基于智能模塊化- 48V 通信直流電源的短路測(cè)試研究

田 佳，王雯婷，季明明，黃 璽

（1.維諦技術(shù)有限公司，廣東 深圳；2.中國移動(dòng)通信集團(tuán)內(nèi)蒙古有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特）

概述

近年來隨著我國的通信行業(yè)高速發(fā)展，整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定、不間斷地運(yùn)行，對(duì)民生和國防安全乃至國民經(jīng)濟(jì)方面有著越來越重要的影響。通信電源是通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心供電設(shè)備，作為備電的電池直掛通信電源直流母排，有著不間斷直流供電的作用[1]。當(dāng)系統(tǒng)局部發(fā)生短路故障時(shí)，如果配套不同種類電池，如鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池等，就會(huì)有著不同的故障現(xiàn)象和結(jié)果[2]。

1 模塊化電源系統(tǒng)的組成

本文以系統(tǒng)容量為300 A 的模塊化電源系統(tǒng)為研究對(duì)象，其主要組成為交流、整流、直流配電單元、監(jiān)控單元、蓄電池組及用戶負(fù)載組成。

其中，交流配電單元主要由兩路交流輸入斷路器，防雷斷路器及防雷模塊組成。整流配電單元主要由模塊斷路器及整流模塊組成[3]。直流配電單元分為負(fù)載直流和電池支路，均由63 A 和125 A 的智能斷路器組成。交流、整流、直流配電單元均通過RS485 的通信方式連接監(jiān)控，監(jiān)控可對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與保護(hù)[4]。

蓄電池組直掛通信電源系統(tǒng)直流母排側(cè)，與電源系統(tǒng)配套使用，有著不間斷直流供電的作用[5]。

通信電源的用戶負(fù)載大多為各種的通信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，數(shù)量多且分布相對(duì)密集，如果電源供電系統(tǒng)突發(fā)故障引起負(fù)載掉電，通信設(shè)備無法正常工作，將對(duì)用戶造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[6]。

2 模塊化電源系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方案梳理

針對(duì)系統(tǒng)短路測(cè)試方案需從用戶的使用工況、使用模式、系統(tǒng)不同智能斷路器、短路點(diǎn)進(jìn)行分析，見表1。

表1 系統(tǒng)短路測(cè)試方案

3 模塊化電源系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)方案梳理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)室滿足6 組48 V/100 Ah 鐵 鋰 電 池，48 V/300 Ah 鉛 酸 電 池，48 V/600 Ah 鉛酸電池測(cè)試，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方案原理圖（見圖1）及實(shí)驗(yàn)設(shè)備列表（見表2）。

圖1 實(shí)驗(yàn)方案原理圖

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備列表目錄

短路測(cè)試工裝原理見圖2，短路測(cè)試工裝1-QFD斷路器63A 正負(fù)極接入兩根長(zhǎng)度0.4 m 的25 mm2線纜，通過控制QF1 開關(guān)閉合接觸器的控制線圈，將400 A 接觸器進(jìn)行短路短接。短路測(cè)試工裝2-QFD 斷路器125 A 正負(fù)極接入兩根長(zhǎng)度0.4 m 的35 mm2線纜，通過控制QF1 開關(guān)閉合接觸器的控制線圈，將400 A 接觸器進(jìn)行短路短接。

圖2 短路測(cè)試工裝原理

智能插框短路測(cè)試方案部分測(cè)試結(jié)果整理，見表3。

表3 短路測(cè)試方案測(cè)試分析

以63 A 熱磁開關(guān)- 帶鉛酸電池負(fù)載斷路器短路測(cè)試數(shù)據(jù)為例：系統(tǒng)負(fù)載側(cè)短路，300 Ah 鉛酸電池提供1 940 A 短路電流2 ms 左右，63 A 熱磁斷路器在8 ms 左右跳開，此時(shí)間段系統(tǒng)掉電至50.4 V 左右，6.9 s 后系統(tǒng)恢復(fù)正常電壓。

4 理論分析及驗(yàn)證

（1） 從直流供電系統(tǒng)等效的原理框圖中見圖3所示，可計(jì)算出在通信電源系統(tǒng)的供電模式下，直流側(cè)短路時(shí)對(duì)母排電壓的影響[7-9]。

圖3 直流供電系統(tǒng)等效的原理框圖

取Ub=54V，Ri=28mΩ，R11=2mΩ，那么Ishort和Ud分別見公式（1）、（2）：

如上計(jì)算可知，直流側(cè)短路時(shí)，母排電壓下降至3.6 V 左右，短路電流達(dá)到1 800 A 以上，和實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。顯然對(duì)通信設(shè)備的供電條件不滿足，設(shè)備測(cè)的瞬時(shí)短路問題將會(huì)引起整個(gè)通信系統(tǒng)的故障。

通過以上分析可知直流設(shè)備側(cè)短路，引起直流側(cè)母排電壓下降的核心原因是直流側(cè)的負(fù)載線纜內(nèi)阻過小，若增大直流側(cè)線纜的電阻，就可以從理論上解決此問題，故可以通過加長(zhǎng)線纜及減小線纜的橫截面積等方法用來增大線纜的內(nèi)阻[10]。

（2） 由于智能斷路器供電依賴于通信電源系統(tǒng)的直流輸出母排，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，直流輸出母排電壓為左右，智能斷路器掉電無法正常運(yùn)行。當(dāng)對(duì)智能斷路器單獨(dú)供電時(shí)，無論是1 模塊還是遞增至4 模塊，短路電流均可達(dá)到1 600 A 以上，此時(shí)母排電壓因短路被拉低到1 V 左右，但因?yàn)橹悄軘嗦菲鲉为?dú)供電，此時(shí)熱磁斷路器MCU 可正常使用，通過過流下發(fā)指令將其斷開，保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

5 模塊化電源系統(tǒng)的分析結(jié)果

從匯總的現(xiàn)象上看，得出結(jié)論見表4。

表4 模塊化電源系統(tǒng)的分析結(jié)果

6 結(jié)論

文章描述了智能模塊化-48V 直流電源在通信系統(tǒng)中短路故障的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的框架及組成，通過對(duì)實(shí)際短路故障的電壓、電流波形，分析了智能模塊化電源系統(tǒng)的短路特性與其配套使用智能斷路器、電池類型的保護(hù)時(shí)間及目前短路故障所存在的問題。

文章所提供通信直流電源目前存在的問題及如何改進(jìn)的思路與方法，對(duì)通信用-48V 智能模塊化系統(tǒng)的選型及設(shè)計(jì)均有著一定參考和指導(dǎo)意義。