240V高壓直流電源在航天通信系統(tǒng)中的應(yīng)用探討
航天通信中心的研究人員劉棟梁,在2017年第12期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出,航天通信系統(tǒng)對電源的安全性、可靠性提出了極高的要求。近年來240V高壓直流供電系統(tǒng)以其安全性、可靠性以及投資和節(jié)能方面的巨大優(yōu)勢,已經(jīng)在國內(nèi)IT設(shè)備供電方面得到廣泛推廣應(yīng)用。
本文結(jié)合航天通信系統(tǒng)電源的現(xiàn)狀,對高壓直流供電技術(shù)的可行性和應(yīng)用技術(shù)要點進行了分析,并提出了在航天通信系統(tǒng)中推廣應(yīng)用的建議。
航天事業(yè)擔(dān)負著特殊的國家使命。由于航天通信系統(tǒng)的專用性和保密性特點,特別是較高的時效性要求,通信電源的可靠性是航天通信部門首要考慮的問題,是通信系統(tǒng)安全運行的重要保證。
當(dāng)前,航天系統(tǒng)各通信局(站)普遍采用UPS系統(tǒng)作為IT設(shè)備的主用電源,它克服了因市電中斷而導(dǎo)致的系統(tǒng)中斷。但是,UPS自身、甚至并機冗余系統(tǒng)的故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信事故也時有發(fā)生,已產(chǎn)生較大的社會影響和相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟損失(見參考文獻①)。
240V高壓直流供電系統(tǒng)(HVDC)作為一項簡單、可靠的技術(shù),其減少了電力轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),供電可靠性和效率大大提高,受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。航天通信部門應(yīng)積極跟蹤電源科技的發(fā)展變化,關(guān)注應(yīng)用實踐中的探索成果,將新技術(shù)轉(zhuǎn)換為新應(yīng)用,提升航天通信系統(tǒng)的可靠性水平。
1 UPS系統(tǒng)的不足
UPS是IT設(shè)備電源保障的主流設(shè)備。有些通信局(站)利用-48V蓄電池組資源與逆變器組合,來提升IT設(shè)備的供電保障等級,為非主流用法,產(chǎn)品較少。
圖1為UPS的構(gòu)成圖。在線式UPS運行的工作過程為整流(AC/DC)—浮充—逆變(DC/AC)—輸出;市電中斷時360V蓄電池組經(jīng)逆變電路保障IT設(shè)備的電能供給;UPS故障時,將維修開關(guān)轉(zhuǎn)入市電旁路維持供電。
圖1 UPS的構(gòu)成
圖2為逆變電源的構(gòu)成圖。相對于UPS來說,其特點是利用傳統(tǒng)通信局站已有的-48V蓄電池組和整流設(shè)備,配置逆變器即可。該系統(tǒng)適用于小容量不間斷交流供電,為減少整流設(shè)備的負荷,采取旁路運行模式。
圖2 某航天通信局逆變電源的構(gòu)成
如圖1、圖2所示,二者從輸入端到輸出端都經(jīng)歷整流—浮充—逆變—輸出的過程,轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)較多。系統(tǒng)均存在如下問題:①存在單點故障的可能,系統(tǒng)可靠性不高;②并聯(lián)運行時(并機冗余系統(tǒng))負載率低;③維護難度大,對廠家的依賴度較高;④轉(zhuǎn)換效率低。
2 240V高壓直流供電系統(tǒng)的優(yōu)勢
240V高壓直流供電系統(tǒng)有著技術(shù)成熟、可靠性高、維護操作簡易、轉(zhuǎn)換效率高、在線擴容簡單等優(yōu)點,通信業(yè)界一直在探討采用高壓直流系統(tǒng)來代替UPS系統(tǒng)。240V高壓直流供電系統(tǒng)具有明顯技術(shù)優(yōu)勢和價格優(yōu)勢,且能在沿用現(xiàn)有的IT設(shè)備的前提下推廣使用,因此得到了各級部門的廣泛重視和支持。
2.1 系統(tǒng)構(gòu)成簡單
圖3為240V高壓直流供電系統(tǒng)構(gòu)成圖。由圖中可以看出,原理、架構(gòu)與傳統(tǒng)通信局(站)的-48V直流供電系統(tǒng)完全相同,而后者的可用性及可靠性均得到數(shù)十年運行的檢驗。因此,該系統(tǒng)易于維護,對廠商的依賴度降低;負載率高且易于擴容;運行效率高;直流母排是電池組、整流器、負載的共同匯結(jié)點,系統(tǒng)可靠性高。
圖3 240V高壓直流供電系統(tǒng)的構(gòu)成
2.2 供電配電簡便
圖4為240V高壓直流供電系統(tǒng)圖(通信行業(yè)標(biāo)準YD/T 2378-2011圖A.1)。由圖中可以看出,電池組經(jīng)熔斷器與整流模塊輸出端在總輸出屏構(gòu)成輸出母排,系統(tǒng)兩路輸出(A路和B路),通過列頭柜配電,來滿足雙電源服務(wù)器的需求,而單電源服務(wù)器僅使用A路或B路。
圖4 240V高壓直流供電系統(tǒng)
系統(tǒng)采用2根電纜(+、-極)、以懸浮方式由電源端向設(shè)備端供電;全系統(tǒng)機架外殼與樓層等電位體進行電氣連接。
2.3 系統(tǒng)投資減少
根據(jù)中國電信江蘇鹽城分公司統(tǒng)計數(shù)據(jù),相對于新建UPS系統(tǒng),采用240V高壓直流供電系統(tǒng)可平均節(jié)省投資超過40%,整個生命周期內(nèi)平均節(jié)省電力20%~30%(見參考文獻③)。
3 HVDC應(yīng)用的可行性分析
隨著電源技術(shù)的進步,IT設(shè)備的電源模塊早已采用高頻開關(guān)電源。這樣,240V高壓直流系統(tǒng)供電成為可能。
3.1 240V高壓直流的可用性
圖5為IT設(shè)備電源模塊交流電入口處的等效圖。由圖中可以看出,在傳統(tǒng)的工作環(huán)境下,AB間Ui為標(biāo)稱的220V交流電;全橋整流后CD間Uo將獲得198~308V的直流電(視負載率大小和有無PFC-功率因數(shù)校正電路)。
市電電壓波動將引起整流電壓的波動。根據(jù)GB/T 12325-2003《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》的規(guī)定,電壓偏差為標(biāo)稱電壓的﹣10%、+7%,即198~235.4V,對應(yīng)的整流電壓Uo為178.2~329.6V??梢?,IT設(shè)備CD間工作電壓的范圍是較寬的。
當(dāng)IT設(shè)備直接采用直流供電,如A端+、B端-,Ui為DC270V(浮充電壓)時,將使得二極管2、4長期導(dǎo)通,另兩只1、3長期截止。二極管2、4等效為導(dǎo)體,CD間Uo約為270V的直流電。結(jié)論是:IT設(shè)備在AC220V或DC270V條件下完全等效工作。
圖5 IT設(shè)備交流電入口處等效圖
3.2 HVDC各種狀態(tài)下的輸出電壓分析
YD/T 2378-2011《通信用240V直流供電系統(tǒng)》要求,系統(tǒng)應(yīng)采用鉛酸蓄電池組、并且應(yīng)具有電池管理能力。鉛酸蓄電池的特性決定了電池組的電壓范圍,而是否在IT設(shè)備的承受范圍內(nèi)是可用性研究的關(guān)鍵因素?,F(xiàn)以國內(nèi)某品牌電池為例,分析各種狀態(tài)下的輸出電壓。
1)浮充狀態(tài)。YD/T 2378-2011《通信用240V直流供電系統(tǒng)》要求,240V高壓直流電源的輸出電壓范圍是204~288V,全程允許最大壓降為12V,即IT設(shè)備的電壓承受范圍是192~288V。常態(tài)下,該品牌240V蓄電池組的浮充電壓為270V,滿足IT設(shè)備的電壓要求。
2)放電狀態(tài)。當(dāng)遭遇長時間停電而又無后備手段時,蓄電池組放電的終止(保護)電壓為222V,高于IT設(shè)備工作電壓下限(204V)的要求。當(dāng)然,現(xiàn)代通信局(站)應(yīng)(都)具有后備電源和快速接續(xù)的能力。
3)均充狀態(tài)。該品牌240V蓄電池組的均充電壓為282V,低于IT設(shè)備工作電壓上限(288V)的要求。
由以上的參數(shù)分析可以得出結(jié)論:240V高壓直流供電系統(tǒng)各種狀態(tài)下的輸出電壓均可滿足IT設(shè)備的工作需要,且有一定的安全裕度。
3.3 建立了完善的標(biāo)準體系
我國相繼發(fā)布了YDB 037-2009《通信用240V直流供電系統(tǒng)技術(shù)要求》、YD/T 2378-2011《通信用240V直流供電系統(tǒng)》、YD/T 2555-2013《通信用240V直流供電系統(tǒng)配電設(shè)備》、YD/T 2556-2013《通信用240V直流供電系統(tǒng)應(yīng)用維護技術(shù)要求》、YD 5210-2014《240V直流供電系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》等系統(tǒng)性標(biāo)準,為推廣240V高壓直流供電系統(tǒng)應(yīng)用、逐步替代UPS電源系統(tǒng)奠定了扎實的基礎(chǔ)。
4 HVDC在航天通信系統(tǒng)中應(yīng)用設(shè)想
近年來,業(yè)界對240V系統(tǒng)進行了廣泛的研究,三大運營商和多家著名IT企業(yè)已在多地建設(shè)了試驗性系統(tǒng),通信設(shè)備制造商已有配套產(chǎn)品。更為重要的是,如上文所述,我國率先編制了相關(guān)的系統(tǒng)性技術(shù)標(biāo)準。
航天通信各部門應(yīng)積極借鑒通信行業(yè)HVDC的實踐經(jīng)驗,高度重視系統(tǒng)建設(shè)或改造各環(huán)節(jié)的技術(shù)要點。秉承“嚴謹務(wù)實”的傳統(tǒng)精神和“穩(wěn)中求進”的工作作風(fēng),航天通信電源系統(tǒng)的技術(shù)進步將指日可待。
4.1 IT設(shè)備適應(yīng)性的核查
如前所述,HVDC系統(tǒng)的應(yīng)用是基于IT設(shè)備的電源變換采用了開關(guān)電源技術(shù)。對于舊有系統(tǒng)的供電改造,要高度重視IT設(shè)備適應(yīng)性的核查環(huán)節(jié)。
核查至少包括以下項目:①IT設(shè)備電源回路不得有船型開關(guān)或紐子開關(guān);②IT設(shè)備電源回路無并聯(lián)的感性元器件和串聯(lián)的容性元器件;③IT設(shè)備上不得有變壓器、交流電動機,如交流風(fēng)扇等;④IT設(shè)備能夠在192~288V直流電壓范圍內(nèi)正常工作。
240V高壓直流供電系統(tǒng)能滿足采用SSI和ATX規(guī)范電源模塊的IT設(shè)備。
4.2 系統(tǒng)建設(shè)中應(yīng)關(guān)注的技術(shù)要點
IT設(shè)備采用直流電供電,顛覆了人們的一貫思維。隨著技術(shù)進步和建設(shè)實踐,系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)成熟。但由于直流電的特性,系統(tǒng)建設(shè)中應(yīng)關(guān)注以下技術(shù)要點。
1)系統(tǒng)容量的選擇。根據(jù)YD/T 2378-2011《通信用240V直流供電系統(tǒng)》的要求,系統(tǒng)供電宜采用分散供電方式,單個系統(tǒng)容量不宜超過600A。
2)配置絕緣監(jiān)察裝置。高壓直流電源系統(tǒng)屬于不接地系統(tǒng), 如果系統(tǒng)自身或輸電線路出現(xiàn)絕緣降低問題,絕緣監(jiān)察將發(fā)揮極為重要的作用(絕緣告警整定值15~30kΩ)。
3)系統(tǒng)對地懸浮。YD/T 2378-2011《通信用240V直流供電系統(tǒng)》規(guī)定,通信用高壓直流供電系統(tǒng)正、負極均不得接地,應(yīng)采用對地懸浮供電方式;系統(tǒng)的交流輸入應(yīng)與直流輸出電氣隔離,系統(tǒng)輸出應(yīng)與地、機架、外殼電氣隔離。
4)熔斷器與斷路器的配合。直流配電第一級的正負極分別設(shè)置熔斷器,發(fā)生故障時,確保兩個熔斷器同時分斷,以此來保障電源系統(tǒng)安全性。而在列頭柜等小電流支路,可以選擇雙極直流型斷路器。熔斷器與斷路器的串聯(lián)使用,能夠?qū)崿F(xiàn)整個系統(tǒng)的安全性和操作的便利性。
5)直流PDU和插頭連接。直流電難以消弧,不應(yīng)直接使用插座式PDU分斷電源;而端子式PDU又接線復(fù)雜。通過二者結(jié)合

責(zé)任編輯:售電衡衡
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