通信用240 V直流供電安全性分析

王冬紅

（中國(guó)電信江蘇泰州分公司）

1 研究背景

IDC業(yè)務(wù)是中國(guó)電信近年來(lái)快速發(fā)展的重要業(yè)務(wù)，但由于前期建設(shè)及維護(hù)經(jīng)驗(yàn)不足，目前已暴露出很多嚴(yán)重威脅到安全運(yùn)行的問(wèn)題，尤其是供電安全直接關(guān)系到業(yè)務(wù)全局。為此，中國(guó)電信集團(tuán)公司、江蘇省電信公司多次開(kāi)展全網(wǎng)IDC機(jī)房和IT系統(tǒng)的供電和環(huán)境安全專項(xiàng)檢查。UPS供電系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性上存在不足增加了維護(hù)人員的工作壓力，引起各級(jí)維護(hù)人員的高度重視，迫切需要運(yùn)行穩(wěn)定可靠的供電系統(tǒng)代替UPS供電。

2 UPS不間斷電源系統(tǒng)存在問(wèn)題分析

UPS供電系統(tǒng)采用1＋1并聯(lián)輸出供電，UPS輸出由逆變器、市電旁路和維修旁路組成。一般稱UPS供電為不間斷電源，主要是市電停電后后備蓄電池組經(jīng)逆變器逆變輸出給負(fù)載供電。正常情況下，主用或備用UPS發(fā)生故障自動(dòng)退出系統(tǒng)并報(bào)警，后備電池電壓低或系統(tǒng)有故障自動(dòng)轉(zhuǎn)市電旁路。但在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)發(fā)生UPS設(shè)備本身發(fā)生故障后，主用或備用故障不能自動(dòng)退出，而是輸出電壓閃斷后轉(zhuǎn)旁路供電，從而造成設(shè)備斷電。主要原因機(jī)組在故障瞬間無(wú)法與市電同步，故障機(jī)組轉(zhuǎn)旁路而非故障機(jī)組在逆變狀態(tài)下工作發(fā)生電壓頻率初相不同步引起閃斷。

UPS交流供電系統(tǒng)存在相位差、頻率、初相的要求，多數(shù)割接施工時(shí)需停電作業(yè)。

能效低：UPS供電系統(tǒng)采用1＋1并聯(lián)輸出供電，總輸出不能大于單臺(tái)的額定容量，則每臺(tái)整流系統(tǒng)和逆變系統(tǒng)輸出工作在50%以下，能效比在較低范圍內(nèi)。UPS主電路中各部分能耗如圖1所示。

圖1 UPS主電路中各部分能耗

3 通信用240V直流供電系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新

通信用240 V直流供電系統(tǒng)由交流配電屏（單系統(tǒng)可省略）、整流架、直流配電屏、蓄電池組組成（見(jiàn)圖2）。市電220 V交流電源輸入到各臺(tái)高頻開(kāi)關(guān)電源模塊后，整流成高壓直流并聯(lián)輸出至直流配電屏母排上，蓄電池組經(jīng)熔斷器并聯(lián)連接在直流配電屏母排上，直流配電控制后再分別輸出供IT設(shè)備電源模塊（簡(jiǎn)稱電源板）上。通信用240V直流供電系統(tǒng)除了供電電壓值不同外和傳統(tǒng)－48 V直流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，系統(tǒng)整流變換比－48 V直流整流變換電路簡(jiǎn)單。

圖2 高壓直流供電系統(tǒng)原理框圖

IT設(shè)備內(nèi)部工作電源模塊（簡(jiǎn)稱電源板）采用高頻開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源，輸入交流220 V電壓（AC85 V～265V），高頻開(kāi)關(guān)整流電路首先將輸入交流經(jīng)全橋整流電路或半橋整流電路轉(zhuǎn)變成直流電壓（DC120 V～373V），再通過(guò)直流／直流變換、功率因素校正等，最后整流變換成12 V、5 V或3.3 V等低壓直流給IT設(shè)備使用。而全橋整流電路或半橋整流電路（半橋需注意極性）對(duì)直流電可以直接輸入，只要直流電壓能夠達(dá)到工作電壓范圍就可以使用，省略交流整流成直流電路（見(jiàn)圖3）。

圖3 IT設(shè)備的基本原理框圖

通信用240 V直流電源代替交流電源供電時(shí)，由于IT設(shè)備內(nèi)部電源整流模塊沒(méi)有工頻變壓器而直接通過(guò)高頻開(kāi)關(guān)整流濾波電路，這就使得IT設(shè)備內(nèi)部電源模塊的工作原理與交流電源供電原理相同。高頻開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)是寬電壓輸入，現(xiàn)在IT設(shè)備電源交流輸入一般是AC85 V～264 V（有效值），經(jīng)過(guò)整流之后為DC120 V～373 V，也就是說(shuō)，只要在輸入端加DC120 V～373 V之間的一個(gè)直流電壓，設(shè)備都可以正常合理設(shè)置通信用240 V直流電源系統(tǒng)的浮、均充電壓值，保證電源模塊的安全工作（見(jiàn)圖4）。

圖4 服務(wù)器電源模塊直流電源代替交流供電

4 通信用240V直流供電系統(tǒng)與UPS不間斷電源安全性比較

4.1 供電可靠性

1）UPS不間斷電源系統(tǒng)組成：AC380 V／220 V→整流電路（半波或全波整流）→DC470V／280 V母排上并聯(lián)470 V／280 V蓄電池組→逆變電路→AC380 V／220 V→靜態(tài)開(kāi)關(guān)電路→負(fù)載斷路器。

2）通信用240 V高頻開(kāi)關(guān)電源：AC380 V／220 V→整流電路（半波或全波整流）→DC470 V／240 V母排上并聯(lián)DC470V／240 V蓄電池組→DC470V／240V→負(fù)載斷路器。

結(jié)論：

通信用240 V高頻開(kāi)關(guān)電源比UPS電源省略逆變電路和靜態(tài)開(kāi)關(guān)電路，減少故障點(diǎn)，所以通信用240 V高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，供電更可靠。

4.2 耐壓性能

1）交流標(biāo)稱220 V電壓有效值：額定值為220 V，范圍－15%到＋10%，即187 V到242 V（有效值）。

2）交流標(biāo)稱220 V電壓最大值：最大值為1.414×220 V＝310 V，范圍－15%到＋10%，即263.5 V～341 V（最大值）。

3）通信用240 V直流標(biāo)稱電壓：浮充電壓120×2.25＝270 V，充電電壓120×2.35＝282V，終止電壓120×1.90＝228 V。

4）耐壓比較

交流220 V標(biāo)稱電壓供電，系統(tǒng)耐壓要求是187 V到341 V。

通信用240 V直流電壓供電，系統(tǒng)耐壓要求是228 V到282V。

結(jié)論：

交流220 V電壓供電系統(tǒng)耐壓要求高于直流240V電壓供電。即通信用240V直流供電系統(tǒng)耐壓要求完全滿足交流供電系統(tǒng)，通信用240V直流供電系統(tǒng)完全可以在原交流供電高阻負(fù)載上使用（原交流供電低阻感性負(fù)載不能替代）。

4.3 供電系統(tǒng)比較

1）通信用240 V直流整流模塊采用N＋1配置，單個(gè)模塊故障自動(dòng)退出系統(tǒng)并報(bào)警，和48 V直流具有相同安全特性。

2）通信用240 V直流整流模塊輸出到直流母排上，母排上并聯(lián)DC470 V／240 V蓄電池組。當(dāng)市電停電時(shí)，由蓄電池直接向負(fù)載供電，無(wú)瞬間中斷，供電可靠性最高。

3）通信用240 V直流供電系統(tǒng)沒(méi)有交流供電系統(tǒng)中相位差、頻率、初相的要求，割接施工時(shí)只需將二套系統(tǒng)中電壓差調(diào)整到1 V以下就行，施工簡(jiǎn)單。

4）通信用240V直流供電系統(tǒng)中正負(fù)極均不接地，人體碰到單極時(shí)不會(huì)發(fā)生觸電事故。人體誤碰正負(fù)極時(shí)，觸電后果遠(yuǎn)小于交流。

5）通信用240V直流供電系統(tǒng)分合閘操作時(shí)沒(méi)有交流供電系統(tǒng)中過(guò)零點(diǎn)產(chǎn)生操作過(guò)電壓，使負(fù)載受過(guò)電壓易損壞。

4.4 負(fù)載電源板（機(jī)架電源）輸出能力比較

1）交流供電時(shí)電源板（機(jī)架電源模抉）輸出功率為額定功率。

2）采用高壓直流時(shí)全波整流電路只有一半功率管工作，輸出功率為額定功率的50%（此時(shí)功率管在滿載狀態(tài)下運(yùn)行，關(guān)注溫升）。

4.5 負(fù)載電源板（機(jī)架電源）發(fā)生故障后比較

1）交流供電時(shí)電源板（機(jī)架電源模抉）發(fā)生故障中，一半功率管斷路時(shí)為半波工作，全波功率管斷路時(shí)機(jī)架負(fù)載斷電停止工作；功率管為短路時(shí)，濾波電容器將交流供電電壓短路（濾波電容器隔直通交），輸入熔斷器或斷路器跳閘保護(hù)，機(jī)架負(fù)載斷電停止工作。

2）高壓直流供電時(shí)電源板（機(jī)架電源模抉）發(fā)生故障中，功率管斷路時(shí)機(jī)架負(fù)載斷電停止工作；功率管為短路時(shí)，濾波電容器對(duì)直流供電電壓處于開(kāi)路狀態(tài)，高壓直流串到機(jī)架負(fù)載上，機(jī)架負(fù)載在高壓直流電壓下絕緣被擊穿，服務(wù)器等機(jī)架負(fù)載被燒毀。

5 通信用240V直流供電系統(tǒng)使用中注意事項(xiàng)

5.1 負(fù)載要求

1）低阻感性負(fù)載（電動(dòng)機(jī)、風(fēng)扇存在繞組等）一定要接交流電壓（AC380 V／220 V）。

2）電源板（機(jī)架電源模抉）帶降壓變壓器（屬感性負(fù)載范圍）一定要接交流（AC380 V／220 V）。

3）電源板（機(jī)架電源模抉）直接采用高頻整流變流，可釆用高壓直流，采用高壓直流時(shí)對(duì)高頻半波整流電路需考慮極性，全波只有一半功率管工作。電源板輸出功率控制在額定輸出功率25%以下。電信使用IT設(shè)備是從安全考慮，電源板輸出功率冗余高，使用高壓直流供電時(shí)，功率管在低負(fù)載下工作。托管服務(wù)器電源板輸出功率冗余小，如果使用高壓直流供電時(shí)，功率管在滿負(fù)載下工作，功率管溫升高，建議采用UPS不間斷電源供電。

4）感性負(fù)載判定方法：將設(shè)備電源插頭用萬(wàn)用表電阻檔高阻測(cè)量時(shí)，二次電源采用感性負(fù)載測(cè)量時(shí)電阻值低，二次電源采用高頻開(kāi)關(guān)電源高阻檔測(cè)量時(shí)電阻值顯示高阻特性（2 M電阻檔顯示無(wú)窮大）。

5.2 配電要求

1）直流供電系統(tǒng)采用熔斷器控制，熔斷器安裝固定背板必須采用絕緣材料，防止熔斷器上帶電部分上灰塵與金屬機(jī)架發(fā)生短路。

2）直流供電系統(tǒng)采用空氣斷路器，斷路器安裝固定背板必須采用絕緣材料，小型斷路器安裝固定采用金屬卡條。

3）直流供電系統(tǒng)正負(fù)極不接地，總直流配電屏上各主路輸出負(fù)載必須進(jìn)行漏電測(cè)量。

4）－48 V蓄電池組端電壓為每節(jié)監(jiān)控測(cè)量，通信用240 V直流使用2 V蓄電池組時(shí)，監(jiān)控測(cè)量端電壓采用每5節(jié)做一點(diǎn)測(cè)量。

5）增加蓄電池組在非市電停電放電后充電、非定期均充等異常充電電流告警，防止單體電池落后、充電電流增大、蓄電池組溫度過(guò)高。

6）做好電纜、機(jī)架上高壓直流標(biāo)記，機(jī)架上多余插座上插孔進(jìn)行封貼。

5.3 維護(hù)要求

負(fù)載電源板（機(jī)架電源模抉）散熱風(fēng)扇運(yùn)行正常，過(guò)濾網(wǎng)保證清潔，使用環(huán)境溫度符合要求。

6 總 結(jié)

通信用240 V直流供電系統(tǒng)中蓄電池組并聯(lián)在輸出母排上，輸出由熔斷器或空氣斷路器控制，系統(tǒng)電壓無(wú)閃斷或突變發(fā)生，提高了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性；240 V直流輸出電源由多臺(tái)高頻開(kāi)關(guān)電源整流模塊并聯(lián)均流輸出，提高了供電系統(tǒng)的可靠性；高頻開(kāi)關(guān)電源整流模塊生產(chǎn)使用已經(jīng)有幾十年歷史，技術(shù)成熟；高頻開(kāi)關(guān)電源維護(hù)簡(jiǎn)單，維護(hù)人員有多年維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。通信用240 V高頻開(kāi)關(guān)電源生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、維護(hù)、使用相關(guān)規(guī)范的出臺(tái)，使得通信用240 V直流供電系統(tǒng)更加安全可靠。通信用240 V直流供電重點(diǎn)控制電源板（機(jī)架電源模抉）輸出功率在25%額定容量以下，防止功率開(kāi)關(guān)管超負(fù)載、溫升過(guò)高以及短路故障的發(fā)生。

［1］ 《中國(guó)電信電源、空調(diào)維護(hù)規(guī)程（試行）》.

［2］ 《中國(guó)電信集團(tuán)IDC維護(hù)規(guī)范（暫行）》.

［3］ 中國(guó)電信股份有限公司江蘇省分公司（2010－2）《通信用240 V直流供電系統(tǒng)維護(hù)規(guī)范》.