電力通信設(shè)備電源新技術(shù)及其應(yīng)用

莊 昕,趙玉濱,王 銳

(1.黑龍江電通自動(dòng)化有限公司,黑龍江 哈爾濱 150090;2.哈爾濱超高壓局,黑龍江 哈爾濱 150090)

電力通信設(shè)備電源新技術(shù)及其應(yīng)用

莊 昕1,趙玉濱1,王 銳2

(1.黑龍江電通自動(dòng)化有限公司,黑龍江 哈爾濱 150090;2.哈爾濱超高壓局,黑龍江 哈爾濱 150090)

介紹了電力通信電源幾種供電方式的特點(diǎn),以及通信電源系統(tǒng)開關(guān)器件換代的原因。闡述了電力通信設(shè)備電源的新技術(shù)及其發(fā)展方向,同時(shí),指出了通信設(shè)備對通信電源的要求。結(jié)合實(shí)際,提出了黑龍江電力通信設(shè)備電源新技術(shù)應(yīng)用于黑龍江電力通信網(wǎng)的應(yīng)急預(yù)案。

電力通信;通信電源;開關(guān)整流器;蓄電池

1 電力通信設(shè)備電源的供電方式

通信電源通常被稱為通信設(shè)備的“心臟”,在通信局或通信站中,具有無可比擬的重要地位。隨著相關(guān)學(xué)科理論和技術(shù)的不斷發(fā)展,通信電源也在不斷發(fā)展進(jìn)步,主要表現(xiàn)為供電方式由集中供電向分散供電發(fā)展、電力電子新技術(shù)在整流器中的運(yùn)用、免維護(hù)蓄電池的應(yīng)用和電源集中組網(wǎng)監(jiān)控等等。

通信電源的供電方式大多采用集中供電方式,即將電源設(shè)備集中安裝在電池室,由集中式電源向各通信設(shè)備供電的方式。這種供電方式是在采用可控硅相控整流器和普通鉛酸蓄電池的條件下產(chǎn)生的,由于上述設(shè)備體積龐大笨重、噪音大、有酸霧污染環(huán)境,只能將所有電源設(shè)備安裝在電力公司大樓底層的電池室。集中式電源設(shè)備遠(yuǎn)離通信負(fù)荷中心,直流輸電損耗大,安裝和運(yùn)行費(fèi)用較高,系統(tǒng)可靠性較差。

20世紀(jì) 80年代以來,開關(guān)整流器和免維護(hù)蓄電池的出現(xiàn)和越來越多的應(yīng)用,使分散式供電成為可能。分散供電方式中,交流電源系統(tǒng)仍可采用集中供電方式,但將電源設(shè)備移至通信機(jī)房內(nèi),依據(jù)通信系統(tǒng)的具體情況有多種分設(shè)方法。與傳統(tǒng)的集中供電方法比較,有綜合投資少、擴(kuò)容方便、運(yùn)行更可靠、容易實(shí)現(xiàn)智能管理與無人值守等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然,分散供電也有一定缺陷:所需蓄電池的個(gè)數(shù)和成本加大,對交流電源可靠性、電磁兼容性、電源設(shè)備使用性能以及維護(hù)人員技術(shù)水平等均有較高要求。

2 電力通信設(shè)備電源新技術(shù)

2.1 開關(guān)器件

整流器是整個(gè)通信電源系統(tǒng)中對系統(tǒng)可靠性影響最大、技術(shù)含量最高、技術(shù)更新也最快的部分。在早期多采用可控硅相控整流器,現(xiàn)已逐步為高頻開關(guān)整流器取代。

開關(guān)器件是開關(guān)整流器的核心器件。在早期整流器中應(yīng)用的開關(guān)器件是可控硅(SCR),通過改變導(dǎo)通角來控制輸出電壓,工作頻率為工頻(50 Hz),對電網(wǎng)污染嚴(yán)重,而且相應(yīng)整流器的電感電容工作頻率也均為工頻,導(dǎo)致體積龐大笨重,功率密度低。

現(xiàn)在多采用 MOSFET和 IGBT等新一代開關(guān)器件,前者工作頻率可達(dá)幾百千赫,甚至上兆赫,后者在采用軟開關(guān)技術(shù)后,也可達(dá)上百千赫。為整流器的高頻化和高功率密度奠定了基礎(chǔ)。

開關(guān)電源的主要組成部分是 DC-DC變換器,DC-DC功率變換技術(shù)一直是全世界電力電子學(xué)科和行業(yè)研究的焦點(diǎn),近 30年來,DC-DC變換技術(shù)經(jīng)過了一個(gè)由硬及軟的過程。

2.2 功率因數(shù)校正

開關(guān)整流器內(nèi)部一般采用兩級變換形式:首先通過 AC-DC整流、濾波電路將交流輸入變?yōu)橹绷?再通過 DC-DC環(huán)節(jié)變?yōu)橄鄳?yīng)的直流電。由于前級的整流、濾波電路是一種非線形元件和儲(chǔ)能元件的組合,因此,從電網(wǎng)側(cè)看來,開關(guān)整流器相當(dāng)于一個(gè)容性負(fù)載,它使得電網(wǎng)供電發(fā)生嚴(yán)重畸變,不再是單一基波頻率的正弦波,造成諧波污染。導(dǎo)致噪聲、誤動(dòng)作、振動(dòng)、過熱甚至燒毀等事故的發(fā)生,同時(shí)增加了配電系統(tǒng)和變壓器的損耗、增大了中線電流(諧波),還嚴(yán)重干擾了各種無線電通信的正常工作。

為了減小 AC-DC變流電路輸入端諧波電流造成的噪聲和對電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波“污染”,以保證電網(wǎng)供電質(zhì)量,提高電網(wǎng)的可靠性,各國電力電子研究機(jī)構(gòu)開始研究提高 AC-DC電路輸入端功率因數(shù)和減小輸入電流諧波方法,提出的方案主要有兩類:無源濾波器和有源功率因數(shù)校正器。無源濾波器是在整流電路和濾波電容之間串聯(lián)工頻濾波電感,或在交流側(cè)接入諧振濾波器,其主要優(yōu)點(diǎn)是簡單、成本低、電磁干擾小,主要缺點(diǎn)是尺寸長、質(zhì)量大,難以得到高功率因數(shù)、工作性能與頻率、負(fù)載變化及輸入電壓有關(guān)等。有源功率因數(shù)校正器是近一、二十年來發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù),它在整流電路和負(fù)載之間接入了一個(gè) DC-DC閉環(huán)開關(guān)變換器,其主要優(yōu)點(diǎn)是可得到較高的功率因數(shù),可在較寬的輸入電壓范圍和寬頻帶下工作;體積、質(zhì)量小;輸出電壓也可保持恒定。

2.3 防雷網(wǎng)絡(luò)

雷電在短時(shí)間內(nèi)對沒有保護(hù)的設(shè)備呈現(xiàn)瞬間高壓,對電源設(shè)備及用電設(shè)備危害極大。雷擊分直擊雷和感應(yīng)雷兩種,直擊雷擊中線路并沿導(dǎo)線或電纜流過大量的雷電流,同時(shí)引起幾千伏的過電壓直接加到線路裝置和電源設(shè)備上,持續(xù)時(shí)間達(dá)若干微秒,這種雷危害性最大。感應(yīng)雷通過雷云之間或雷云對地的放電,在附近的電纜或用電設(shè)備等導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電壓,危害設(shè)備的安全。由于雷擊給供電及用電設(shè)備造成的損失每年不計(jì)其數(shù),電源的防雷技術(shù)成為全世界研究的熱點(diǎn)之一,它對于通信系統(tǒng)而言,具有更加重要和現(xiàn)實(shí)的意義。

目前國內(nèi)外被廣泛接受的防雷思路是由 3道防線構(gòu)成一個(gè)完整的防護(hù)體系,這 3道防線是:第一道是將絕大部分雷電流直接引入地中泄散,第二道防線是阻塞侵入波沿引入線進(jìn)到設(shè)備上的雷電過電壓,第三道是限制被保護(hù)物上的雷電過電壓幅值。這種防雷方式不僅對防雷擊較為有效,對防電網(wǎng)上的電壓浪涌也有效。

2.4 免維護(hù)蓄電池

傳統(tǒng)的開口型電池,由于平時(shí)水的蒸發(fā)和充電終期的分解,需要經(jīng)常補(bǔ)充蒸餾水。此外在充電終期,氫氧從負(fù)正極板冒出來時(shí)將稀硫酸帶出形成酸霧,污染環(huán)境,必須及時(shí)清洗。這就給維護(hù)人員帶來很大的工作量。

免維護(hù)蓄電池的正負(fù)極板與電解液和一般的鉛酸蓄電池一樣,但其密封程度高,電解液呈凝膠狀或者被吸收在高孔率的隔離板內(nèi),不象開口型電池中的電解液可以自由流動(dòng);極板柵采用少銻或無銻鉛合金,自放電小;正負(fù)極板全被隔離板包圍,有效物質(zhì)不易脫落,使用壽命長;由于密封好,水分不易蒸發(fā),加之采用陰極吸收法抑制氣體產(chǎn)生,利用負(fù)極容量相對正極容量過剩來吸收氧氣,而氫氣發(fā)生量也甚微,故無須添加蒸餾水。

由于免維護(hù)蓄電池具有以上特點(diǎn),大大減少了工作人員對電池的維護(hù)工作,并在通信系統(tǒng)中大量應(yīng)用。

2.5 電源集中組網(wǎng)監(jiān)控

在通信電源的監(jiān)控領(lǐng)域內(nèi),以先進(jìn)的、集中的、自動(dòng)化的維護(hù)管理方式來管理通信電源及通信設(shè)備是必然趨勢,集中監(jiān)控的目的是對分布的電源及其它一些設(shè)備進(jìn)行遙控、遙測、遙信,實(shí)時(shí)監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),記錄和處理有關(guān)數(shù)據(jù),及時(shí)偵測故障,通知人員處理,從而提高供電系統(tǒng)的可靠性。

目前,國內(nèi)通信部門正在組建動(dòng)力與環(huán)境智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),其目的是時(shí)實(shí)監(jiān)視系統(tǒng)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),檢測和處理故障,記錄和處理相關(guān)數(shù)據(jù)。而動(dòng)力的管理是通信網(wǎng)絡(luò)安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵,沒有全面的動(dòng)力管理系統(tǒng)就可能引起動(dòng)力的中斷或?yàn)?zāi)難性事故。組建動(dòng)力與環(huán)境智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),對分散供電方式直流電源系統(tǒng)尤為重要,因?yàn)榉稚⑹诫娫聪到y(tǒng)分成了若干個(gè)小單元,需要更多的冗余整流器、蓄電池組、分體空調(diào)。所以只有通過組網(wǎng)監(jiān)控,才可能體現(xiàn)供電可靠性高的優(yōu)點(diǎn),以及達(dá)到少人或無人維護(hù)管理的目標(biāo)。

3 通信設(shè)備對通信電源的要求

3.1 可靠

為了確保通信暢通,除了必須提高通信設(shè)備的可靠性外,還必須提高電源系統(tǒng)的可靠性,要求電源系統(tǒng)不能有 1ms的間斷。通常,電源系統(tǒng)要給許多通信設(shè)備供電,因此電源系統(tǒng)發(fā)生故障后,對通信的影響很大。為確?？煽抗╇?在直流供電系統(tǒng)中,采用整流器與電池并聯(lián)浮充供電方式。此外在先進(jìn)的開關(guān)整流器都采用多個(gè)整流模塊并聯(lián)工作的方式,這樣當(dāng)某一個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)不會(huì)影響供電。

3.2 穩(wěn)定

各種通信設(shè)備要求電源電壓穩(wěn)定,不能超過允許的變化范圍。電源電壓過高,會(huì)損壞通信設(shè)備中的電子元件,電源電壓過低,通信設(shè)備不能正常工作。此外,直流電源電壓中的脈動(dòng)雜音也必須低于允許值,否則,也會(huì)嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。

3.3 小型

隨著集成電路的迅速發(fā)展正向著小型化、集成化方向發(fā)展。為了適應(yīng)通信設(shè)備的發(fā)展,電源裝置也必須實(shí)現(xiàn)小型化、集成化。此外,各種移動(dòng)通信設(shè)備和航空、航天裝置中的通信設(shè)備更要求電源裝置體積小,質(zhì)量輕。為了減少電源裝置的體積和質(zhì)量各種集成穩(wěn)壓器和無工頻率變壓器的開關(guān)電源得到了越來越廣泛的應(yīng)用。近年來,工作頻率高到幾百 kHz且體積非常小的諧振型開關(guān)電源,在通信設(shè)備中也大量應(yīng)用。

3.4 高頻率

隨著通信設(shè)備的容量日趨增加,電源系統(tǒng)的負(fù)荷不斷增大,為節(jié)約電能,必須設(shè)法提高電源裝置的效率。節(jié)能主要措施是采用高效率通信電源設(shè)備,過去,通信設(shè)備大多采用相控型整流器,這種電源效率較低,變壓器損耗較大。而高頻開關(guān)電源效率較高可達(dá)到 90%以上,因此采用高頻開關(guān)電源可以節(jié)約能源。

4 黑龍江電力通信設(shè)備電源的實(shí)際應(yīng)用

黑龍江省電力通信網(wǎng)通信電源系統(tǒng)采用的是三臺(tái)整流器和三組蓄電池構(gòu)成的通信電源供電系統(tǒng),結(jié)合黑龍江省電力通信電源系統(tǒng)的實(shí)際,相應(yīng)制定了黑龍江通信電源應(yīng)急預(yù)案,以保證黑龍江省通信電源系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行,從而確保黑龍江電力通信電路暢通無阻。

4.1 整流器交流失電

來自變電所的一路交流電,經(jīng)交流屏分配到三臺(tái)整流器的輸入端。若交流失電,則所有通信設(shè)備均由蓄電池供電,長時(shí)間運(yùn)行會(huì)引起通信設(shè)備失電。遇到整流器交流失電應(yīng)采用措施進(jìn)行處理。

電源監(jiān)控發(fā)出告警或照明電消失后,立即到電源室進(jìn)行確認(rèn);

確認(rèn)整流器交流失電后,檢查交流屏的輸入開關(guān)位置及電壓;

確認(rèn)交流屏輸入消失后,立即向動(dòng)力部值班室申告,請求盡快送電;

密切監(jiān)視蓄電池電壓變化,隨時(shí)準(zhǔn)備用倒負(fù)荷的方式,把負(fù)荷從電壓不足的蓄電池

倒到電壓尚可的蓄電池上。

4.2 整流器 1無輸出

整流器 1無輸出,則交換機(jī)兩路供電中的一路及光纖設(shè)備的供電將直接來自蓄電池組 1,長時(shí)間運(yùn)行會(huì)引起光纖設(shè)備失電,采取措施處理。

電源監(jiān)控發(fā)出告警后,立即到電源室進(jìn)行確認(rèn);

斷開整流器 1輸出開關(guān);

在整流器 1的備用輸出開關(guān)上安裝熔絲;

在整流器 2的備用輸出開關(guān)上安裝熔絲;

此時(shí)整流器 2代替了整流器 1對蓄電池組 1進(jìn)行充電,并對交換機(jī)及光纖設(shè)備進(jìn)行供電;

整流器 1修復(fù)后,卸下整流器 2的備用輸出開關(guān)上的熔絲,卸下整流器 1的備用輸出開關(guān)上的熔絲;

合上整流器 1輸出開關(guān)。

4.3 整流器 2無輸出

整流器 2無輸出,則調(diào)度總機(jī)及微波設(shè)備將直接由蓄電池組 2供電,長時(shí)間運(yùn)行會(huì)引起調(diào)度總機(jī)及微波設(shè)備失電,相應(yīng)處理原則:

電源監(jiān)控發(fā)出告警后,立即到電源室進(jìn)行確認(rèn);

斷開整流器 2輸出開關(guān);

在整流器 2的備用輸出開關(guān)上安裝熔絲;

在整流器 1的備用輸出開關(guān)上安裝熔絲;

此時(shí)整流器 1代替了整流器 2對蓄電池組 2進(jìn)行充電,并對調(diào)度總機(jī)及微波設(shè)備進(jìn)行供電;

整流器 2修復(fù)后,卸下整流器 1的備用輸出開關(guān)上的熔絲,卸下整流器 2的備用輸出開關(guān)上的熔絲;

合上整流器 2輸出開關(guān)。

4.4 整流器 3無輸出

整流器 3無輸出,則交換機(jī)設(shè)備兩路供電中的一路將直接由蓄電池組 3供電,長時(shí)間運(yùn)行會(huì)損壞蓄電池。處理原則:

電源監(jiān)控發(fā)出告警后,立即到電源室進(jìn)行確認(rèn);

斷開整流器 3輸出開關(guān);

斷開整流器 3負(fù)荷開關(guān);

整流器 3修復(fù)后,合上整流器 3負(fù)荷開關(guān);

合上整流器 3輸出開關(guān)。

4.5 蓄電池組 1容量不足

在整流器1停運(yùn)期間,若蓄電池組 1容量不足,會(huì)引起光纖設(shè)備失電。處理原則:

斷開整流器 1輸出開關(guān);

在整流器 1的備用輸出開關(guān)上安裝熔絲;

在整流器 2的備用輸出開關(guān)上安裝熔絲;

此時(shí)整流器 2和蓄電池組2對交換機(jī)及光纖設(shè)備進(jìn)行供電;

拆開蓄電池組 1與整流器 1的連線,對蓄電池組 1進(jìn)行修復(fù);

接好蓄電池組 1與整流器 1的連線,此時(shí)整流器 2對蓄電池組 1進(jìn)行充電;

蓄電池組 1充電完畢后,卸下整流器 2的備用輸出開關(guān)上的熔絲,卸下整流器 1的備用輸出開關(guān)上的熔絲;合上整流器 1輸出開關(guān)。

4.6 蓄電池組 2容量不足

在整流器 2停運(yùn)期間,若蓄電池組 2容量不足,會(huì)引起調(diào)度總機(jī)及微波設(shè)備失電。處理原則:

斷開整流器 2輸出開關(guān);

在整流器 2的備用輸出開關(guān)上安裝熔絲;

在整流器 1的備用輸出開關(guān)上安裝熔絲;

此時(shí)整流器 1和蓄電池組 1對調(diào)度總機(jī)及微波設(shè)備進(jìn)行供電;

拆開蓄電池組 2與整流器 2的連線,對蓄電池組 2進(jìn)行修復(fù);

接好蓄電池組 2與整流器 2的連線,此時(shí)整流器 1對蓄電池組 2進(jìn)行充電;

蓄電池組 2充電完畢后,卸下整流器 1的備用輸出開關(guān)上的熔絲,卸下整流器 2的備用輸出開關(guān)上的熔絲;合上整流器 2輸出開關(guān)。

5 結(jié)束語

隨著電力系統(tǒng)通信事業(yè)的發(fā)展,作為通信設(shè)備“心臟”的通信電源系統(tǒng)也得到了飛速發(fā)展,通信設(shè)備供電電源要穩(wěn)定可靠,特別是在電力系統(tǒng)事故時(shí),要求通信設(shè)備供電電源不能中斷,當(dāng)交流電源中斷時(shí),通信專用蓄電池組單獨(dú)供電要超過 8 h,必要時(shí)還應(yīng)配備其它備用電源等等。

Introduction to and app lication of new technology for the power source of telecommunication equipment

ZHUANG Xin1,ZHAO Yubin1,WANG Rui2
(1.Heilongjiang Telecom Automation Co.,Ltd,Harbin 150090,China;2.Harbin EHV Bureau,Harbin 150090,China)

This paper introducesnew technology for the power sourceof telecommunication equipment and its development,including features of power supply modes,reasons for regeneration of switching element of power source,at the meantime imposes requirementson power source,Heilongjiang Electric Power Telecommunication Equiment proposed new technologies in power communmication network in Heilongjiang Electric Power Emergency Plan.

telecommunication;telecommunication power source,switching-mode rectifier;storage battery

TM734

B

1002-1663(2010)02-0157-04

2010-01-19

莊 昕(1960-),男,1999年畢業(yè)于東北電力學(xué)院電力工程系電力工程專業(yè),長期從事電力系統(tǒng)通信運(yùn)行管理工作。

(責(zé)任編輯 徐秋菊)