动机组等)、各种开关、转换开关和其他的配电设备必须非常可靠,具有很高的MTBF指标。系统力求简单,并采取消除或减少单点故障的设计方法。(2)功能性

要求各种电源设备(包括高频开关电源模块、UPS 模块、蓄电池、备用发动机组等)必须能稳定供电,各项输出指标满足质量要求。供电电压过高会引起通信负载设备元器件损坏,供电电压过低又会影响通信系统的正常运行。直流供电系统的衡重杂音电压过高会影响电话通话质量;脉动电压过高会使数据通信设备的误码率增加。UPS交流不间断电源应能抑制市电电源的各种干扰,例如电压过高、电压过低、频率波动、电压波形失真、电压谐波和共模噪声等,这些干扰可能引起互联网传输速率下降、数据丢失等,甚至导致网络瘫痪。(3)可维修性

通信电源系统的设计必须使所有电源系统元件能够在通信系统正常供电的情况下进行维护。这种性能一般称为“同时维护”,即通信电源系统的一部分设备在正常运行的同时对另一部分电源设备进行维护。众所周知,单母线供电系统不能支持“同时维护”,故应尽力采用双母线供电系统。(4)故障容限

通信电源系统必须具有抗故障的能力,做到电源系统的任何元件出现故障都不会影响正常供电和通信负载设备的正常运行,而且整个配电系统也必须有抗故障的能力,从而可以弥补不可避免的负载故障和人为操作错误造成的影响。

可靠性和功能性主要取决于电源设备的内部技术,例如采用先进的高频开关电源技术、先进的双变换 UPS 技术等。可用性和故障容限主要取决于通信电源系统的冗余方式和配电电路方案,例如,直流供电系统采用的高频开关电源模块按 N+1 冗余配置方式;UPS采用N+1并联冗余系统、2N双母线供电系统、2(N+1)双母线供电系统等。第二节 构成通信电源系统的电源设备一、通信电源系统和设备概况

通信系统是由各种不同的通信设备组成的。不同的通信设备需要的供电电源的种类不尽相同。根据供电到通信设备电源输入端的电源电压的种类,可分为交流供电系统和直流供电系统。目前,电信网络设备采用-48V 直流电源系统供电;数据通信设备采用380V/220V交流UPS系统供电。电信和数据通信设备采用不同的供电系统是由历史原因形成的,或者说由于电源设计者的设计观点和设计方法的不同所致。从两种不同的供电系统发展和应用历史上看,应该说两者都有其合理的原因和不足之处。−48 V直流电源系统的高频整流模块一般按N+1冗余方式配置,采用集中或分散供电方式;380V/220V交流UPS采用N+1并联冗余或2N/2(N+1)双母线供电系统。为了满足各种通信设备的需求,必须配置这些不同的冗余电源系统。

这些不同的通信电源系统都是以市电为输入电源,并将市电电源经过适当的变换和调节而得到的。为了保证市电停电时不间断地为通信设备供电,还需要备用发电机组和蓄电池。因此,组成通信电源系统的部件一般包括市电电源系统及其相关的变配电设备、备用发动机组、电源变换设备(高频开关电源、UPS 设备等)、蓄电池、配电设备和通信负载设备等。

在无市电电源的地区,需要采用太阳能、风能等作为输入能源,这些电源设备也是组成通信电源系统的重要部件。太阳能和风能电源同样需要经过适当的变换和调节,才能得到通信设备所需要的电源。二、市电电源系统及其分类

市电电源系统是通信局(站)的外部供电系统,指从公共电力系统到通信局(站)的降压变电站的供电线路(包括高压架空线或电缆线路)。市电电源系统是通信电源系统首选的主用输入能源。

引入的市电电压等级应根据需用功率、供电距离、当地供电网现状等因素确定。通信局(站)一般引入10kV电力电缆线路,少数通信局站引入35kV架空线路或电缆线路。有的县级城市及以下的通信局(站)也可从邻近单位取得380V/220 V低压市电。为了保证通信局(站)引入市电的可靠性,重要通信局(站)应尽力争取引入两路市电电源。

根据通信局站所在地的市电供电条件、线路引入方式和运行状况,YD/T 5040-2005《通信电源设备安装工程设计规范》将市电电源分为4类,并以此作为配置备用电源设备(蓄电池和备用发电机组)的依据。

一类市电供电是从两个稳定可靠的独立电源各引入一路供电线路。该两路市电不应同时出现检修停电。平均每月停电次数不大于1次,平均每次故障时间不应大于0.5 h。两路供电线宜配置备自投装置。

二类市电是从由两个以上独立电源构成的稳定可靠的环形网上引入一路供电线路,或从一个稳定可靠的独立电源或输电线上引入一路供电线。二类市电平均每月停电次数不应大于3.5次,平均每次故障时间不大于6 h。

三类市电是从一个电源引入一路供电线路,其特点是供电线路长、用户多,平均每月停电次数不应大于4.5次,平均每次故障时间不应大于8 h。

四类市电是由一个电源引入一路供电线路,其特点是经常昼夜停电,供电无保证;或有季节性长时间停电或无市电可用。

市电类别是通信电源的备用电源设备配置的重要依据。例如,通信枢纽楼引入一类市电时,应配置备用发电机组一台,蓄电池总放电时间为1 h;引入二类市电时,可配置两台备用发电机组,蓄电池总放电时间为1 h。三、通信局(站)降压变电站

通信局(站)降压变电站是通信电源的主用输入电源和供电枢纽,由降压变压器和高压配电设备和低压配电设备组成。配电设备是指由母线、开关设备、保护电器、测量电气等组成的受电和配电设备的整体。变电站站址的确定应考虑接近负荷中心、接近电源侧、进出线方便、运输设备方便,不应设在厕所、浴室或其他经常积水的场所的正下方等因素。

降压变压器的作用是将10kV高压电源降低到380V/220 V低压电源(或将35kV高压电源直降到380 V/220 V低压电源),然后由低压配电设备将380 V/220 V低压电源直接输送到建筑负荷设备,或经电力变换设备和配电设备输送到通信负荷设备。

降压变压器应选用 Dyn11 接线组别的变压器。高压市电电压变动范围超出额定电压的±7%时,宜采用有载调压变压器。变压器容量应按近期负荷并考虑一定发展负荷需要配置,并使经常运行负荷不小于 60%的额定容量(以 75%~85%为宜)。季节性负荷较大时,宜设置2台或多台变压器,其中一台承担季节性负荷。地市级以上通信局(站)宜配置备用变压器,保证当一台变压器故障或检修时,其余变压器可保证满足负荷的用电需要。室内安装的变压器应采用干式变压器,变压器与配电设备同室安装时应配防护罩。

变配电系统中的功率因数补偿设备的容量应按近期负荷配置并考虑一定发展。为了防止由于谐波存在引起谐波电流放大,应配置自动补偿装置。补偿电容器柜应配置一定比例的电抗器。四、电力变换设备和配电设备

来自低压配电系统的380 V/220 V低压交流电源可以直接为一般建筑负荷设备(例如空调和照明设备等)供电,而通信设备需要不间断直流电源和不间断交流电源供电,因此380 V/220 V低压交流电源必须经过电力变换设备加以适当的变换和调节,才能由配电设备供给通信设备。

电力变换设备主要包括高频开关电源、UPS 不间断电源、DC/DC 变换器、DC/AC逆变器等。配电设备主要有交流配电屏、直流配电屏、配电母线和电缆等。

高频开关电源的整流模块应按N+1冗余方式配置,其中N台整流模块为主用,当N≤10时,备用1台;当N>10时,每10台增加备用1台。主用整流模块的总容量按负荷电流和蓄电池的均充电流(10小时率充电电流)之和确定。DC/DC变换器按N+1冗余方式配置。DC/AC 逆变器按最大负荷功率确定,并配置1台备用。

UPS不间断电源的容量按最大负荷功率确定备用设备的配置,并且应根据通信负荷的重要性确定,通常采用N+1并联冗余UPS。近年来可靠性更高的2N双母线UPS系统和2(N+1)双母线UPS系统的应用日益增多。

为了提高供电系统的可靠性,交流配电系统和直流配电系统均采用双路供电线路。五、储能装置(蓄电池)

蓄电池是一种化学电源,广泛作为电信、电力、交通、铁路、国防等行业的电能的存储装置,在通信系统中用作直流备用电源。当市电正常时,蓄电池被充满电荷;当市电故障时,蓄电池放电,直接为通信设备供电或经电源变换设备如 DC/DC 变换器、DC/AC逆变器供电。

VRLA(阀控铅酸)蓄电池是我国当前通信电源系统采用的主要的储能装置。按照其所采用的不流动电解液技术的不同,VRLA蓄电池分为GEL(胶体)和AGM(吸附式玻璃纤维隔板)两种。在GEL VRLA蓄电池中,电解液分布在电池极板和隔板之间,通过在电解液中加入胶体,使电解液不流动。在AGM VRLA蓄电池中,采用多泡沫和吸附性玻璃纤维隔板来隔开极板,电解液被吸附在隔板中,也不会流动。GEL VRLA蓄电池和AGM VRLA蓄电池都是再复合蓄电池,在正极板上产生的氧气被负极板吸收,与负极上产生的氢气反应后生成水。

与传统的VLA(排气式铅酸)蓄电池相比,VRLA蓄电池的主要优点是维护工作量低,不需要加水,不需要测电解液比重。VRLA 蓄电池首先在电信系统得到广泛的应用。近年来VRLA蓄电池在通信局(站)变电站高压合闸电源和柴油发电机组启动系统也得到广泛应用。但是VRLA蓄电池的主要缺点是易出现早期故障,寿命短,而且在不可控温度环境下,实际寿命比设计寿命短得多。因此,VRLA 蓄电池的可靠性在一定程度上受到限制。如果不进行积极主动的维护工作,就不可能有安全可靠的VRLA蓄电池系统。

应用在通信系统中的蓄电池还有碱性蓄电池、锂离子电池,但是较铅酸蓄电池的应用少。近年来,磷酸铁锂离子电池(磷酸铁锂电池)技术发展较快,在通信基站已有应用。

蓄电池是比较昂贵的设备,为了节省投资,蓄电池的容量应控制在合理的范围内,市电停电后蓄电池一般只支持通信设备运行有限的一段时间,当油机启动供电时,它就不再供电因此,蓄电池一般称为通信系统的短时间备用电源。

此外,燃料电池在通信系统中也有应用。燃料电池是能将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转换为电能的装置。从外表上看,它有正极、负极和电解质,很像蓄电池,但实际上它不是“储能装置”而是“发电装置”。根据电解质的不同,燃料电池分为不同的类型,质子交换膜燃料电池是典型的燃料电池。这种燃料电池采用固态聚合物电解质膜,工作时需向正极供给燃料(氢),向负极供给氧化剂(空气)。氢在正极分解成氢离子(质子)和电子。氢离子进入电解液中并通过电解质渗透到负极,而电子则沿外部电路(经负载)移向负极,即为负载供电。在负极上,空气中的氧与电解液中被吸收到负极的氢离子和电子结合形成水。燃料电池发电被誉为继火电、水电、核电三大电力之后的第4种电力。目前,燃料电池在电信系统中作为市电停电时的备用电源代替蓄电池,在国外已有应用。我国正在研究试验燃料电池在移动通信基站中的应用。六、备用发电机组

备用发电机组是通信系统的长时间备用电源。市电停电后,先由蓄电池为通信设备供电,保证通信系统不间断供电。因为蓄电池的备用时间较短,当市电长时间停电时,必须有辅助的交流电源,备用发电机组就是这种辅助交流电源。由于发电机的能源来自燃油,只要燃油充足,备用发电机组就可以连续运行,一般可以运行几小时、几十小时甚至几天或更长,因此备用发电机组通常称为通信系统的长时间备用电源。

备用发电机组分为固定型机组和移动型机组两类。地市级及以上的综合楼或交换局房均配置固定型备用发电机组,并在一个城市中配置一定数量的移动发电机组。移动通信的基站、光缆通信的增音站等局(站)一般配置移动发电机组,而在市电供电质量较差的、偏远地区的基站也可配置固定型备用发电机组。

固定型备用发电机组包括柴油发电机组和燃气轮机发电机组两种。移动备用发电机组包括柴油发电机组、汽油发电机组和燃气轮机发电机组三种。

自动化柴油发电机组是通信系统应用最多最广的一种备用发电机组,这种机组具有自动维持准备运行状态、自动启动和加载、自动停机、自动补给、自动保护等功能。七、通信系统的其他输入能源

如前所述,市电电源系统是通信电源系统首选的主用输入能源。除此之外,通信系统还有其他的输入能源,主要有太阳能和风能,这些能源可以与市电组成混合供电系统。在无市电或难以引入市电的地区,太阳能、风能可以作为主用输入能源,与蓄电池构成独立或混合供电系统。

在国外,还有采用由热偶发电机(TEG)、闭环蒸汽涡轮发电机(CCVT)等新型能源与太阳能组成的混合供电系统。第三节 通信电源系统的组成

通信电源系统是为通信局(站)的各种通信设备及建筑负荷等提供电源的设备和系统的总称。通信电源系统由交流供电系统、直流供电系统和相应的接地系统、监控系统等所组成。

为了保证稳定、可靠、安全的供电,根据不同的应用要求,通信电源可以采用不同的供电方式。集中供电、分散供电和混合供电是目前采用的典型的三种供电方式。

市电电源和备用发电机组组成的交流供电系统一般采用集中供电方式,即整个局(站)由一个变电站、一个高压供电系统、一个低压供电系统、一个备用发动机组等组成的电源系统为全局站供电。

由高频开关电源和蓄电池组成的直流供电系统、UPS供电系统可以采用集中供电或分散供电方式,即可以配置一个直流电源或多个直流供电系统为直流负荷供电,也可以配置一个或多个UPS供电系统为交流负荷供电。一、集中供电方式电源系统

集中供电是指通信局站中所有通信设备由一个集中的直流电源供电。集中供电方式电源系统的组成如图1-1所示。

交流供电系统由专用变电站、市电/备用发电机组转换屏、低压配电屏、交流配电屏、备用发电机组等组成。移动发电机可提供应急供电。

直流供电系统由高频开关整流设备、蓄电池、直流配电设备组成。直流供电系统向各种通信设备提供直流电源。图1-1 集中供电方式电源系统

不间断电源系统(UPS)内部有整流器、逆变器、蓄电池等设备,构成完善的供电系统。不间断电源系统(UPS)对通信设备及其附属设备提供不间断交流电源。

交流电源系统还对通信局(站)提供保证建筑负荷和一般建筑负荷。保证建筑负荷是指通信用空调、保证照明、消防电梯、消防水泵等,一般建筑负荷是指一般空调、一般照明及其他备用发电机组不保证的负荷。

通信用空调、保证照明也可由电力室交流屏供电。

通信局站应设事故照明,事故照明灯具可采用直流照明灯或交流照明灯。

值得说明的是,集中供电方式电源系统根据不同负荷的不同要求,提供不间断、可短时间断、允许间断的三类电源。即提供给通信负荷的电源为不间断,保证建筑负荷的电源为可短时间断,一般建筑负荷的电源为允许间断(参见图1-1)。二、分散供电方式电源系统

图1-2是分散供电电源系统的组成方框图。分散供电方式电源系统设置多个直流供电系统,分别给局(站)内一部分通信设备供电。其中交流供电系统与集中供电方式电源系统的相同,全局(站)设置一个总的交流供电系统,由此分别向各个直流供电系统提供低压交流电源。

分散供电方式电源系统的交流供电系统的组成和要求与集中供电方式的交流供电系统相同。各个直流供电系统可分楼层设置,也可按通信设备系统设置。设置地点可为单独的电力电池室,也可与通信设备设置同一机房。

其他要求与集中供电方式供电系统相同。图1-2 分散供电方式电源系统三、混合供电方式电源系统

混合供电方式电源系统的组成如图1-3所示。

光缆中继站、微波无人值守中继站和移动通信基站等,可以采用交流电源和太阳电池(或其他能源)相结合的混合供电方式电源系统。该系统由太阳电池方阵、低压市电、蓄电池组、整流和配电设备以及移动发电机组成。对于微波无人值守中继站,若通信容量较大,不宜采用太阳能供电系统时,可采用市电与无人值守备用发电机组相结合的交流电源系统作为主用输入电源。

微波无人值守中继站应采用无人值守自动化性能及可靠性高的成套电源设备,包括无人值守备用发电机组、市电油机转换屏、直流电源系统及外围设备控制箱等。

在正常情况下,由太阳能方阵经直流配电屏为通信设备供电,同时给蓄电池充电。太阳光较弱时和在夜间,由市电经整流器给通信设备供电。太阳光较弱或在夜间且市电故障时,由蓄电池放电给通信设备供电。

低压市电为220 V/380 V。市电稳压性能较差时可采用调压器或稳压器。图1-3 混合供电方式电源系统第四节 通信供电系统的发展一、传统的电信直流供电系统

电信网络设备采用−48 V直流供电系统(图1-4),将−48 V直流电源供电到通信设备的电源输入端。−48 V 供电系统属于安全特低电压(SELV)供电。供电系统由 N+1并联冗余高频开关整流模块和蓄电池组组成。正常情况下,高频整流模块将输入交流电源变换为直流电后为通信设备供电,同时给蓄电池充电;市电故障时,由蓄电池放电供给通信设备。蓄电池的备用时间为1~24 h,典型的为1~3 h。−48 V直流供电系统可采用集中供电方式和分散供电方式。图1-4 传统的电设备供电系统(−48V直流供电系统)

集中供电方式电源系统是指通信局(站)中所有通信设备由一个集中的直流电源系统供电,其优点是电源设备比较集中,维护方便。但是由于集中的直流电源远离通信设备,配电损耗较大、系统效率较低,配电电缆及安装费用大,而且可靠性较低,如果集中的直流电源发生故障,将会影响全部通信设备的供电。集中供电方式适用于规模较小的通信局(站)。

分散供电方式电源系统是指在通信局(站)中采用多个直流电源系统,各个直流电源系统分别为一部分通信设备供电。分散供电方式电源系统的电源设备通常安装在邻近通信设备的机房,因而减少了配电损耗,提高了电源系统的效率和电源系统的性能,提高了供电系统的可靠性。二、传统的数据通信交流供电系统

传统的数据通信设备电源采用380 V/220 V交流不间断电源(UPS)供电(图1-5)。一般采用由双变换UPS构成的N+1并联冗余UPS系统,或采用2N、2(N+1)双母线UPS供电系统。典型的UPS具有大约15min至30min的蓄电池备用时间,一般配置备用发电机组。图1-5 数据通信设备采用的UPS供电系统三、通信供电系统的发展趋势

随着信息技术的发展和数据业务的迅速扩大,电信网络正处于变革之中,主要表现为数据通信设备逐渐集成到电信设备中,和电信网络设备融合在一起。电信网络的变革必然影响到电源系统。数据设备要求交流电源,与电信网络传统的-48V直流电源不兼容,因而要求电源系统同时满足电信网络设备和数据通信设备的要求。而且还要满足高可靠性、高可用性和高效率的要求。这是通信电源系统有待解决的重大问题。自20世纪90年代以来,国内外通信电源界一直关注和开展新的通信供电系统的研究,提出了许多新的电源系统结构,下面仅介绍交直流混合电源系统(Hybrid AC-DC system)和高压直流(HVDC)供电系统。

1.交直流混合电源系统(Hybrid AC-DC system)

图1-6是交直流混合电源系统(Hybrid AC-DC system)的组成框图。实际上,这是一个可以满足交流负载要求的分布式冗余UPS供电系统。为了满足直流负载的要求,加上了两个由UPS供电的整流器系统,构成了-48V直流电源系统(无蓄电池)。当市电停电时,直流负载设备实际上是由UPS系统的蓄电池和备用发动机组支持的。这两套UPS的交流输入电源都是由市电和备用发电机组组成的冗余电源系统,十分可靠,故UPS的蓄电池的备用时间可以短一些。该系统的元件数目减少了,复杂性降低了成本,可靠性较高。最重要的是,它提供了最大的可维性和故障容限,可获得很高的可用性。

这个UPS供电系统,数据设备直接由UPS供电,电信设备需要的-48V直流电源是将UPS输出的交流电整流为直流而得到的。图1-6 交直流混合电源系统(Hybrid AC-DC system)

2.高压直流(HVDC)供电系统(1)高压直流(HVDC)供电系统的提出

图1-6的电源系统方案是以UPS为基础的,然而现有的UPS 系统存在着一定的问题。众所周知,通信电源中的UPS主要采用双变换UPS。从UPS 输入到通信设备的整个供电系统中电力变换次数多,每次变换都有能量损耗,导致系统效率低。此外,为了提高可用性,一般采用N+1并联冗余或2N和2(N+1)双母线系统。假设N=1,理论上每个UPS的最大负荷率为:2N系统为50%,2(N+1)系统为25%。而实际负荷率2N系统为30%~50%,2(N+1)系统为15%~25%。在如此低的负荷率下,UPS的系统效率将会从满载时的90%下降到80%或更低。此外,交流UPS系统存在单点故障,可靠性和可用性较低。

−48V 直流供电系统采用分散供电,一般来说,从可靠性和系统效率来看没有太大问题,但是当负荷很大时,其系统效率偏低。

为了提高供电系统的效率和可靠性,提出了可以替代这两种供电系统(特别是交流配电系统)的通信高压直流(HVDC)供电系统。

近年来国际通信电源界普遍认为电信和数据设备的可靠、高效的供电系统是“高压直流供电系统(HVDC)”(也称为DC UPS)。

通信 HVDC 供电系统的控制参数只有一个电压,电路简单,可靠性高。而传统的AC UPS电源的控制参数有电压、频率、相位和波形,电路复杂且有单点故障。通信HVDC供电系统的效率高,节能,成本低,维护扩容方便。(2)通信高压直流(HVDC)供电系统的概念

高压直流(HVDC)供电系统是将高压直流电源供电到通信设备的电源输入端的供电系统。HVDC供电系统的优点是系统效率高,可靠性高,成本低,维护费用低。(3)实现HVDC配电的基本条件

1)必须有专用的HVDC电源系统(电压等级符合标准要求)。

2)服务器电源单元PSU应能接受HVDC供电。(交流供电的服务器的PSU的输入电路是全波或半波整流电路,在进行高压直流供电系统试验时,可采用直接接入直流电源的方法。在正规工程中应采用直流供电的服务器)实现通信HVDC供电系统最大的挑战是:服务器、路由器等必须有HVDC输入或AC/HVDC通用输入。

3)相关的连接器、断路器、接地等应符合相关标准规定的安全要求。(4)高压直流(HVDC)供电系统结构

图1-7是高压直流(HVDC)配电系统结构方框图。采用HVDC电源设备,将HVDC(例如采用300~400 V DC)电源直接供电到通信设备的电源输入端(服务器PSU)。由于电源变换级数少,因此供电电压高,电流小,系统效率高;因为电路简单,市电故障时蓄电池可以直接为负载供电,故可靠性高。图1-7 高压直流(HVDC)供电系统结构

HVDC 供电系统是未来信息和电信技术(ICT)设备供电系统的首选方案,需要一个世界范围内的标准,以便于实施。HVDC供电系统的标准应解决下列问题,其中关键是供电电压等级的确定。

1)标称电压、工作电压、故障条件下的异常电压范围;

2)维护人员和设备的安全标准和要求,包括保护装置(熔断器、断路器等);

3)供电系统的结构和指标,包括系统的接地和连接。(5)高压直流(HVDC)供电系统的试验研究

目前中国联通、中国电信和中国移动三大电信运营商均已开展了高压直流(HVDC)供电系统的试验研究工作。

HVDC系统的电压等级是非常重要的指标,因为最高电压和最低电压的范围将影响电源标准的各个方面,包括系统效率、PSU设计、电缆截面、产品成本、系统安全、元器件的选择等。

目前,确定HVDC电压的方法以及提出的电压等级和电压范围尚不统一。我国目前采用的HVDC供电系统电压等级和蓄电池系统的电压主要有以下几类。

1)标称电压:240 V DC

蓄电池组:120只2 V蓄电池(或20只12 V蓄电池)

浮充电压:270 V DC

均充电压:282 V DC

2)标称电压:336 V DC

蓄电池组:168只2 V蓄电池(或28只12 V蓄电池)

浮充电压:378 V DC

均充电压:394 V DC(6)高压直流(HVDC)供电系统的发展应用

HVDC供电系统在供电安全和节能方面具有优势,是未来电信和数据中心供电系统的发展方向。在世界范围内,HVDC供电系统目前尚处于试验阶段。近年来,我国HVDC供电系统发展迅速,取得了很大的成绩,但仍需要解决应用中的具体问题。第二章变配电系统第一节 市电交流供电系统的类别及质量指标一、市电引入的必要性

通信局(站)的重要性较高,必须有安全可靠的电源为其供电。在我国,绝大多数情况下能够保证长期稳定运行的最安全可靠的电源非市电莫属。

通信局(站)的通信设备有的采用直流电源供电,有的采用交流电源供电。在有交流电源的情况下,通信设备需要的直流电源可以通过整流器把交流电整流成直流电而得到。对于机房专用空调、机房照明和消防水泵等一类必须保证供电的大容量用电设备,一般要求交流电源直接供电,它们占的比重较大。因此,为了确保通信设备正常运行,通信局(站)对交流电源的渴求是不言而喻的。二、市电引入的可能性

通信局房一般位于城市内,城市电网的高可靠性成为通信局房在引入市电时被优先考虑的优越条件。

对于干线通信和移动通信站点,由于其负荷较小(几十千瓦以下),而且多在农村或偏僻地带,难以获得像城市电网那样可靠性较高的供电系统,当能取得农村电网供电时要尽可能接引,因为它可能比较经济。当然,这要通过全面的技术经济因素比较最后决定。

市电引入的限制取决于允许输电距离。架空线路允许的输电距离见表2-1。表2-1 架空线路允许的输电距离(km)(续)

电缆线路允许的输电距离见表2-2。表2-2 电缆线路允许的输电距离(km)注:按允许负荷计算的。三、交流供电的种类和系统组成

1.交流供电的种类

根据通信局(站)的通信设备的供电要求(可靠、保证不间断地供电),国内通信局(站)电源的交流供电包括交流市电供电、备用发电机组(油机或燃气轮)供电和交流不间断电源(UPS)设备供电。

其中交流市电及备用油机发电机组或燃气轮发电机组是所有通信局(站)的交流用电负荷的必备电源。交流不间断电源(UPS)设备主要供电于通信系统的计算机网络管理、计费系统、集中监控管理系统、卫星地球站等通信设备。

2.交流供电系统的组成

交流供电系统由市电交流供电系统、备用发电机组(柴油或燃汽轮)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)组成。一般市电作为主用电源,发电机组作为通信系统的备用电源。

根据通信局(站)的建设规模、重要性及所建局址的位置不同,通信局(站)的市电供电类别及市电的引入电压等级(高压或低压)也有所不同。四、市电交流供电系统

1.市电交流供电系统

市电交流供电系统由变电所、电力线路及电力配电设备所组成。

变电所担负着变电、配电的任务,其电源设备由一套高压配电设备、一台或多台变压器、一套低压配电设备组成。

2.市电类别划分

通信系统所需的交流电源宜利用市电作为主用电源。根据通信局(站)所在地区的市电供电条件、线路引入方式及运行状态,通信电源安装设计规范中将市电分为4类。(1)一类市电供电为从两个可靠的独立电源各自引入一路供电线。该两路电源不应同时出现检修停电,平均每月停电次数不应大于1次,平均每次故障时间不应大于0.5 h。两路供电线宜配置备用市电电源自动投入装置。

由于一类市电供电的建设投资大,主要适用于一类局站,即国家级枢纽、容灾备份中心、省会级枢纽、长途通信楼、核心网局、互联网安全中心、省级IDC数据机房、网管计费中心、国际关口局、国际海缆登陆站等。对于二类局站,即地市级枢纽、国家级传输干线站、地市级的IDC数据机房、卫星地球站、客服大楼、无线电台等,也要尽可能采用一类市电。对于三类局站,即县级综合楼、省级传输干线站、模块市话局等,在具备市电引入条件且投资增长不大时,也可考虑一类市电引入。(2)二类市电供电应符合下列条件之一的要求。

1)从两个以上独立电源构成稳定可靠的环形网上引入一路供电线。

2)从一个稳定可靠的独立电源或从稳定可靠的输电线上引入一路供电线。

二类市电供电允许有计划地检修停电,平均每月停电次数不应大于 3.5 次,平均每次故障时间不应大于6h。

由于建设投资、建设难度及稳定可靠性相对一类市电均较小,因此二类市电主要适用于二类局站,即地市级枢纽、国家级传输干线站、地市级的IDC数据机房、卫星地球站、客服大楼、无线电台等。对于三类局站如县级综合楼、省级传输干线站、模块市话局等,在具备条件时也可引入二类市电。(3)三类市电供电为从一个电源引入一路供电线。其供电线路长、用户多。规定其平均每月停电次数不应大于4.5次,平均每次故障时间不应大于8h。

三类市电的稳定可靠性相对较低,因此三类局站在不具备条件引入二类市电时,可引入三类市电。四类局站(指末端接入网站、移动通信基站、室内分布站等)在具备条件时,可引入三类市电。(4)四类市电供电应符合下列条件之一的要求:

1)由一个电源引入一路供电线,经常昼夜停电,供电无保证。

2)有季节性长时间停电或无市电可用。

四类市电的可靠性极低,一般只有在四类局站(指末端接入网站、移动通信基站、室内分布站等),且不具备引入三类及三类以上市电的条件下,可就近引入380V或220V电源。五、市电交流供电的质量指标

1.供电电压及频率

通信局(站)市电的供电电源电压有高压和低压两种。根据《全国供用电规则》中的第2条标准,供电部门供电的电网额定电压标准如下。

低压供电:单相为220 V,三相为380 V;高压供电:10、35(63)、110、220、500kV;供电频率:50Hz。

供电部门对用户的供电电压,应从供用电的安全、经济角度出发,根据电网规划、用电性质、用电容量、用电方式及当地供电条件等因素,进行经济比较后与用户协商确定供电电压等级。

用户用电设备容量在250kW或需用变压器容量在160kVA及以下者,应以低压方式供电(移动通信基站由低压市电供电),特殊情况也可以高压方式供电。

目前我国公用电力系统现有的6kV供电系统将逐步由10kV取代。

2.供电电压及频率允许偏差《全国供用电规则》中第5条的相关子目规定:

35kV及以上供电及对电压质量有特殊要求的用户为额定电压的+5%;10kV及以下高压供电和低压电力用户为额定电压的+7%;低压照明用户为额定电压的−10%~+5%。

电网容量在300万千瓦及以上者,频率允许偏差为±0.2Hz;电网容量在300万千瓦及以下者,频率允许偏差为±0.5Hz。

3.公用电网谐波在用户用电入口处的总的谐波电压的限值

根据国家标准《电能质量、公用电网谐波》(GB/T 14549-1993)中第4、5条的规定,用户用电入口处的总的谐波电压、谐波电流的限值见表2-3和表2-4。表2-3 公用电网的谐波电压(相电压)限值表2-4 公用电网的谐波电流限值第二节 高压交流供电系统一、高压交流供电系统的组成

高压供电系统指由高压交流市电和备用高压油机发电机组成的供电系统,包括高压供电线路、高压配电设备(含断路器、避雷器和高压柜等)、高压备用油机和变压器(含有载调压变压器)等设备。根据国家电力部门的有关规定,在公用电网上接引市电,必须按负载的大小对变、配电设备予以保护。例如:750kVA及其以下的变压器,广泛采用跌开式熔断器作为控制和保护设备;420kVA以下的户内装置变压器,广泛采用户内型隔离开关与户内型高压熔断器作为控制和保护;560~1000kVA的户内装置变压器,采用户内型负荷开关与户内型高压熔断器作为变压器短路及过负荷保护;800kVA及其以上的变压器一般应装设过电流保护,并且当过电流保护时限大于0.7 s时,还应当加装电流速断保护[此时变压器一次侧必须加装断路器,把断路器、避雷器、互感器等高压设备和计费仪表装在金属外壳的柜子里,这就是高压柜,目前已有不少生产厂家设计生产了该类系列产品,如,进线柜、计量柜、测量柜、出线柜、联络柜、中央信号盘和直流电源柜(含蓄电池柜)等]。

高压交流供电系统应由市电交流供电系统及备用发电机组交流供电系统两部分组成,本节只对市电的高压交流供电系统加以介绍。高压供电系统由高压供电线路、高压配电设备及变压器组成。

根据通信局(站)的建设规模及用电负荷可以建设不同类型的变电所。变电所从结构上分为室外(小型独立变电所)和室内独立变电所两种。

室内独立变电所包括小型独立变电所和配有成套高压开关柜的变电所。

根据变压器的容量,可以将高压供电系统划分为小容量高压供电系统和大容量高压供电系统两类。一般不含断路器的就是小容量高压供电系统;含有断路器的就是大容量高压供电系统。由于用电量不同,通信局(站)小容量或大容量高压供电系统都有采用。二、变电所的所址选择

变电所位置的选择应遵照民用建筑设计规范中关于配变电所所址选择的规定,并应根据下列要求综合考虑确定。

—接近负荷中心。

—进出线方便。

—接近电源侧。

—设备吊装、搬运方便。

—不应设在有剧烈震动的场所。

—不宜设在多尘、水雾(如大型冷冻塔)或有腐蚀性气体的场所,如无法远离时,不应设在污源的下风侧。

不应设在厕所、浴室或其他经常积水场所的正下方或贴邻。

不宜设在爆炸危险场所以内和有火灾危险场所的正上方或正下方。当设置在爆炸危险场所范围以内和设置在与火灾危险场所的建筑物毗邻时,应符合现行的《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》的规定。

配变电所为独立的建筑物时,不宜设在地势低洼和可能积水的场所。

高层建筑地下层配变电所的位置,宜选择在通风、散热条件较好的场所。

配变电所位于高层建筑(或其他地下建筑)的地下室时,不宜设在最底层。当地下仅有一层时,应采取适当抬高该所地面等防水措施,并应避免洪水或积水从其他渠道淹渍配变电所的可能性。

装有可燃性油浸式电力变压器的变电所,不应设在耐火等级为三、四级的建筑中。

在无特殊要求的多层建筑中,装有可燃性油的电气设备的配变电所,可设置在底层靠外墙部位,但不应设在人员密集场所的上方、下方、贴邻或疏散出口的两旁。

高层建筑的配变电所宜设置在地下层或首层,当建筑物高度超过100m时,也可在高层区的避难层或技术层内设置变电所。

一类高低层主体建筑内严禁设置装有可燃性油的电气设备的变配电所。二类高低层主体建筑内不宜设置装有可燃性油的电气设备的变配电所,如受条件限制亦可采用难燃性油的变压器,并应设在首层靠外墙部位或地下室,且不应设在人员密集场所的上下方、贴邻或出口的两旁,并应采取相应的防火和排油措施。

大中城市除居住小区的杆上变电所外,民用建筑中不宜采用露天或半露天的变电所,如确有需要设置时,宜选用带防护外壳的户外成套变电所。三、高压供电系统的接线要求

目前,对于复杂的高压供电系统,已有不少生产厂家设计生产了系列产品。不过,生产厂家不同,一次电路组合方案也会有不同,每面高压柜的二次电路则更不相同。对于一次电路组合方案,设计者可参照系列产品提出修改意见,形成自己的高压供电系统一次电路的订货图纸。对于订货图纸中每面高压柜的二次电路,工程设计者可以提出每面高压柜的订货图纸(含二次电路和端子板接线图)。

这里的设备(含线路)保护要求,就是对设备(含线路)应实现的各种保护电路,详见表2-5和表2-6。表2-5 10kV高压线路的继电保护配置注:无时限电流速断的保护范围,应保证切除所有使该母线残压低于 50%~60%额定电压的短路,为满足这一要求,必要时保护装置可无选择性地动作,并以自动装置来补救表2-6 常用电力变压器的继电保护配置注:①当带时限过电流保护不能满足灵敏度要求时,应采用低电压闭锁的带时限过电流保护。②当利用高压侧过电流保护及低压侧出线断路器保护不能满足灵敏度要求时,应装设中性线上的零序过电流保护。③低压侧电压为 230V/400V的变压器,当低压侧出线断路器有过负荷保护时,可不装设专用的过负荷保护。

这里的维护要求就是手动、自动或通过微机监控实现“三遥”(遥信、遥测和遥控)。四、高压设备(含电器、材料)选择

高压设备(含电器、材料)应按正常工作条件选择,为保证在通过最大电流(短路电流)时不致受到严重损坏,还要按短路电流所产生的动、热效应进行校验。

1.按工作电压和工作电流选择

电器的额定电压应不小于所在回路的工作电压。熔断器、避雷器和电压互感器应符合所在回路的工作电压。

电器的额定电流应不小于所在回路的工作电流,当电器的额定环境温度与实际环境温度不一致时,电器的最大允许工作电流应按表2-7修正。表2-7 高压电器的最高工作电压和非额定环境温度下的最大允许工作电流(续)e注:表中的U——高压电器额定电压(kV);eI——高压电器额定电流(A);θ——实际环境温度(°C);eθ——额定环境温度,普通型和湿热带型为+40°C;干热带型为+45°C。

2.按开断容量选择

断路器、熔断器及带熔断器的负荷开关的额定开断电流应不小于装设处的瞬变(次暂态)短路容量(或瞬变短路电流):dndn

S≥S"或I≥I"dndn

式中:S、I——电器的额定断流容量(MVA)和电器的额定开断电流(kA);

S"、I"——装设处的瞬变(次暂态)短路容量(M VA)和瞬变短路电流(k A)。

短路电流的计算请参阅最新版的《工业与民用配电设计手册》或其他电力设计手册的相关章节。根据工程查勘中电力部门提供的电力系统原始资料(短路数据),按照短路电流计算方法,可以计算出短路电流;当无法取得电力系统的短路数据,而有供电网路高压侧断路器或降压变压器的参数时,可据此估算出最大短路电流。具体计算方法兹不赘述。

3.高压设备校验

选择高压设备时应校验的项目见表2-8。表2-8 选择高压设备时应校验的项目(续)注:表中带“√”者为选择电器时应校验的项目。

高压电器的短路稳定校验请参阅《工厂配电设计手册》相关章节。

4.成套高压配电设备性能

成套高压配电设备必须选用具有“五防”功能的产品。所谓“五防”就是:(1)防止误合、分断路器;(2)防止带负荷分、合隔离开关;(3)防止带电挂接地线;(4)防止带接地线合闸;(5)防止误入带电间隔。

成套高压配电设备的断路器分为真空断路器和六氟化硫断路器(少油断路器和多油断路器已被淘汰)。六氟化硫断路器灭弧在六氟-2-6化硫介质中进行;真空断路器灭弧在真空度保持在 10Pa~10Pa 严格密封的部件中进行,且动、静触头周围有一个用来吸附燃弧时触头上产生的金属蒸汽的屏蔽罩,使电弧在电流第一次过零时即可熄灭,故成套高压配电设备必须根据实际需要进行技术经济比较后再选用。五、高压供电系统和设备

根据通信局(站)负荷大小、变电所设置和高压市电引入的条件,前面已将高压供电系统划分为小容量高压供电系统和大容量高压供电系统两类。

1.小容量高压供电系统和设备(1)小容量高压供电系统的接线

1)一般小容量高压供电系统的接线

负荷较小(容量在750kVA以下)但有条件且有必要接引高压市电的通信局(站),一般应引接一路10kV高压市电;如无10kV市电,也可采用35kV的高压市电(选用35kV变400V的变压器);有可能时再引一路400V低压市电。变电所设置一般为露天式,条件不允许时也可以为室内式。高压设备一般为分散安装,露天式的也有密闭式组合设备可以选用。这样的高压供电系统一般由高压熔断器、避雷器、电力变压器以及必要的操作、计费装置组成。

一般小容量高压供电系统,无论是室外杆架安装、落地安装,还是室内安装,其供电系统主回路电气接线如图2-1所示,其计费方式系低压计费,图中未予表示。图2-1 小容量高压供电系统主回路电气接线示意

在室外有避雷器和跌开式高压熔断器时,室内变电所的高压熔断器和隔离开关可用负荷开关代替。

2)有高压计费要求的小容量高压供电系统的接线

当供电局要求高压计费时,则应设计有高压计费要求的小容量高压供电系统。可在一般小容量高压供电系统的基础上,为满足高压计费要求需要加装高压计费装置,如在一次回路中加装高压电压互感器和电流互感器,在二次回路中加装计费表等。

小容量高压供电系统大多安装在室外,系统中没有更多的控制和保护设备,多是手动操作。因此,在工程设计中只需完成设备或各种高低压电器等安装设计;当设备安装在室内时,还要提出工艺对土建的要求。(2)小容量高压供电系统的设备配置

小容量高压供电系统的设备配置如下。

1)配置避雷器。避雷器的作用是防止高压(高于线路正常的供电电压)侵入危害的用电设备。过高的雷电压在避雷器内部通过间隙放电被短路通向大地,而线路正常电压仍能维持供电。因此在有雷电危害的地区,要按供电线路的额定电压来配置避雷器,每组3只。避雷器分阀型、管型和金属氧化物三种。小容量高压供电系统中常用阀型避雷器;管型避雷器只是作为变电所的进线保护,将入侵的雷电波大部分泄放掉,减轻所内阀型避雷器的负担(管型避雷器的外间隙较大);金属氧化物(氧化锌)避雷器是一种比较新型的电器,性能优

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