通信直流供電系統開關電源和蓄電池維護及配置探討

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（陜西省專用通信局，陜西 西安710075）

1 高頻開關電源

1．1 高頻開關電源及與蓄電池組的關系

直流供電系統主要由整流配電設備和蓄電池組組成，采用整流器和蓄電池組并聯冗余供電方式，即以全浮充工作方式運行。蓄電池組既為備用電源，又可以吸收高頻紋波電流，目前常用的蓄電池為閥控式鉛酸蓄電池。在市電正常時，蓄電池與整流開關設備并聯運行，蓄電池自放電引起的容量損失在全浮充過程中被補足，在市電中斷或某種特殊場合，由蓄電池單獨向負荷供電。

高頻開關電源是具有模塊化結構的高頻開關型整流器。多臺開關整流模塊并聯工作，能實現大功率電流系統供電，多臺整流模塊并聯冗余，還可提高通信電源系統的可靠性。一個直流供電系統的蓄電池一般設置兩組，即組合開關電源系統一般配有兩組電池，電池組的輸入與開關電源輸出匯流排并聯。開關電源系統在保證設備安全可靠供電的同時，其最重要的功能就是蓄電池管理，不同廠家實現的方法各有不同，但是都必須完成如下管理功能：溫度補償、充電智能限流、自動均充功能、周期均充、欠壓保護告警功能。

1．2 開關電源針對電池管理的常用技術指標

（1）智能限流

智能限流就是系統根據蓄電池的容量、負載所需電流的大小來自動計算整流器的限流點。限流點：正常情況0．1C～0．15C。電網條件差：0．2C～0．25C。均充電壓設定為單體2．35 V，24只單體電池串聯，故開關電源的均衡充電電壓應設置在56．4 V。當環境溫度變化，均衡充電電壓應隨之變化，通常，環境溫度每升高1℃，單體電池的均衡充電電壓應下降3 mV，蓄電池均充電流小于10 mA／Ah時，自動轉為浮充。浮充時間設定為單體2．23 V（25攝氏度），充電限流設定為0．1 C10A 。

（2）自動穩壓及浮充和均充的自動轉換功能

整流模塊的作用是將交流轉換為直流對負載供電并對電池組充電。浮充電壓可設53．5 V，均充電壓可設56．4 V。蓄電池在使用過程中，有時會發生容量、端壓不一致的情況，為防止發展為落后電池，需要定期均衡充電以活化蓄電池。遇到以下情況時也需均充：一是蓄電池單獨向負載供電15分鐘以上；二是電池深放電后容量不足；三是電池組中已經出現了落后電池，在浮充狀態下單體電壓低于2．2 V；四是更換新電池后。均衡時間應該設置為3個月～6個月，均充時間不大于10小時。

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（3）欠壓保護功能

電源系統為了保護蓄電池放電時不過放，采用直流斷路器將蓄電池和負載斷開，以達到保護蓄電池的目的。現在的通信電源為了延長重要負載的工作時間，增加了“二次下電”的功能。

1．3 開關電源的維護

開關電源應急故障處理的核心是保障直流供電不間斷。日常例行維護的主要內容包括：通風、環境衛生、性能檢查、定時記錄、異常狀況記錄、簡單維修、應急處理等。日常維護周期可按月、季、半年和年進行，定期安排巡檢。

1．4 開關電源的容量配置

一旦選擇好了蓄電池后，就必須選擇合適的電源系統，以保證整個通信設備系統的正常工作。選擇依據是：要保證蓄電池在最大充電（均充）電流情況下電源系統能可靠工作，要配置合理以保證能節約資源和建設成本，原則上要保證該電源機架上的整流器個數最少不得小于3個，另外還要考慮到以后的擴容。容量配置依據：組合開關電源整流模塊數可按近期負荷配置，但滿架容量應考慮遠期負荷發展，其配置容量應滿足設備負荷與充電負荷的要求，即主用整流器的總容量應按負荷電流和電池的均充電流（10小時率充電電流，一般取0．1C10）之和確定，同時，為提高系統的可靠性，根據“N＋1”冗余原則配置電源模塊，其中N≤10，1只備用，N＞10，每10只備用1只。例如，設備負荷170 A，需配置2組1000 Ah的電池即蓄電池組總容量為2000 Ah，算出充電負荷200 A，開關電源滿架選擇600 A系統，需要配置的50 A模塊數量為9塊，最大提供450 A直流電流。

2 閥控鉛酸（VRLA）蓄電池

現代通信系統中，蓄電池是直流供電系統的最后一道安全保障，隨著技術的發展，新型閥控鉛酸蓄電池替代了防酸隔爆式鉛蓄電池。閥控鉛酸蓄電池利用陰極吸收技術，應用多元合金板柵材料，電池可以實現密封不漏液，在整個壽命期間基本無須定期補水，也不需要補酸，因為無酸霧排出。但“密封”也是相對的，現在的國家標準里已經取消“密封蓄電池”這一詞匯，最新的電池工藝上采用螺紋結構，便于打開和恢復。不過，目前的電信電源維護規程并沒有作出修訂，對維護中補水也沒作出要求。蓄電池維護工作的好壞，直接影響整個通信系統的安全可靠運行，閥控鉛蓄電池的設計浮充壽命一般10年左右，維護不好，短短幾年電池就會報廢。由于采用“貧液式”設計，降低水損耗是維護的重點，當電池失水10%，容量降低20%；失水25%，電池壽命結束。

排除設計和制造因素，從使用和維護角度來說，影響閥控蓄電池壽命周期的因素有：環境溫度、充放電流、放電深度、容量配置、維護等條件。過充、過放、滲液、環境溫度過高、浮充電壓過高等因素對閥控鉛蓄電池的健康影響很大。在現有維護規程指導下，有效的做好維護工作，避免以上情況發生，對延長電池壽命周期有很大作用。

2．1 環境溫度的影響

溫度與電池壽命的關系如圖1所示。

圖1 溫度與電池壽命的關系表

如圖1所示，環境溫度過高，蓄電池中的化學反應加劇，從而加速了失水速度，降低了蓄電池壽命。當環境溫度從25℃ 上升到43℃時閥控電池的浮充壽命下降到5年。

2．2 放電深度

放電深度與蓄電池壽命之間的關系非常密切，如表1所示。

表1 2 V閥控鉛酸蓄電池放電深度與放電循環次數關系表

從表1可以看出，電池壽命和其循環次數有很大關系，而不是以使用多少年來衡量的。閥控鉛酸蓄電池循環使用時，容量下降到額定容量的50%時，蓄電池完成的充放電循環次數稱為循環壽命。閥控鉛酸蓄電池的循環壽命隨電池放電深度增大而迅速降低，為了延長壽命，盡量避免深度放電。

2．3 放電電流和終止電壓

放電電流和終止電壓與蓄電池壽命之間的關系也是非常密切。

圖2 蓄電池放電曲線

從圖2、表2、表3中可以看出，放電電流越大，時間越短，實際放出的容量越小；放電電流越小，時間越長，實際放出的容量就越大（即放電深度越深）。所以放電過大和過小，都應盡力避免。過大時電池會因在極短時間內降至極低而導致失效，過小則會造成深度放電而報廢。一般情況選用10小時放電率來進行放電，10小時放電率的計算方法為蓄電池的標稱容量（Ah）與放電時間（h）的比值。標準規定3小時與1小時放電率的放電電流分別是10小時放電率放電電流的2．5倍和5．5倍。盡量避免大電流放電。放電到終止電壓時必須采取保護措施，不得繼續放電。

表2 放電率與電池電壓的對應關系

表3 閥控式鉛酸蓄電池放電率與容量、放電電流的關系

目前，在通信電源系統中，開關電源通常都將閥控鉛酸蓄電池的放電終止電壓設置在43 V，單體電池的終止電壓約為1．80 V。在放電初期電池端電壓下降是比較快的，在放電10分鐘后，電壓下降到53．0V。大約半小時后，電池端電壓降至49 V左右，1小時后降至48 V；蓄電池在48 V時，放電時間最長，大約要持續7～8小時；8小時后，蓄電池端電壓開始下降，下降速度比較快，降至43．2 V時系統直流斷路器斷開，以便保護蓄電池，此時蓄電池端電壓會有所上升，上升值約為5 V左右。按維護規程要求，每一年需對電池組進行核對性放電，采用0．25 C的放電電流，放出額定容量的30%～40%為止，放電時長為核定后的電池容量的30%～40%除以實際放電電流。放電結束后，要對蓄電池充電，充入電量應是放出電量的1．2倍。

2．4 充電限流

蓄電池充電過程是電能轉化成化學能的過程，充電電壓和電流要合適，偏大和偏小均會影響蓄電池的壽命。一般情況下蓄電池的充電電流要求在0．1C～0．25 C，C為蓄電池的容量。如果過大，電池就會迅速產生大量氣體造成膨脹變形、活性物質脫落甚至出現“熱失控現象”，導致蓄電池提早失效而報廢；如果充電電流過小，那么充電時間就會變得比較長，甚至導致蓄電池充不飽，長期也會影響電池的正常壽命。充電時期的溫度以及充電設備的性能等因素決定各種型號的電源限流點設定值不盡相同，維護規程規定，環境溫度恒定在25攝氏度時，充電時單體蓄電池的充電電壓在2．30 V時，充電時間24 h；設在2．35 V 時，充電時間12 h。均衡充電，通常用恒壓限流充電法，單體閥控鉛酸蓄電池的均衡充電電壓設置在2．35 V，充電電流應不超過0．25 C10A，（C10為蓄電池10小時率放電容量），一般可設值在0．1 C10A，在經常停電地區，為快速補充容量，可以設大一些。

2．5 蓄電池的其它日常維護

蓄電池運行一段時間后，會出現個別電池落后或失效的現象。如果不及時發現落后（失效）電池，落后（失效）電池會影響其他正常的電池，隨時間推移進而使整個電池組報廢。為了保證電池設備具有充足的放電容量和延長電池使用壽命，一定要按維護規程周期要求認真對蓄電池進行正常維護，主要是檢查蓄電池組中有無漏液、有無落后電池存在、蓄電池引線及端子的接觸情況、電纜及軟連接頭壓降，環境溫度是否正常等，在閥控鉛蓄電池組深度放電或長期浮充供電時，為避免出現單體電池電壓和容量不平衡現象，必須均衡充電。只有做到及時發現及時處理，才能確保蓄電池的正常壽命。

2．6 蓄電池容量配置

蓄電池按直流負荷統計進行配置，蓄電池容量配置原則：按近期負荷配置，依據蓄電池壽命，適當考慮遠期發展。一般蓄電池放電時間按照6～8 h配置。根據蓄電池容量計算公式和電池組的放電時間確定蓄電池的配置。對于給通信設備供電的蓄電池來說，合理的配置蓄電池容量是非常重要的，容量偏小不能滿足通信設備在停電較長的情況下正常供電，影響正常通信；容量太大不僅是一種浪費，也會影響蓄電池的壽命，所以要合理選擇蓄電池的容量。選擇蓄電池容量主要是根據負載電流、停電后放電時間長短和頻繁程度、放電容量系數 、以及擴容情況來決定。計算公式：

Q ≥ KIT／｛η［1＋0．008（t－25）］｝

式中：Q 為電池容量（Ah）；K 為安全系數（取1．25）；I為負載電流；T為放電時間（6或8h）；η為放電容量系數（0．94），見表4；t為 電解液最低溫度（15°C）。例如，某局動力機房直流負荷峰值為110 A，考慮 預留，直流負載按照170 A計算，如果放電時間要求6h，經計算電池容量Q 為1575 Ah，需配置2組800 Ah蓄電池組。如果放電時間要求8 h，經計算得電池容量Q 為1966 Ah，需要配置2組1000 Ah蓄電池組。容量設計不考慮過長的放電時間，停電時間太長，如48 h，是不能用單靠增加電池容量的辦法來實現，而應考慮用發電機供電，否則將影響到蓄電池的壽命。

表4 鉛酸蓄電池放電容量系數（η）表

3 直流供電系統纜線線徑的選擇

（1）直流電源饋線應按照遠期負荷確定，當近期與遠期負荷相差懸殊時，可按照分期敷設的方式確定。在不同機房之間選用RVVZ系列銅芯聚氯乙烯絕緣護套軟電力電纜，在同一機房選用RVZ系列銅芯聚氯乙烯絕緣電力電纜。－48 V電源直流放電回路全程壓降不大于3．2 V，線徑計算公式：

S＝IL／K銅△U

式中，S為導線截面積（mm2），I為流過導線的電流（A），L為導線回路的長度（m），K銅為銅的導電率值為57，△U 為分配壓降（V）。

（2）蓄電池連線的選擇

蓄電池連線一般都選用雙護套非延然多股銅芯軟線纜，在選擇蓄電池導線的線徑時不但要考慮到載流量，也要考慮導線的壓降，一般情況下壓降不得大于0．5 V。所以選擇導線線徑時要將如下因素考慮進去：蓄電池均充時的最大電流0．25 C，每平方毫米導線的最大允許通過電流，導線長度帶來的壓降。在選取蓄電池的連接導線時，一般在一定的范圍內截面積越大越好。按經驗值蓄電池連線線徑的選擇如下：電流在1～41 A時，每平方毫米載流量為4 A；電流在41～100 A時，每平方毫米載流量為2 A；電流在100～200 A時，每平方毫米載流量為1．6 A；電流在200 A以上時，每平方毫米載流量為1．2 A。

（3）接地系統線徑選擇

接地導線應采用銅芯導線。工作地線的線徑一般選用最大最粗負載線的線徑。保護地線的線徑按如下規則選擇：當相線線徑S＜16 mm2時，選用與相線線徑一致；當相線線徑16≤S≤35 mm2時，保護地線線徑選用16 mm2，當相線線徑S＞35 mm2時，選用交流輸入線徑的一半S／2作為保護地。

4 結束語

為保證通信供電的安全可靠，直流供電系統日常維護中要以核心設備組合開關電源與蓄電池為主。同時，動力機房前期的設計也非常重要，一定要合理選型、合理配置設備容量，來滿足業務對供電可靠性的需求。維護人員對整個系統也要有全面地了解，對設備容量、負載情況、線徑大小、環境變化做到心中有數，才能提高維護效率，更好的提高通信質量。

［1］ 中國電信集團公司網絡運行維護部，中國電信股份有限公司廣州研究院．中國電信電源、空調維護規程（試行）［S］．2005．

［2］ 工業與信息化部．通信電源設備安裝工程設計規范（YD5040－2005）［S］．2005．

［3］ 李海螢．閥控式鉛酸蓄電池的維護與監測［J］．通信電源技術，2012，29（1）：89－92．

［4］ 工業與信息化部郵電通信人才交流中心．通信工程師［Z］．2007．