任务3 了解直流电源设备

通信局（站）电源的直流供电系统包含的设备有交流配电单元、直流配电单元、整流器、蓄电池、直流—直流转换器和监控装置等。一些小容量的供电系统把它们集中安装在一个机柜内。

对于大容量（500A以上）的直流供电系统的交流配电单元是一台单独的交流配电屏，直流配电单元由一台或多台（一般为两台）直流配电屏组成。对于有基础电源供电的电力室，若通信设备需要多种电压供电，则应采用直流—直流转换器把基础电压变换为多种电压供电。

资讯1 直流配电屏

直流配电屏是直流供电系统中直接向通信设备供电的配电设备，它安装在通信局（站）的电力室中。正常运行情况下，由整流器对蓄电池浮充，并通过直流配电屏给通信设备供电；当交流电源中断后，由蓄电池放电，通过直流配电屏给通信设备供电。其内部结构如图3-13所示。

1.直流配电屏的种类

根据直流配电屏的供电设备容量大小，可以分为组合式直流配电单元和独立式直流配电屏。

（1）组合式直流配电单元

组合式直流配电单元设在高频开关电源设备内。小型通信局（站）可采用组合式直流配电单元供电。

（2）独立式直流配电屏

一般在配电分路要求一套直流供电系统配置一台直流配电屏即可。对于大容量的直流供电系统，根据其容量及配电分路的需要可接入两台或两台以上的直流配电屏。

多台直流配电屏在系统内有两种不同的接线方式：一种是系统内的直流配电屏可并接均分负荷供电；另一种是由其中一台直流配电屏为主配电屏，而其余的直流配电屏作为主配电屏的分屏。实际工作中，一套直流供电系统配置两台直流配电屏较为常见，配置三台及其以上直流配电屏的情况，只在少数较大的直流供电系统中出现。

2.直流配电屏直流电源额定值系列

根据我国相关标准的规定，对单独列架的直流配电屏的电流额定值系列为：50A、100A、200A、400A、800A、1600A、2000A、2500A。

直流配电屏由开关电源生产厂家配套供应，由于国内生产开关电源设备的厂家众多，因此设备的产品型号繁多，性能不一，选购时应事先了解厂家提供的规格型号、技术参数。

当用户提出要求与生产厂家协商后，也可以生产上列数值以外的产品，但不允许超出国家标准GB 762规定的范围。

3.对直流配电屏的技术要求

（1）并联使用和蓄电池接入

同一种电压、同型号的直流配电屏应能并联使用。直流配电屏可接入两组蓄电池。

（2）负荷分路及容量

输出分路的数量及容量的配置应满足所供用电设备的需要。输出分路一般设有保护装置，容量大于630A的直流输出分路可不设保护装置。

（3）电压降

在低阻配电系统中，直流屏带额定负荷时，直流配电设备电压降小于或等于500mV（环境温度20℃）。

（4）设备保护功能

设备应有过电压保护、过电流保护、低电压告警、欠电压告警和输出浪涌吸收装置。

400A以下的直流配电屏应具有低电压电池切断保护功能，长途通信干线及重要局（站）不应采用该功能。

（5）工作接地与保护接地

直流配电设备保护接地装置与配电设备的金属壳体的接地螺钉间应具有可靠的电气连接，其连接电阻阻值小于或等于0.1Ω。

（6）遥信和遥测

直流配电设备可遥信、遥测以下内容。

① 遥测：直流输出电压、直流输出总电流、大容量输出分路电流及蓄电池充放电电流。

② 遥信：直流输出电压过高、过低，熔断器故障，蓄电池低压断路开关断开。

（7）直流配电设备的输出电压及告警范围

直流配电设备的输出电压及告警范围见表3-1。若用户需要，可与制造厂家协商，加宽输出电压的上、下限范围。在实际工作中，对于输出电压告警的上、下限，应给出一个定值。为便于维护管理人员及时掌握设备运行情况，其输出电压下限值的设定应高于放电终止电压值，也可根据用户要求设定。

（8）直流配电设备的可靠性

直流配电设备的可靠性：MTBF≥106h。

4.低阻配电和高阻配电

直流配电屏根据其通信设备的供电要求，分为低阻配电和高阻配电两种类型。低阻配电是一般使用的直流供电系统，适用于通信大楼用的交换设备、传输设备、数据设备和无线基站设备等的通信设备供电。高阻配电设备主要用于瑞典爱立信公司的程控交换设备。其突出特点是一台直流配电屏上配有100多个小分路，每个分路都串接了一个电阻，可以防止因一个负载分路发生短路而引起整个配电系统的瞬变，影响整个系统供电。

（1）低阻配电

直流配电通过汇流排把基础电源功率直接馈送到电信机房的机架，由于汇流排等电阻很低，称为低阻配电系统。低阻配电及其分路短路时的等效电路如图3-14所示。图中Ri为蓄电池内阻，Fo为蓄电池熔丝，R1～Rn为各分路负载，F1～Fn为各分路熔丝，E为浮充电压。

汇流排和负馈线电阻Rn为3mΩ，正馈线电阻Rp为1mΩ，蓄电池内Ri为4mΩ，若浮充电压E为50V。某一分路负载发生短路时，在熔丝熔断前，在汇流排上产生的电流In很大，可达数千安培：

In=E/（Ri+Rn+Rp）=50/[（4+3+1）×10-3]=6250（A）

这样大的电流足以引起分路熔丝熔断，在熔丝熔断的瞬间，由于电流变化很大，其变化率为di/dt，在A、B两点间等效电感L上的感应电势Ldi/dt形成很高的尖峰电压。因此，A、O之间的电压将首先降落到近于零，而后产生一个尖峰高压。对浮充电压为50V的系统，这个尖峰高压可达200V左右。

对于低阻配电而言，这种任一分路的瞬态尖峰高压会引起整个配电供电的失效。

（2）高阻配电

高阻配电又称瞬态限流配电系统，高阻配电及其分路负载短路时的等效电路如图3-15所示。

高阻配电的实质问题是在各分路中接有一定阻值的电阻Rh，一般取Rh值为蓄电池内阻的5～10倍。这时，如果某一分路负载发生短路，例如BO间R1短路。因为Rh限制了短路电流，而且Ldi/dt也较小的缘故，所以系统电压的跌落及反冲尖峰电压较小，Rh与Ri的适当配合可使AO间的电压变化在电源系统允许范围之内，使系统的其他分路负载不受影响地正常工作，起到了隔离故障的作用，从而提高了系统可靠性。

Rh可以是馈线电阻，也可以是可调的附加电阻，视距离电信设备的远近而定，一般取45mΩ。接至零位板上的正馈电线综合电阻则应小于等于lmΩ。

如果高阻配电的高阻Rh阻值选在45mΩ，正馈线电阻为1mΩ，Ri为4mΩ，如不考虑其他电阻，按上面的方法进行计算，则电路电阻将短路电流限制在：

In=E/（Ri+Rh+Rp）=50/[（4+45+1）×10-3]=1000（A）

蓄电池组端电压降低值为1000×4×10-3=4V，系统输出电压为50-4=46V，故其他分路负载仍可进行工作。蓄电池内阻对高阻配电的输出电压有很大影响，因此在选购蓄电池时，应对内阻提出要求。

高阻配电虽然有很大优点，但同时也带来了一些问题。在串联电阻Rh上产生电压降和能耗，降低了输出电压和效率，必须采取一些措施予以解决。解决的办法一是用扼流圈与熔丝（易熔电阻）配合，既有较低的电阻，又可把电流限制在允许的范围内。另一种解决办法是使Rh的大小和负载电流配合恰当，电压达到设计要求。最好的解决办法是选择具有限流功能的低功耗电子器件来代替限流电阻Rh和熔丝，使系统效率提高。

资讯2 整流器

整流器是将交流电变换为直流电的装置。在通信电源系统中，整流器输出的直流电通过直流配电屏与蓄电池并联（浮充）对通信设备供电。

通信电源系统应用的整流器分为两大类，分别是相控稳压整流器和高频开关整流器。前者工作频率低、体积大、效率低，目前已基本不再应用于新建通信局（站）。后者工作频率高、体积小、效率高、能耗低，目前是通信电源整流器的主流，基本上取代了相控整流器。

在通信领域中，通常将高频整流器称为一次电源，而将直流—直流（DC-DC）转换器称为二次电源。采用高频换流技术可使变压器的体积、重量大为减小，这是高频开关整流器技术的核心。高频开关整流器中的核心部分是高功率变换电路，即直流—交流逆变器完成从直流变换到高频的功能，目前我国采用的整流模块的高频开关频率在50～100kHz范围内，也有的采用200～450kHz频率。

1.高频开关整流器的分类

（1）按调制方式分

① 脉冲宽度调制（PWM）。指在开关频率恒定的情况下，将二次整流后的输出电压的波动变换为脉冲宽度的变化，从而改变脉冲的占空比，驱动开关器件，使输出电压稳定。

② 脉冲频率调制（PFM）。指在开关脉冲宽度恒定的情况下，将二次整流后的输出电压的波动变换为频率的变化，从而改变脉冲的占空比，驱动开关器件，使输出电压稳定。

③ 混合调制。如果将二次整流后的输出电压变化变换为既改变脉冲宽度，又改变脉冲频率，就可得到在很宽的范围内调节输出电压，使其稳定，这就是PWM和PFM的混合调制方式。

（2）按主电路结构分

① 谐振型。谐振型整流器是采用软开关技术设计的，按其功率开关器件的过零方式可分为零电流开关型（ZCS）和零电压开关型（ZVS），因而其开关损耗小，工作频率高，可达10MHz以上。

② 非谐振型。非谐振型是采用硬开关技术设计的，由于其功率开关器件是在电流或电压的非零状态下关断和导通的，开关损耗较大，因而开关频率不能太高。但其电路结构比较简单，技术比较成熟。

将谐振技术与PWM技术结合起来，构成ZVS（零电压开关）全桥PWM-DC/DC转换器应用于高频开关整流器，使硬开关功率损耗减小，达到提高工作频率的目的，而且电路结构比较简单。

（3）按采用的开关技术分

① 硬开关。指整流器中的功率开关器件工作在电流不为零时的强迫关断，和电压不为零时的强迫导通。

② 软开关。指整流器中的功率开关器件工作在零电流关断和零电压导通状态。

除此之外，按交流电的输入类型有单相与三相之分，按转换器的级数有单级与双级之分。

2.高频开关整流器的特点

（1）体积小，重量轻

在相同的功率条件下，体积和重量都比相控整流器小很多。例如，48V、400A的晶闸管整流器的重量为580kg，而48V、600A的高频开关整流器的重量仅为237kg。高频开关整流器适宜于分散供电，可与通信设备和VRLA蓄电池同置一室。

（2）节能

效率在90%以上。

（3）功率因数（PF）高

功率因数一般大于0.92，而相控电源仅为0.65左右。在有功率因数校正电路时，功率因数接近1，因而对公共电网不会造成污染。

（4）可靠性高

模块可热备份冗余应用，提高了系统可靠性。

（5）智能化

系统装有监控模块，与计算机相结合，组成智能化电源，便于集中监控。

（6）噪声低

当开关频率在40kHz以上时，基本上无噪声。

（7）扩容容易，调试简单

（8）维护方便。易于更换故障模块

资讯3 蓄电池

蓄电池是通信电源系统不可缺少的备用电源设备。一旦市电发生中断并且备用油机发电机出现故障，或者整流器不能输出，蓄电池是给通信系统供电的最后一道防线。因此，它在通信电源系统中地位十分重要。蓄电池的产品质量直接关系着通信系统的安全性和可靠性。

通信局（站）供电系统中常用的蓄电池是铅酸蓄电池。铅蓄电池可分为普通铅蓄电池、干荷电铅蓄电池、湿荷电铅蓄电池和免维护铅蓄电池。此外，还有镉镍蓄电池、氢镍蓄电池、锂离子蓄电池也可作为备用或主用电源。

蓄电池是利用两个电极的电极反应产生电流，实现化学能与电能互相转变的装置，它是一种电化学电池。电化学电池可以把氧化还原反应所释放出来的能量直接转变成低压直流电能。

在蓄电池中，通过氧化还原反应得到电流。为了区别于化学反应中的氧化还原反应，电池中的氧化还原反应称为成流反应。

蓄电池的基本结构组成如图3-16所示。

1.正极活性物质

正极活性物质也称去极剂，具有较高的电极电势，电池放电时进行结合电子的还原反应或阴极过程。为了区别于电解槽的阴极，在电池中称为正极。

2.负极活性物质

负极活性物质具有较低的电极电势，电池工作时进行氧化反应，释放电子，并通过外电路传给正极。为了区别于电解槽的阳极，在电池中称为负极。

3.电解质

电解质供电池内部离子导电，有的电解质也参加电极反应而被消耗。大多数电解质为无机水溶液，也有小部分为固体电解质、熔融盐电解质、非水溶液电解质和有机电解质。

4.隔膜

为了保证正、负极活性物质不因直接接触而短路，又要使正、负极之间尽可能保持小的距离，以便使电池具有较小内阻，而需要在正、负极之间置以隔膜，也称隔板。

对隔膜材料要求：能耐电解质的腐蚀和正极活性物质的氧化作用，制得的隔膜应有足够的孔隙率和吸收电解质溶液的能力，以保证离子运动而导电。

隔膜材料本身都是绝缘性能良好的材料，如橡胶、玻璃丝、聚丙烯、聚氯乙烯等，以防止正、负极间的电子传递和接触，此外还要保证离子导电，故要求制成多孔的膜状物，以吸收足够的电解液。

5.外壳

外壳是电池的容器。电池的外壳材料必须能经受电解质的腐蚀，而且具有一定的机械强度。

资讯4 DC/DC转换器

直流—直流（DC/DC）转换器是一种将直流基础电压转变为其他种类电压的装置，以满足通信设备的不同电压需求，如图3-17所示。

1.原理、组成及作用

DC/DC转换器是将直流电先逆变（升压或降压）成交流电，然后再经整流变换为另一种直流电压的直流变换装置。

常用的DC/DC转换器一般是由DC/DC转换器模块、监控模块及与之配套的用户接口板和直流配电单元等组成的，如图3-18所示。

DC/DC转换器模块可以按并联均分负荷运行，将直流-48V或±24V电压变换为±12V、±5V、-24V等多种电压，经直流输出分路向负荷供电。监控模块负责对转换器模块及整个系统的工作状态及性能进行监控，并通过RS-232通信接口纳入上一级监控系统。

2.DC/DC转换器模块

DC/DC转换器模块由功率电路和控制电路两大部分组成。

（1）功率电路。负责DC/DC的变换，主要包括直流输入电路、DC/DC变换电路、直流输出滤波电路及辅助电源等。

① 直流输入电路包含防浪涌器件、差模与共模滤波器等。遇有雷击或其他高压浪涌时，防浪涌器件可以保护转换器免受冲击。差模滤波器和共模滤波器可有效抑制模块内部产生的高频噪声，同时也可使来自直流输入电源的干扰不会影响模块的正常工作。

② DC/DC变换电路主要包括逆变电路和整流输出电路，这是模块的重要组成部分。直流输出滤波电路主要用于抑制滤除逆变整流产生的干扰信号。

辅助电源电路为控制电路提供直流工作电压，同时还提供直流输入电压取样。

（2）控制电路。主要包括DC/DC变换的控制电路、保护电路、输出电压误差放大电路及数字显示、告警、通信电路等。控制电路提供功率变换所需要的一切控制信号，包括反馈电路、直流信号处理、模拟量和开关量的处理电路等。

3.DC/DC转换器的技术要求

在通信用DC/DC转换器技术要求中，正常使用条件下要求：环境温度为-5℃～+40℃，相对湿度不大于90%（40℃±2℃）；储存温度为－40℃～+70℃，储存相对湿度不大于90%RH～96%RH（40℃±2℃）；大气压力为86～106kPa；无剧烈振动和冲击，垂直倾斜度不超过5%；工作环境应无导电爆炸尘埃，无腐蚀金属和破坏绝缘的气体和蒸气，应通风良好，远离热源。对于特殊使用条件，例如车载、船载及高温、高湿和特殊大气压的环境下的应用，用户应在订货时提出要求，并与制造商达成协议。正常使用条件下，对DC/DC转换器的技术性能要求见表3-2。

续表

资讯5 监控模块

直流屏监控单元负责对系统的交流配电单元、直流配电单元、整流器组、蓄电池等进行综合管理，提供系统的信息查询、系统控制、远端监控和历史记录，测量直流屏的各种参量及故障报警信息，并给出声、光报警。

通过RS-485接口将其监测到的各种参量和故障报警信息传送给电源系统的监控模块，作为监控模块管理电源系统的重要依据。

直流屏监控单元测量的模拟量主要有系统输出总电流、系统输出总电压、二组电池组充放电电流。采集的报警量有各直流配电输出熔断器通断状态、二组电池熔断器通断状态、电池充电电流过大报警、电池充电电流紧急报警、电池电压欠压预报警、电池电压欠压紧急报警、电池电压过压报警、电池电压过压紧急报警等。

大、中容量的通信电源多采用分散式电源监控系统，这类监控系统的特点是系统监控模块通过整流模块监控单元、直流屏监控单元、交流屏监控单元分别采集数据，分级显示，集中管理。用得较多的监控模块如PSM-23、PSM-A等。

监控模块内部采用单片机控制技术，外部有电源接口、通信接口、干接点接口。电源接口为监控模块提供48V供电输入和为MODEM提供9V供电输出。

监控模块提供7个串行通信接口。串口1为RS-485/422兼容接口，专门用于远端后台的监视器控，距离小于1km；串口2为简单RS-232C接口，专门用于近端后台的监控，距离小于15m，不能与串口1同时使用；串口3为标准RS-232C接口，在系统中通过MODEM与后台通信；串口47为RS-485/422的兼容接口，用于与下级设备如整流模块、配电监控等的通信连接。

监控模块提供7组告警无源开关量信号输出，每组提供常开常闭触点，其输出告警信号可以在监控软件里任意设置。每一组触点可以设置多个告警信号输出。

资讯6 交流不间断电源（UPS）

不间断电源系统常用其英文简称UPS来表示。UPS是一种能为负载提供连续电能的电源系统，UPS也可理解为不间断电源设备。现代社会有大量的数据、图像、文字和语音信息需要传递、处理和储存，如果正在工作的信息设备突然遇到停电或供电质量太差，将导致信息丢失或发生畸变，造成极大损失。因此，UPS最主要的任务是以优良的供电质量向负载连续地供电。

UPS的分类方法很多，如表3-3所示。

由于静态式UPS有一系列的优点，它已成为UPS的主流，因而这里所论述的UPS均指静态式UPS。静态式UPS的主要组成部分由整流充电器、蓄电池、逆变器、静态开关和手动维修旁路开关组成，如图3-19所示。

1.整流器（充电器）

将市电或油机输入的交流电能变为直流电能，给逆变器提供能量，同时给蓄电池充电或浮充电。其性能优劣直接影响UPS的输入指标。

2.蓄电池

蓄电池用以为UPS提供一定后备时间的电能输出。在市电正常时，由整流器为其提供电能并转化为化学能；在市电中断时，蓄电池会将化学能再转变为电能，提供给逆变器。现在，UPS中的蓄电池一般采用阀控式密封铅酸蓄电池。

3.逆变器

逆变器将整流器或蓄电池送出的直流电能逆变为稳定可靠的高质量的交流电能，供给重要负载。其性能优劣直接影响UPS的输出性能指标。IGBT逆变器工作频率高（20kHz），滤波器体积小，噪声低，可靠性高。

4.静态旁路开关

在UPS本身故障时，静态旁路开关不间断地将负载从逆变器转换到交流输入电源。

静态旁路开关为无触点开关，由晶闸管开关器件构成。由于快速晶闸管的接通时间为微秒级，因而可以对负载实现转换时间为零的不间断供电。

5.维修旁路开关

UPS维修时，维修旁路开关将负载从逆变器转换到交流输入电源。