降低通信設備在蓄電池組放電過程中斷風險研究

劉元潑

摘 要：“十三五”計劃對智能電網提出了新的要求。隨著智能電網的發展，電力通信的發展進入了全新階段。通信電源是通信系統的“心臟”，必須保障通信電源安全有序運行，才能保證通信設備正常運行，進而保障電網的安全穩定。目前，電力通信設備使用的基本是-48V的直流電源系統，蓄電池作為通信直流系統的第二道屏障，其放電過程對通信設備的影響必須得予重視。

關鍵詞：智能電網;通信設備;通信直流電源系統;蓄電池

中圖分類號：TN929.5;TM912 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）23-0127-03

Research on Reducing the Risk of Interruption of

Communication Equipment in Battery Discharge Process

LIU Yuanpo

（Guangdong Power Grid Co.， Ltd.， Maoming Power Supply Bureau，Maoming Guangdong 525000）

Abstract： The 13th five-year plan makes new requirements for smart grid. With the development of smart grid， the development of power communication has entered a new stage. Communication power supply is the "heart" of communication system. It is necessary to ensure the safe and orderly operation of communication power supply， so as to ensure the normal operation of communication equipment and the safety and stability of the power grid. At present， the basic power communication equipment is a -48v dc power supply system. As the second barrier of the communication dc system， the battery's discharge process must be taken seriously.

Keywords： smart grid;communication equipment;communication dc power supply system;battery

1 電力通信設備直流電源系統

電力通信設備直流電源系統主要由高頻開關電源、蓄電池組、直流配電和電源監控等設備組成，為通信設備提供-48V直流電源。在正常情況下，高頻開關電源整流模塊將輸入的市電（交流電源）轉化為直流后供電給通信設備，同時給蓄電池充電。當市電由于故障停電時，蓄電池組放電供給通信設備。南方電網通信電源技術規范規定：設于變電站、開關站的通信站蓄電池組放電時間不少于8h。

2 電力通信設備中斷對電力生產業務的影響

目前，電力通信設備基本由-48V直流電源系統供電，蓄電池放電過程中，若全程壓降使得通信設備輸入電壓低于設備保護電壓，將會導致變電站內絕大部分通信設備發生中斷，導致通過傳輸設備傳輸的繼電保護和調度數據網等生產業務中斷，嚴重情況下可導致電力2級事件。

3 電力通信設備在蓄電池放電過程中斷的影響因素

當市電由于故障停電時，蓄電池組放電供給通信設備，此時應考慮從直流系統的蓄電池端子到負載設備端子的壓降。蓄電池放電回路全程壓降主要有蓄電池直流線纜壓降、配電系統壓降和放電瞬間蓄電池組壓降。

3.1 直流線纜壓降

電力通信設備的輸入電壓是-48V，在蓄電池供電期間，必須考慮直流系統全程的電源線纜壓降。因此，必須根據電纜上壓降公式計算線徑選擇合適的電源線纜，壓降公式為：

[ΔU=IR=Iρ2L/S=2IL/γS]? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：[S]為線纜的截面面積，mm2;[I]為線纜的最大電流，A;[L]為線纜的單程長度;[ρ]為線纜的電阻率;[γ]為線纜的電導率，m/Ω·mm2，銅為57，鋁為34;[ΔU]為線纜的電壓降。

通信設備各分段直流電源線徑可以根據式（1）得出：

[S=2IL/γΔU]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

根據此段分配的電壓壓降數值和設備供電線路最大電流及線路的單程長度計算線纜線徑，線纜線徑取值時要在計算值基礎往上一級。

3.2 配電單元二極管壓降

單方向導電性是二極管最重要的特性。在二極管電路中，電流只能從二極管的正極流入，負極流出。在電子電路中，將高電位端接在二極管正極，低電位端接在負極，此時二極管處于導通狀態。二極管兩端的正向電壓很小時，二極管處于非導通狀態，只有二極管正向電壓達到門檻電壓值，鍺管約為0.2V，硅管約為0.7V，此時才能處于導通狀態。二極管導通之后，兩端電壓基本上維持穩定，此時產生的壓降稱為“正向壓降”。

通信直流電源系統中，在雙路輸入共用一套配電屏時（見圖1），往往采用二極管（硅管）來隔離兩路電源，防止反送電情況。硅管壓降約為0.7V，從而導致直流系統輸出壓降為0.7V，此時應將該壓降納入影響通信設備直流輸入的電壓壓降中。

3.3 蓄電池放電瞬間電壓陡降

鉛酸蓄電池放電時，電池輸出電壓會出現瞬間陡降，接著電壓回升到一定階段后，電壓又開始緩慢（平穩）下降。眾所周知，蓄電池的電動勢和電池溶液中酸的濃度具有密切關系。

依據電動勢公式，即式（3），可以推導出式（4）：

[E=E0RTnFlnagG×ahHaaA×abB]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

[E=E0-1.19×10-5×RT×lga4H+]? ? ? ? ? （4）

從式（4）可得，蓄電池的電動勢與蓄電池溶液中H+濃度有著直接聯系，一定范圍內，電解液H+濃度越高，電動勢就越高，反之越低[1]。因此，蓄電池在放電過程中，電解液濃度越來越低，最后接近水的密度。電池開始放電時，接近電解液的正極活性物質表面部分的硫酸第一時間被消耗掉，導致該處硫酸濃度迅速降低，電池電壓出現陡降。依據溶液由濃度高向濃度低流動的原理，這時臨近的硫酸開始慢慢流向此處，電壓在一定范圍回升，但由于硫酸補充的速度比不上反應的速度，從而導致硫酸濃度持續減少，蓄電池的電壓繼續下降。

從2018年對65套鉛酸蓄電池記錄的放電數據可以發現，在蓄電池放電瞬間，單節蓄電池電壓由2.2V下降至2V，單節電池電壓下降幅度約為0.2V，如圖2所示。電池組電壓由52V瞬間下降至47.5V，下降幅度約為4.5V，如圖3所示。以-48V直流電源計算，壓降為0.5V。

當蓄電池出現電壓陡降復升時，特別是在陡降的最低點，如果數值越低，風險就越大。最低點的值低于通信設備的保護電壓，就會導致通信設備停運。

4 蓄電池供電時降低通信設備中斷風險的措施

4.1 控制直流系統全程壓降

根據《南方電網通信電源技術規范》（Q/CSG1203011—2016）[2]的規定，在負載設備正常工作的任何時刻，不應脫離規定的電壓范圍（43.2～57.6V）。這是由于單節電池放電的終止電壓為1.8V，-48V蓄電池組24節總壓降為-43.2V。電力通信設備的直流輸入電壓允許的變動范圍為-40～-57V，因此，得出從蓄電池端子到負載設備端子的壓降為3.2V，即可得[ΔU1+ΔU2][+ΔU3≤3.2V]。

4.1.1 減少直流放電系統線纜帶來的壓降（[ΔU1]）。選擇直流線纜時，應正確選擇線徑。利用式（5），根據此段分配的電壓壓降數值和設備供電線路最大電流及線路的單程長度計算出線纜線徑，取值時，線纜線徑要在計算值基礎往上一級[3]。

[S=2IL/γΔU1]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

4.1.2 減少直流配電單元帶來的壓降（[ΔU2]）。根據《南方電網通信電源技術規范》（Q/CSG 1203011—2016）[2]規定，直流配電部分壓降不超過0.5V（環境溫度20℃）。對于具備雙路直流電源輸入功能的通信設備，應由兩套通信直流供電系統分別供電，減少二極管在直流配電單元的使用。如果由通信設備柜內的直流分配開關（PDU）供電，需要配置兩組獨立的直流分配開關，分別與兩套通信直流供電系統獨立連接，禁止形成并聯，且禁止使用二極管隔離。

4.1.3 減少蓄電池組壓降（[ΔU3]）。關注蓄電池組放電瞬間的壓降，并將其納入計算直流系統全程壓降。對蓄電池組定期進行80%核容檢查，關注蓄電池單體電壓變化及內阻變化。新安裝或大修后的鉛酸閥控蓄電池組，應進行全核對性放電試驗，以后每隔2～3年進行一次核對性試驗;運行了6年以后的閥控蓄電池，應每年進行一次核對性放電試驗;備用擱置的閥控蓄電池，每3個月應進行一次補充充電[4]。保證蓄電池組壓降在允許范圍內，使得[ΔU1+ΔU2+ΔU3≤3.2V]，注意蓄電池放電瞬間電壓的陡降現象。

4.2 控制通信設備輸入電壓范圍

通信設備入網測試時，關注通信設備耐壓測試，電力通信設備的直流輸入電壓允許的變動范圍為-40～-57V。嚴格控制電力通信設備的變動范圍，防止將電力通信設備耐壓范圍設置為小于-57V;對于不符合電源范圍的通信設備，禁止進行并網。通信設備日常維護中，關注設備輸入電壓范圍是否在允許范圍內，對不符合要求的設備進行備案，盡快通過技改項目進行升級改造。

5 結語

新時代對電力系統的安全穩定提出了新的要求，電力通信系統的穩定是電網安全穩定的基石。通信電源系統是通信設備的“心臟”，在日常運維中關注通信電源系統的穩定，保障通信設備正常運行。在通信電源系統建設中，嚴格把握通信設備耐壓范圍、直流供電系統全程線纜壓降、配線單元壓降及蓄電池組壓降問題，降低通信設備在蓄電池放電時中斷的風險，保障電網的安全與穩定。

參考文獻：

[1]桂長清.膠體密封鉛蓄電池特性分析[J].蓄電池，2002（3）：103-106.

[2]中國南方電網有限公司.南方電網通信電源技術規范：Q/CSG 1203011—2016[S].北京：中國電力出版社，2016.

[3]王偉光.高頻開關電源系統工程實踐[J].電工技術，2006（2）：71-72.

[4]張延童，于秋生，王曉勇.變電站通信電源放電試驗期間存在的問題與對策[J].電子技術與軟件工程，2016（24）：26.