關(guān)于高壓直流供電系統(tǒng)的研究報(bào)告

蔣 威

（湖北移動(dòng)設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430014）

1 概 述

隨著通信產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)等數(shù)據(jù)設(shè)備集成度大幅度提高，使得數(shù)據(jù)機(jī)房特別是IDC機(jī)房對(duì)供電系統(tǒng)的容量需求和可靠性要求也越來越高。由于現(xiàn)有數(shù)據(jù)設(shè)備大部分采用交流220 V供電方式，使得傳統(tǒng)數(shù)據(jù)機(jī)房多采用以交流不停電供電系統(tǒng)UPS為主體的交流供電模式。但UPS供電系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安全性能差、投資大、使用效率低、維護(hù)操作及擴(kuò)容困難等諸多問題。針對(duì)UPS供電系統(tǒng)的缺點(diǎn)，從根本上消除因使用UPS而帶來的隱患，采用高壓直流供電系統(tǒng) HVDC（High Voltage Direct Current）代替交流UPS供電系統(tǒng)是很好的解決途徑之一。為此，通信行業(yè)還確定了行業(yè)技術(shù)報(bào)告——《通信用240 V直流供電系統(tǒng)技術(shù)要求》。

2 HVDC與UPS兩種供電系統(tǒng)的比較

（1）技術(shù)成熟度

目前大多數(shù)通信大樓的高壓配電機(jī)房內(nèi)均配置有電力操作直流電源系統(tǒng)（市電中壓柜10 kV配電保護(hù)和斷路器合閘操作在使用的直流電源系統(tǒng)），其標(biāo)稱電壓為直流220 V，即一種HVDC供電系統(tǒng)。這種高頻開關(guān)電源系統(tǒng)與現(xiàn)有－48V通信電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本相同，并在國家電力行業(yè)已廣泛使用十多年，是現(xiàn)有的一種產(chǎn)品技術(shù)成熟度很高且完全國產(chǎn)化的高壓直流供電系統(tǒng)。目前一些通信電源生產(chǎn)廠家同時(shí)也生產(chǎn)電力操作直流電源，通信用240 V直流電源產(chǎn)品在上述系統(tǒng)基礎(chǔ)上略加改動(dòng)即可達(dá)到通信行業(yè)使用標(biāo)準(zhǔn)的要求，且國內(nèi)已有廠家提供并成功運(yùn)行通信用240 V直流電源產(chǎn)品。

對(duì)于中大型UPS，由于后備電池電壓往往達(dá)到400 V或更高，這使得UPS主機(jī)對(duì)蓄電池管理的難度很高，導(dǎo)致UPS特別是大容量的UPS幾乎都是國外原裝進(jìn)口品牌，國內(nèi)廠家僅能提供中、小容量產(chǎn)品，其技術(shù)成熟度較低。

（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性

HVDC供電系統(tǒng)也是種模塊化設(shè)計(jì)的直流供電系統(tǒng)，并直接使用蓄電池作為后備電源。如圖1所示，在HVDC供電系統(tǒng)中，交流電源只經(jīng)過一次整流變換，就到達(dá)了負(fù)載側(cè)的直流變換器。而UPS交流供電系統(tǒng)中，交流電源則要經(jīng)過整流、逆變、靜態(tài)開關(guān)、整流等四次變換，才能到達(dá)負(fù)載側(cè)的直流變換器。相比之下，HVDC供電方式結(jié)構(gòu)簡單得多。簡單的結(jié)構(gòu)，就意味著高效和可靠。經(jīng)過了數(shù)十年的實(shí)際運(yùn)行，證明模塊化設(shè)計(jì)的直流供電系統(tǒng)是最安全可靠、最簡單的電源系統(tǒng)。同時(shí)直流供電系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)使得該系統(tǒng)還具有擴(kuò)容及維護(hù)方便的特點(diǎn)。

另外UPS廠家之間甚至同廠家的不同型號(hào)之間主機(jī)并機(jī)冗余性差，后備電池的電壓要求也不同。這些都讓傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)擴(kuò)容難度也相應(yīng)增加，安全可靠性大大降低。

（3）安全可靠性

由于UPS系統(tǒng)較HVDC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多且有很多單點(diǎn)故障（如逆變器、并機(jī)板、靜態(tài)開關(guān)、輸出開關(guān)等），任一個(gè)單點(diǎn)故障都可能導(dǎo)致供電系統(tǒng)的癱瘓，這些使得UPS系統(tǒng)較HVDC系統(tǒng)的安全系數(shù)要低得多。雖然通過UPS系統(tǒng)冗余并機(jī)技術(shù)也可以提高系統(tǒng)的安全可靠性，但與N＋X模塊化配置和蓄電池直接作為后備電源的HVDC系統(tǒng)相比還是要低一些。

圖1 兩種供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

（4）擴(kuò)容及維護(hù)性

因?yàn)閁PS擴(kuò)容涉及到電源的頻率、電壓、相序、相位、波形等問題，每一次UPS在線擴(kuò)容或改造都是一次巨大的風(fēng)險(xiǎn)操作，甚至還有可能因?yàn)閁PS制造商的產(chǎn)品更新?lián)Q代而造成無法擴(kuò)容的情況，所以按照現(xiàn)在的運(yùn)行狀態(tài)和維護(hù)模式，常常會(huì)發(fā)生巨大災(zāi)難的“掉電”事件。相比之下，如HVDC等直流供電系統(tǒng)擴(kuò)容時(shí)由于只關(guān)注電壓一個(gè)參數(shù)，其擴(kuò)容及維護(hù)都簡單得多。

（5）效率及節(jié)能

隨著“節(jié)能減排”成為全國各行業(yè)長期的工作重點(diǎn)，通信行業(yè)近年來也開展了大量的節(jié)能降耗試驗(yàn)和推廣工作，其中進(jìn)一步提高通信電源的供電效率也是節(jié)能降耗不可忽略的一個(gè)部分。

由于傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)能源經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換造成系統(tǒng)效率較低，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量諧波，對(duì)UPS系統(tǒng)和電網(wǎng)都存在污染和危害。而HVDC系統(tǒng)省掉了UPS的逆變部分，系統(tǒng)產(chǎn)生諧波含量較小，各部分的效率和整體效率都相比傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)有較大提高。

圖2為高壓直流系統(tǒng)和傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)中各部分理論效率情況圖。

圖2 兩種供電系統(tǒng)的效率對(duì)比

由圖2可知HVDC主機(jī)比UPS主機(jī)效率提高了6～7% （滿載情況下比較，低負(fù)載率時(shí)更高），UPS系統(tǒng)的各級(jí)濾波器及隔離變壓器損耗也較HVDC系統(tǒng)高出3%～5%，所以HVDC系統(tǒng)與UPS單機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比整體效率提高10%～12%。若UPS系統(tǒng)采用冗余并機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，HVDC系統(tǒng)整體效率提高值可達(dá)到18%～20%以上。故采用HVDC系統(tǒng)代替UPS系統(tǒng)在“節(jié)能減排”方面也具有重要的意義。

（6）工程投資

HVDC系統(tǒng)采用成熟的模塊化配置方式，可以隨著設(shè)備容量的增加，通過擴(kuò)容模塊來實(shí)現(xiàn)邊投資邊成長，其投資方式靈活。而UPS雖然能夠?qū)崿F(xiàn)并機(jī)擴(kuò)容（亦有模塊化配置方式的UPS，但在現(xiàn)網(wǎng)中很少使用），但往往需要帶電操作，實(shí)施難度較大。目前UPS系統(tǒng)建設(shè)一般采取一次性建成滿足遠(yuǎn)期需要的方式，這就造成工程建設(shè)的一次性投資大的問題，而且當(dāng)年投資效益也很低。兩者投資對(duì)比見表1。

表1 新建90 kVA UPS系統(tǒng)與新建同等功率高壓直流系統(tǒng)投資對(duì)比表 （單位：萬元）

通過表1的對(duì)比，說明同功率的兩種供電系統(tǒng)，HVDC系統(tǒng)建設(shè)成本比UPS系統(tǒng)低很多，一般情況下可節(jié)約成本40%以上，而且系統(tǒng)容量越大成本節(jié)約效果越好。如通過改造方式利用原有UPS后備蓄電池組工程建設(shè)成本還可大幅度降低。

另外，UPS系統(tǒng)采用兩臺(tái)主機(jī)構(gòu)成雙路供電來解決這些單點(diǎn)故障時(shí)，其對(duì)機(jī)房占用面積和投資的需求也大幅度增加，同時(shí)也增加了擴(kuò)容的難度。

3 HVDC系統(tǒng)在通信行業(yè)應(yīng)用的可行性

眾所周知，現(xiàn)在通信行業(yè)絕大多數(shù)IT設(shè)備采用交流供電，然后經(jīng)過設(shè)備自身的整流變換為12V、5V和3.3V等直流電壓為本身的電路供電，也就是不管輸入的是交流還是直流，最后都要轉(zhuǎn)換為自身電路板使用的低壓直流供電。按照服務(wù)器電源工作原理簡圖（圖3），一般服務(wù)器的電源輸入電壓要求為198V～242V（即220V±10%）時(shí)，理論上，U0＝ 0.9，故Uo值的范圍是252V～308V。當(dāng)采用直流電壓直接輸入AB時(shí)，由于電壓不變相，整流管2、4長期導(dǎo)通。這樣電壓從AB端直接傳到CD端。若不考慮整流管的自身損耗，則Ui≈Uo。實(shí)際考慮電池的浮充電壓13.5V（單只為12V時(shí)），標(biāo)稱240V的高壓直流系統(tǒng)可保證電源能長期工作的要求。同時(shí)標(biāo)稱240V的高壓直流系統(tǒng)最高電壓約為20只×14.1V＝282V，遠(yuǎn)小于現(xiàn)在IT設(shè)備所能夠承受的耐壓值。另外采用高壓直流供電時(shí)，通過整流二極管的電流為平滑電流，當(dāng)整流二極管通過的平均電流一定時(shí)，電流脈動(dòng)成分越大其發(fā)熱量也大，所以采用高壓直流供電的整流器件不會(huì)比交流供電時(shí)發(fā)熱量更大，其整流部分的故障率也就不會(huì)提高。

圖3 兩種電源的工作簡圖

在應(yīng)用實(shí)例方面，中國移動(dòng)通信集團(tuán)蘇州分公司從2008年11月起對(duì)高壓直流設(shè)備安裝后，進(jìn)行了小范圍的拷機(jī)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過實(shí)際的試用與不斷改進(jìn)后，現(xiàn)已將部分業(yè)務(wù)設(shè)備使用高壓直流電源，使用期間設(shè)備運(yùn)行良好。

以上分析和應(yīng)用實(shí)例均說明HVDC系統(tǒng)代替UPS系統(tǒng)在通信行業(yè)是可行的。

4 HVDC系統(tǒng)組成及技術(shù)指標(biāo)

通信用240 V直流電源系統(tǒng)一般由交流配電部分、高頻開關(guān)整流模塊、直流配電部分和監(jiān)控單元組成。

（1）通信用240 V直流電源系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

a.系統(tǒng)效率應(yīng)滿足表2的要求

表2 系統(tǒng)效率要求

b.系統(tǒng)標(biāo)稱電壓

系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為240V。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，浮充、均充電壓由蓄電池技術(shù)參數(shù)確定，可在一定范圍內(nèi)調(diào)整。

系統(tǒng)輸出電壓可調(diào)范圍216V～312V。系統(tǒng)在其輸出可調(diào)范圍內(nèi)，能輸出額定電流。

系統(tǒng)的直流輸出電壓值在其可調(diào)范圍內(nèi)能手動(dòng)或自動(dòng)連續(xù)可調(diào)。系統(tǒng)在穩(wěn)壓工作的基礎(chǔ)上，能與蓄電池并聯(lián)以浮充工作方式或均充工作方式向通信設(shè)備供電。

（2）蓄電池配置

a.單組電池個(gè)數(shù)（如表3）

表3 單組電池個(gè)數(shù)

b.蓄電池選擇：宜選用鉛酸蓄電池。

c.蓄電池單體電壓和組數(shù)確定：根據(jù)系統(tǒng)容量大小，蓄電池單體電壓可選2V，6V，12V，每個(gè)系統(tǒng)蓄電池組數(shù)至少2組，最多不宜超過4組。

（3）整流模塊配置

a.整流模塊選擇：單體模塊功率應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量大小合理選擇，模塊數(shù)量不宜多于20個(gè)。

b.整流模塊數(shù)量配置按負(fù)載電流加上0.1C10的充電電流計(jì)算，采用N十1冗余配置，其中N個(gè)主用，N≤10個(gè)時(shí)，1個(gè)備用；N＞10個(gè)時(shí)，每10個(gè)備用一個(gè)。

c.高頻開關(guān)電源系統(tǒng)宜具備模塊體眠功能。

（4）系統(tǒng)采用懸浮方式供電

a.系統(tǒng)交流輸入應(yīng)與直流輸出電氣隔離；

b.系統(tǒng)輸出應(yīng)與地、機(jī)架、外殼電氣隔離；

c.使用時(shí)，正、負(fù)極均不得接地；

d.系統(tǒng)應(yīng)有明顯標(biāo)識(shí)標(biāo)明該系統(tǒng)輸出不能接地。

（5）絕緣監(jiān)察保護(hù)

系統(tǒng)配置絕緣監(jiān)察裝置，檢測正、負(fù)母線對(duì)地絕緣，并具備與監(jiān)控單元通信功能。

當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障或絕緣水平下降到設(shè)定值時(shí)，滿足以下要求：

a.絕緣監(jiān)察裝置應(yīng)能顯示接地極性；

b.絕緣監(jiān)察裝置應(yīng)能發(fā)出告警。

（6）系統(tǒng)可靠性（MTBF）

系統(tǒng)可靠性MTBF≥5×104。

可通過整流模塊并聯(lián)冗余方式來提高系統(tǒng)可靠性，即（n十k）方式。n為能滿足通信局站供電的整流模塊數(shù)，k為增加的整流模塊冗余數(shù)且不小于1。

5 HVDC系統(tǒng)的注意事項(xiàng)

（1）系統(tǒng)接地型式

傳統(tǒng)的－48V直流供電系統(tǒng)采用正極接地方式，該系統(tǒng)的低電壓和人體電阻因素，維護(hù)人員觸及蓄電池的負(fù)極時(shí)形成的電流很小，一般并不會(huì)發(fā)生觸電事故。但如果通信用240V直流供電系統(tǒng)也采用一極接地方式，人觸及到未接地的一極時(shí)，由于該系統(tǒng)的工作電壓（浮充狀態(tài)下）高達(dá)270V，電流通過大地形成回路，將發(fā)生電擊事故。如果系統(tǒng)不接地，兩根導(dǎo)線對(duì)地懸浮，人體觸摸其中一個(gè)導(dǎo)線或者電池某個(gè)端子時(shí)，雖然可能會(huì)存在一定的容性電流，但該電流很小，而且電流不能通過大地形成回路，可以避免在人體產(chǎn)生持續(xù)電流進(jìn)而觸電。因此，通信用240V直流供電系統(tǒng)需采用對(duì)地懸浮即不接地系統(tǒng)，同時(shí)要求整流模塊的輸入與輸出應(yīng)進(jìn)行隔離。

（2）系統(tǒng)絕緣問題

通信用240V直流供電系統(tǒng)是對(duì)地懸浮系統(tǒng)，當(dāng)某一極供電線路出現(xiàn)絕緣降低或接地故障后，由于接地電流較小，斷路器不會(huì)斷開，系統(tǒng)仍能繼續(xù)運(yùn)行。雖然發(fā)生一極接地并不引起嚴(yán)重危害，但由于系統(tǒng)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)該故障，如果此種情況長期運(yùn)行，就有可能造成大的事故。因?yàn)榇藭r(shí)若再發(fā)生另一極接地，就將造成直流短路。更嚴(yán)重的是，如果在一極發(fā)生絕緣度降低或接地后，有人在維護(hù)的時(shí)候觸摸了另一極或者電池端子，那將造成電擊事故，有可能造成人身傷亡。因此，通信用高壓直流供電系統(tǒng)要求配置絕緣監(jiān)察裝置，監(jiān)視系統(tǒng)正負(fù)母線對(duì)地絕緣狀況。絕緣監(jiān)察裝置還需具備與監(jiān)控單元通信功能。當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障或絕緣水平下降到設(shè)定值時(shí)，絕緣監(jiān)察裝置需顯示接地極性并能發(fā)出告警，便于運(yùn)行維護(hù)人員對(duì)供電回路的絕緣故障進(jìn)行判斷、查找和處理。

（3）斷路器的使用

直流斷路器的觸頭接通和長期承載電流的性能與一般交流斷路器相似，但交、直流斷路器分?jǐn)嚯娏鞯男阅懿町愝^大。交流斷路器分?jǐn)鄷r(shí)產(chǎn)生的交流電弧每秒鐘有2f（f為電網(wǎng)頻率）次經(jīng)過零點(diǎn)。通過近極效應(yīng)，使電弧熄滅。交流斷路器只要解決電弧重燃問題。而直流斷路器分?jǐn)鄷r(shí)產(chǎn)生的直流電弧恒定不變，電流愈大，時(shí)間常數(shù)愈大，電弧就愈難熄滅。

交流斷路器如作為直流電路的保護(hù)元件，由于交流電流的電弧容易熄滅，故其斷路器的動(dòng)靜觸頭之間的開距小，不能達(dá)到拉弧作用，滅弧室的工作原理也不盡相同，用于交流時(shí)的短路整定電流是不能適應(yīng)直流的技術(shù)要求，因直流瞬動(dòng)電流是交流瞬動(dòng)電流的1.4～2倍。根據(jù)試驗(yàn)資料得知，如額定電流Ie＝32A，交流瞬動(dòng)電流值10Ie＝320A?？蓴嚅_交流電路，同樣電流用在直流回路則不能動(dòng)作。

由于電壓比較低，滅弧相對(duì)容易，所以傳統(tǒng)－48V系統(tǒng)中使用的交流型開關(guān)沒有太大問題。但是對(duì)于通信用240V直流供電系統(tǒng)，其電壓比較高滅弧會(huì)困難很多，此時(shí)決不能使用普通的交流型斷路器。所以對(duì)于通信用240V直流供電系統(tǒng)，配電設(shè)計(jì)及使用末端斷路器時(shí)要選用專門針對(duì)直流設(shè)計(jì)的直流型斷路器。

另外，對(duì)于通信用高壓直流供電系統(tǒng)，由于輸出正負(fù)極均未接地，因此兩極都應(yīng)安裝開關(guān)。而且由于直流電壓較高，一些單極的斷路器往往達(dá)不到這個(gè)電壓等級(jí)的要求，必須采用串聯(lián)多極來分擔(dān)分?jǐn)嚯娀‰妷骸D4為兩個(gè)常見微型直流斷路器品牌的部分產(chǎn)品性能指標(biāo)。

圖4 兩個(gè)常見微型直流斷路器的部分性能指標(biāo)

（4）通信設(shè)備電源接線標(biāo)準(zhǔn)

目前IT服務(wù)器類設(shè)備的電源普遍采用全波整流方式，因此，從理論上說，直流系統(tǒng)的正負(fù)極和設(shè)備的輸入L，N極無需嚴(yán)格的采用某種對(duì)應(yīng)關(guān)系。但是，從管理的規(guī)范、運(yùn)行的安全及維護(hù)的方便考慮，應(yīng)盡量采用統(tǒng)一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于一些比較老的服務(wù)器設(shè)備，其電源有可能采用半波整流方式，如果這樣，上述接線方法可能使服務(wù)器電源無法正常工作。故在《通信用240 V直流供電系統(tǒng)技術(shù)要求》中要求通信設(shè)備電源接線標(biāo)準(zhǔn)采用直流輸出“正”極對(duì)應(yīng)于設(shè)備輸入電源線的“N"端，直流輸出“負(fù)”極對(duì)應(yīng)于設(shè)備輸入電源線的“L"端，設(shè)備輸入電源線的“地”端與系統(tǒng)保護(hù)地可靠連接，以保證服務(wù)器電源的正常工作（見圖5）。而且為確保設(shè)備在采用直流供電后能正常工作，在設(shè)備上架前，應(yīng)先對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測，待檢測設(shè)備能正常工作后再上架運(yùn)行。

圖5 設(shè)備機(jī)架內(nèi)插座接線示意圖

6 結(jié) 論

由于通信用240 V高壓直流系統(tǒng)制造技術(shù)及供電體制還處在摸索階段，為了安全起見在采用HVDC系統(tǒng)替代原有UPS系統(tǒng)時(shí)，在進(jìn)行開通前需先做全面測試，只有通過測試的設(shè)備才能夠放心使用。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，考慮到模塊制造技術(shù)和維護(hù)難度等問題，通信用240 V高壓直流系統(tǒng)容量也不宜做得太大，一般不超過600 A（相當(dāng)于－48 V系統(tǒng)容量3 000A）。

在系統(tǒng)改造方面，建議可先對(duì)運(yùn)行6年以上且運(yùn)行不穩(wěn)定或現(xiàn)有UPS系統(tǒng)需要進(jìn)行擴(kuò)容才能滿足負(fù)載的需求時(shí)，考慮采用HVDC系統(tǒng)替代原有UPS系統(tǒng)改造方式，這樣對(duì)于改造資金的合理應(yīng)用并提高設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性有較好的幫助。

這幾年高壓直流供電的研究是業(yè)界的熱點(diǎn)，大家對(duì)高壓直流供電的可行性、優(yōu)越性進(jìn)行了非常充分的探討。對(duì)于如何建設(shè)及維護(hù)這套供電系統(tǒng)，使這套供電體制快速成熟的應(yīng)用起來，從而切實(shí)提高IT服務(wù)器類設(shè)備的供電可靠性，還需要眾多的電源工作者付出更多的努力。

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