淺談蓄電池在通信電源系統(tǒng)中的作用

李偉堅(jiān)，卓 越，利韶聰

（1．廣東電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州510060；2．中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州510670）

1 概 述

在整個(gè)通信系統(tǒng)中，通信電源系統(tǒng)隸屬于供電配套設(shè)備的一部分，它和蓄電池結(jié)合使用，起著不間斷直流供電的作用［1，2］。通信電源系統(tǒng)基本是由7個(gè)部分組成：交流引入和配電單元、整流系統(tǒng)和直流配電單元、蓄電池組、監(jiān)控系統(tǒng)、UPS或逆變器等不間斷電源、備用發(fā)電系統(tǒng)、接地和防雷系統(tǒng)［3］。

通信系統(tǒng)對(duì)通信電源系統(tǒng)的基本要求是可靠和穩(wěn)定。穩(wěn)定可靠的通信電源供電系統(tǒng)，是保證通信系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。一旦通信電源系統(tǒng)故障引起對(duì)通信設(shè)備的供電中斷，就會(huì)造成通信中斷甚至使通信系統(tǒng)癱瘓，從而造成極大的損失。

蓄電池是一種可逆的化學(xué)電源，既能將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能供給用電設(shè)備，也能在充電時(shí)將電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能。蓄電池是電源系統(tǒng)保證不間斷供電的基礎(chǔ)條件，電源系統(tǒng)與配套電池有著唇齒相依的關(guān)系，并且，備用就是蓄電池最重要的功能之一。隨著科技水平的不斷進(jìn)步，蓄電池從過(guò)去只有最基本的備用功能，發(fā)展到現(xiàn)在具有了諸如：防失控、防沖擊、防短路等功能。本文結(jié)合實(shí)際工程維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)蓄電池在通信電源系統(tǒng)的作用進(jìn)行詳細(xì)的分析。

2 蓄電池結(jié)構(gòu)

通信電源系統(tǒng)中的電池一般指的是蓄電池。所有蓄電池均由正極、負(fù)極、電解液、隔膜、電池槽（容器）5個(gè)主要部分組成。對(duì)于閥控式鉛酸蓄電池，還需要有安全閥［4］。

2．1 電解液

電解液的作用是浸潤(rùn)極板的活性物質(zhì)，并形成導(dǎo)電粒子，且在電流狀態(tài)下參與電極反應(yīng)。在閥控式鉛酸蓄電池中，電解液是硫酸溶液，以其狀態(tài)不同有貧液式和膠體式兩種。

（1）貧液式：電池內(nèi)不允許有流動(dòng)的電解液，電解液濃度比傳統(tǒng)的大。

（2）膠體式：該電解液由提純的硅溶膠和一定比例的稀硫酸配制而成，凝膠后為觸變性膠體。

2．2 隔膜

隔膜防止正、負(fù)極短路，阻止正極溶解的有害物質(zhì)流向負(fù)極，貯存70%的電解液，提供氧自正極擴(kuò)散至負(fù)極的通道。

2．3 電池槽

電池槽盛裝極板組、電解液及其附件，要求該材料絕緣、阻燃、不滲漏、不變形。

2．4 安全閥

安全閥——單向節(jié)流閥又稱排氣閥，用于泄放高壓盈余氣體，避免電池槽炸裂。它有兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)：開(kāi)閥壓和閉閥壓。開(kāi)閥壓過(guò)低，會(huì)使排氣閥頻繁開(kāi)啟，影響活性物質(zhì)利用率，還會(huì)加速電源失水；閉閥壓及時(shí)關(guān)閉閥門(mén)，杜絕大氣竄入電池。

3 蓄電池在通信電源系統(tǒng)的作用

隨著蓄電池制備技術(shù)的發(fā)展和成本的不斷降低，其在通信電源中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，幾乎所有通信設(shè)備的后備電源系統(tǒng)都離不開(kāi)它。但是，在通信電源系統(tǒng)中，蓄電池除了備用功能外，還有許多其他作用，而且這些作用對(duì)于電源系統(tǒng)也是必不可少的。

3．1 備用

備用是蓄電池在任何系統(tǒng)中最基本的功能，備用功能涉及的主要參數(shù)是電池的容量，一般用安時(shí)（Ah）作為衡量蓄電設(shè)備容量的單位，代表1A的電流1h所流過(guò)的電量，Ah和庫(kù)侖的關(guān)系為：

1Ah＝3600C

如果負(fù)載的平均電流為IL（A），需要支撐的時(shí)間為T(mén)（h），則可以推導(dǎo)出電池的實(shí)際容量為：

電池實(shí)際容量≈1．39ILT式中，可靠系數(shù)取1．39已經(jīng)考慮了溫度、老化、余量等因素。在實(shí)際工程中根據(jù)實(shí)際情況可以采用3種方法對(duì)電池容量進(jìn)行測(cè)量：

（1）電壓法：直接使用電壓表測(cè)量電池的電壓，誤差約20%。

（2）內(nèi)阻法：測(cè)量電池內(nèi)阻，誤差約在5%～10%。

（3）庫(kù)侖法：累加流出的電流量，算出總?cè)萘?，誤差約在2%以下。

需要說(shuō)明的是，任何導(dǎo)致電池水分丟失的操作，都會(huì)對(duì)電池壽命產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損失，從而影響電池的備用功能。例如，大充大放、頻繁均充等，都會(huì)影響到電池的壽命。

在蓄電池維護(hù)過(guò)程中，均衡充電也是影響電池備用功能的一個(gè)重要因素。電池在用過(guò)一段時(shí)間后，各串聯(lián)單元的電壓可能會(huì)不一致。為了穩(wěn)定各單元的電壓就需要均充，也就是通過(guò)升高整組電池的電壓，從而拉高落后電池的電壓。均充會(huì)讓大部分蓄電池承受過(guò)壓充電，并導(dǎo)致電解水。因此，質(zhì)量好的閥控式鉛酸蓄電池，在壽命期內(nèi)可以保持較好的一致性，不需要頻繁的均充。

蓄電池均充時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）在例行檢查時(shí)，應(yīng)檢查和記錄整組電池的內(nèi)阻。如果內(nèi)阻沒(méi)有大的波動(dòng)，則不需要對(duì)其均充。通過(guò)檢查電池的一致性情況，發(fā)現(xiàn)有落后電池才考慮均充或者單獨(dú)處理落后電池。

（2）過(guò)大充電電流也會(huì)導(dǎo)致電解水的發(fā)生，因此建議充電電流不要超過(guò)0．2C10，即不要超過(guò)電池容量的20%。最好在10%左右，嚴(yán)禁超過(guò)25%。

（3）對(duì)于通信電源系統(tǒng)，不僅要考慮正常工作時(shí)的充電電流，也應(yīng)考慮到主控單元失效后電源對(duì)電池的充電電流。最好能確保在主控單元失效后充電電流仍不超過(guò)0．25C10，即不超過(guò)25% 。

3．2 防失控

失控是電源普遍都存在的故障現(xiàn)象，即電壓失去控制，其特征是輸出電壓突然升高。如果沒(méi)有電池對(duì)母線電壓的箝位，突然升高的電壓，有可能造成通信設(shè)備的損壞。失控保護(hù)是否可以解決該問(wèn)題呢？筆者采用一個(gè)比較有代表性的廠家的DC－DC模塊實(shí)驗(yàn)?zāi)M電源失控的情況。保護(hù)點(diǎn)電壓設(shè)置在58V，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在模塊失控時(shí)，即使有失控保護(hù)，但是輸出電壓仍然沖過(guò)了62V（如圖1所示），失控對(duì)設(shè)備的損壞風(fēng)險(xiǎn)依然存在。如果失控電壓超過(guò)62V，如果又正好遇到失控保護(hù)失效的情況，后果將會(huì)不堪設(shè)想。

我們知道，任何設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中都可能出現(xiàn)突然損壞。由于通信電源系統(tǒng)中包含蓄電池，當(dāng)模塊失控時(shí)，多余的電流會(huì)被電池吸收，同時(shí)為電池充電，系統(tǒng)電壓隨著電池充電慢慢上升。如果過(guò)壓報(bào)警點(diǎn)設(shè)置合理，則在時(shí)間上有很大的回旋余地，有足夠的時(shí)間處理好失控的模塊。所以提高直流電源系統(tǒng)的防失控能力，并聯(lián)電池是必然的選擇。

3．3 防沖擊

電源母線除了來(lái)自電源失控帶來(lái)的沖擊，還會(huì)面臨許多來(lái)自其它方面的擾動(dòng)和沖擊，包括雷電感應(yīng)、操作過(guò)電壓、交流串入等等。如果沒(méi)有電池的箝位保護(hù)，通信設(shè)備將會(huì)面臨極大的損壞風(fēng)險(xiǎn)。

3．4 防短路

通信電源系統(tǒng)經(jīng)常面臨出現(xiàn)短路故障的風(fēng)險(xiǎn)。引起短路的原因很多，既有由誤操作引起，也有由設(shè)備損壞引起的。按照短路阻抗的大小分類，短路阻抗小的稱之為“硬短路”，短路阻抗大的稱之為“軟短路”或“半短路”。

通信電源系統(tǒng)所帶負(fù)載往往不是單一的通信設(shè)備。通常很多設(shè)備統(tǒng)一由直流配電單元分配供電，每一個(gè)設(shè)備的分路通過(guò)空氣開(kāi)關(guān)與電源母線連接。當(dāng)其中一個(gè)分路出現(xiàn)短路故障時(shí)，必然會(huì)影響到母線。如果母線沒(méi)有掛電池，則很容易導(dǎo)致母線失壓，從而導(dǎo)致所有通信設(shè)備工作中斷。因此，筆者對(duì)電池的防短路特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)電源系統(tǒng)帶電池可以對(duì)短路過(guò)程起到以下作用：

（1）抑制母線電壓的跌落

如圖2和圖3所示，在不帶電池的情況下，母線電壓會(huì)跌落到5V左右，而帶電池的電源系統(tǒng)的母線電壓跌落到20V左右。

（2）縮短母線電壓的恢復(fù)時(shí)間

在不帶電池的情況下，母線電壓的恢復(fù)時(shí)間約為十幾毫秒，而帶電池的電源系統(tǒng)的母線電壓的恢復(fù)時(shí)間只有不到2ms。

（3）確保通信設(shè)備正常運(yùn)行而不被中斷

掛電池的電源系統(tǒng)，在各種短路的過(guò)程中，始終能保持通信設(shè)備的正常運(yùn)行，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)中斷。

圖2 不帶電池的電源系統(tǒng)的母線電壓

圖3 帶電池的電源系統(tǒng)的母線電壓

由圖2和圖3可以看出，雖然有時(shí)母線電壓波形會(huì)跌落到設(shè)備的正常工作電壓以下，但是設(shè)備并沒(méi)有受到影響。實(shí)際上，設(shè)備能否工作并不取決于外部端電壓的瞬時(shí)值，而是取決于其內(nèi)部輸入濾波電容上的電壓是否跌落到了欠壓工作點(diǎn)以下。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有掛電池時(shí)，硬短路對(duì)其它負(fù)載的影響小，重復(fù)實(shí)驗(yàn)幾次才出現(xiàn)其它設(shè)備重啟的情況，而軟短路影響反而大，并造成了系統(tǒng)垮掉。

這是由于當(dāng)發(fā)生硬短路時(shí)，短路電流大，容易導(dǎo)致空氣開(kāi)關(guān)瞬時(shí)脫扣，使得母線電壓拉低后能迅速恢復(fù)，其它負(fù)載受的影響就會(huì)比較小。當(dāng)發(fā)生軟短路時(shí)，短路電流小，達(dá)不到空氣開(kāi)關(guān)的瞬時(shí)脫扣電流，必然會(huì)把系統(tǒng)電壓拖垮，導(dǎo)致電源系統(tǒng)崩潰。實(shí)際上，只要分路空氣開(kāi)關(guān)能瞬時(shí)脫扣，并在幾毫秒內(nèi)恢復(fù)電壓，通信設(shè)備就不會(huì)中斷工作。要確保電池能瞬時(shí)脫扣，就必須確保在系統(tǒng)被拖垮到欠壓點(diǎn)前，電源系統(tǒng)能提供出10倍以上短路電流，讓空氣開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

需要注意的是瞬時(shí)脫扣電流在5～10倍之間，因此在10倍以內(nèi)的短路電流，不能保證一定出現(xiàn)瞬時(shí)脫扣。

由上式算出電源的內(nèi)阻值。例如，120A的電源系統(tǒng)，其它負(fù)載電流為60A，浮充電壓為53．5V，設(shè)備欠壓點(diǎn)為40V，最大的分路開(kāi)關(guān)為32A，則對(duì)電池回路總內(nèi)阻的要求是：51．9mΩ。因此，在正常的維護(hù)中，需要關(guān)注電池內(nèi)阻的變化情況。

空氣開(kāi)關(guān)的約定脫扣電流是最大空開(kāi)額定電流的1．45倍。在進(jìn)行可靠性計(jì)算時(shí)，可以認(rèn)為，如果短路電流小于最大空開(kāi)的額定電流1．45倍，有可能不脫扣，這就要求電源容量必須同時(shí)滿足下列兩個(gè)不等式：電源容量≥負(fù)載電流＋1．45×最大空開(kāi)的額定電流

電源容量≥負(fù)載電流＋充電電流

同時(shí)滿足上面兩個(gè)式子才能確保一個(gè)負(fù)載分路長(zhǎng)時(shí)間電流增大，而空開(kāi)又無(wú)法脫扣時(shí)，母線電壓不會(huì)垮掉。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著通信網(wǎng)絡(luò)日趨龐大，通信設(shè)備的集成化、數(shù)字化程度不斷提高，通信電源設(shè)備和供電系統(tǒng)的任何故障，都可能引起大范圍的通信癱瘓，造成重大損失。故通信電源對(duì)通信安全尤為重要，必須保證連續(xù)運(yùn)行。蓄電池是保持通信電源系統(tǒng)連續(xù)、可靠運(yùn)行的不可缺少的組成部分，通過(guò)電池與電源母線直接并聯(lián)或間接并聯(lián)，充分發(fā)揮電池的抗突變等特性，以實(shí)現(xiàn)通信電源的不間斷運(yùn)行。

［1］ 孫 政．青銅峽水電站通信電源管理與維護(hù)［J］．通信電源技術(shù)，2004，29（2）：94－96．

［2］ 王云其．電力通信電源的管理與維護(hù)［J］．電力系統(tǒng)通信，2006，165（27）：4－7．

［3］ 侯振義，夏 崢．通信電源站原理及設(shè)計(jì)［M］．北京：人民郵電出版社，2002．

［4］ 李正家．通信電源技術(shù)手冊(cè)［M］．北京：人民郵電出版社，2009．