通信直流配電系統(tǒng)中高阻配電應(yīng)用分析

黃保哲

（中國電子科技集團公司第四十一研究所，山東 青島 266555）

0 引 言

通信直流配電系統(tǒng)作為通信系統(tǒng)的“心臟”，負責將整流器輸出的直流電輸送到各通信設(shè)備并給蓄電池充電[1]，安全可靠不中斷是對通信直流配電系統(tǒng)最基本也最核心的要求。通信直流配電系統(tǒng)多采用整流器并聯(lián)冗余、雙回路供電、分路高阻配電等方式來提高系統(tǒng)的可靠性。相比低阻配電，高阻配電在限流和限壓上具有一定優(yōu)勢，本文結(jié)合實際分別對二級直流配電系統(tǒng)、三級直流配電系統(tǒng)下高阻配電的應(yīng)用進行了理論分析，同時針對多級高阻配電進行了理論分析和應(yīng)用探討。

1 低阻配電和高阻配電

通信直流配電系統(tǒng)中，有低阻配電和高阻配電兩種方式。傳統(tǒng)的二級直流配電系統(tǒng)中，采用匯流排將整流器輸出電源配送到各用電設(shè)備，整流器距用電設(shè)備較近，配電線路上電阻很小，故稱為低阻配電。高阻配電是相對低阻配電而言的，所謂高阻來源于負載回路電阻或配電柜內(nèi)人為增加的電阻，一般當負載回路上的電阻值大于蓄電池內(nèi)阻的5～10倍時即為高阻 配電[2]。

設(shè)定電源系統(tǒng)電壓54 V，低阻配電方式下，若負載回路電阻等于蓄電池內(nèi)阻，當某一支路負載短路時，短路電流極大，由于蓄電池內(nèi)阻的存在，蓄電池輸出電壓將下降27 V，過低的電壓將嚴重影響其他支路設(shè)備的正常工作，同時過大的短路電流也會對蓄電池造成一定損害。而高阻配電方式下，若負載電路電阻為電池內(nèi)阻的5～10倍，當某一支路短路時，由于負載回路上的電阻值較高，短路電流被限制在一定數(shù)值之內(nèi)，而電池輸出電壓僅下降5～9 V，完全能夠滿足其他支路設(shè)備的正常工作。

高阻配電在負載短路時的限流和限壓作用可有效提高系統(tǒng)的可靠性，但也有人提出兩個問題：一個是由于負載回路電阻較高，導(dǎo)致蓄電池放電時不允許到達常規(guī)終止電壓，否則負載電壓會偏低；另一個是負載回路電阻造成的損耗。

針對第一個問題，通過計算可知，只要負載回路電阻的選擇和電流相匹配就完全不會有問題，蓄電池放電門限電壓為43.2 V，設(shè)備最低供電電壓一般為40～40.5 V，配電系統(tǒng)允許壓降為2.7～3.2 V，以蓄電池內(nèi)阻為4 mΩ，負載回路電阻取電池內(nèi)阻的10倍即 40 mΩ，通信設(shè)備額定功率500 W，平時負荷按8 A計算，此時負載回路電阻上的壓降為0.32 V，遠小于系統(tǒng)允許壓降，因此不會出現(xiàn)蓄電池放電電壓到達常規(guī)終止電壓負載電壓偏低的情況。

針對第二個問題，以這些數(shù)據(jù)計算負載回路上電阻的損耗為2.56 W，對分路負載總功耗的影響不足1%，基本可以忽略。

以上計算結(jié)果視具體數(shù)據(jù)不同而有所不同，設(shè)計時可綜合考慮蓄電池內(nèi)阻、分路電流、設(shè)備最低供電電壓、系統(tǒng)壓降等各個因素，選擇合適的負載電阻，并充分考慮電阻散熱，將這兩個問題的影響降低到最低。

2 三級配電系統(tǒng)下高阻配電的應(yīng)用分析

以上數(shù)據(jù)是基于二級配電系統(tǒng)來分析和計算的，目前主流的直流配電系統(tǒng)多采用三級配電，即直流配電屏為第一級，電源分配柜為第二級，用電設(shè)備為第三級。以滁州某電信機房為例，蓄電池和直流配電屏位于電力室內(nèi)，直流配電屏額定容量1 000 A，正常工作電流600 A，蓄電池至直流配電屏每極采用2根240平銅纜連接，長度約為15 m；電源分配柜位于綜合機房，額定容量200 A，正常工作電流120 A，直流配電屏至電源分配柜每極采用1根240平方毫米銅纜連接，長度約為50 m；電源分配柜至用電設(shè)備每極用1根10平方毫米銅纜連接，長度為4～15 m，負載正常工作電流8 A。其布局及電阻分布如圖1所示。

忽略直流配電屏和電源分配柜上的電阻，因電源分配柜至各負載的電纜長度不等，此時若其中1路負載短路，在短路的瞬間：

圖1 三級配電布局及電阻分布圖

短路電流Ishort2≈54 V/（4+0.6×2+3.7×2+（7.2～ 26.9）×2）mΩ≈（2 000～800）A，若短路瞬間其他電源分配柜仍正常工作，則系統(tǒng)電流約為2 500～1 300 A。

此時電源分配柜1輸出電壓U2≈54V-（2 500～ 1 300）A×（4+0.6×2）mΩ-（2 000～800） A×3.7 mΩ× 2≈（26.2～41.3） V。

直流配電屏輸出電壓U1≈54 V-（2 500～1 300）A×（4+0.6×2）mΩ≈(41～47.2) V。

由上述數(shù)據(jù)可知，負載短路瞬間，電源分配柜1輸出電壓在26.2～41.3 V，嚴重影響該分配柜其它負載的正常供電，直流配電屏輸出電壓在41～47.2 V，考慮到電源分配柜壓降和配電線路壓降，其他電源分配柜下的負載也存在電壓過低的風險。

為提高系統(tǒng)可靠性，可在電源分配柜輸出端串接一定阻值的電阻，串接電阻后電源分配柜輸出端總電阻大小應(yīng)為電源分配柜上端電阻值之和的5倍左右，則R串2≈（4+（0.6+3.7）×2）×5-（7.2～26.9）×2≈（48.6～9.2）mΩ，取R串2=40 mΩ，此時若其中1路負載短路，在短路的瞬間：

短路電流Ishort2≈54 V/（4+0.6×2+3.7×2+40 +（7.2～ 26.9）×2） mΩ≈（800～500） A，若短路瞬間其他電源分配柜仍正常工作，則系統(tǒng)電流約為1 300～1 000A

此時電源分配柜1輸出電壓U2≈54V-（1300～ 1 000）A×（4+0.6×2） mΩ-（800～500） A×3.7 mΩ× 2≈（41.3～45.1） V

直流配電屏輸出電壓U1≈54V-（1 300～1 000）A×（4+0.6×2） mΩ≈（47.2～48.8） V

由上述數(shù)據(jù)可知，電源分配柜采用高阻配電方式下，負載短路瞬間，電源分配柜1輸出電壓在41.3～45.1 V，基本可保障該分配柜其他負載的正常供電，直流配電屏輸出電壓在47.2～48.8 V，其他電源分配柜的負載也可正常供電。

由此可見，三級配電系統(tǒng)下，高阻配電可以有效提高系統(tǒng)可靠性。正常工作時高阻配電系統(tǒng)壓降 V降≈600 A×0.6 mΩ×2+0.3 V[3]+120 A×3.7 mΩ×2+ 0.3V[4]+8 A×（40 +（7.2～26.9）×20 mΩ≈（2.64～2.96）V， 基本可以滿足系統(tǒng)壓降要求。在實際運用中，為減小系統(tǒng)壓降和線路損耗，可以根據(jù)具體情況有選擇性地串入電阻或串入不同阻值的電阻，在提高系統(tǒng)可靠性的同時將壓降和損耗的影響降低到最低。

3 多級高阻配電應(yīng)用分析

負載短路時，電源分配柜采用高阻配電可有效提高系統(tǒng)可靠性，然而在電源分配柜本身發(fā)生短路故障時，電源分配柜輸出端配電線路的電阻同時被短路，在短路瞬間：

短路電流Ishort1≈54 V/（4+0.6×2+3.7×2） mΩ≈4 300 A

直流配電屏輸出電壓U1≈54V-4 300 A×（4+0.6× 2）mΩ≈31.6V

短路瞬間直流配電屏輸出電壓為31.6V，所有負載均無法正常供電。鑒于高阻配電在限流和限壓方面的優(yōu)勢，有人提出采用多級高阻配電的方案，即在直流配電屏輸出端串入一定阻值的電阻，串接電阻后直流配電屏輸出端總電阻大小應(yīng)為直流配電屏上端電阻值之和的5倍以上，即R串1≈（4+0.6×2）×5-3.7× 2≈18.6 mΩ，取R串1=20 mΩ，此時若直流分配柜1短路，在短路的瞬間：

短路電流Ishort1≈54 V/（4+0.6×2+3.7×2+20）mΩ≈ 1 650 A

直流配電屏輸出電壓U1≈54 V-1 650 A×（4+0.6× 2）mΩ≈45.4 V

由于采用二級高阻配電，電源分配柜上串接的電阻R串2≈（4+（0.6+3.7）×2+20）×5-（7.2～26.9）×2≈（148.6～109.2）mΩ，取R串2=120 mΩ。

短路瞬間其它電源分配柜負載電壓為V負≈45.4V- 120A×（3.7×2+20）mΩ-0.3V-8A×（120 +（7.2～26.9）×2） mΩ≈(40.4～40.7) V

正常工作時二級高阻配電系統(tǒng)壓降V降≈600A× 0.6mΩ×2+0.3V+120A×（3.7×2+20）mΩ+0.3V+8A×（120+（7.2～26.9）×2） mΩ≈（5.69～6）V

從以上數(shù)據(jù)可知，采用二級高阻配電情況下，電源分配柜短路瞬間，直流配電屏輸出電壓為45.4V，表面上看該電壓可以保證設(shè)備正常供電，但由于串接電阻較多，系統(tǒng)壓降增大，負載供電同樣存在電壓偏低的風險；當然加大R串1值可提高直流配電屏輸出電壓，但R串1加大的同時R串2也要按比例加大，兩個串接電阻造成的壓降同時加大，負載電壓同樣難以保證。

正常工作時，二級高阻配電造成的系統(tǒng)壓降在5.69～6 V，遠大于配電系統(tǒng)允許壓降，這時就不允許蓄電池放電至常規(guī)終止電壓，否則會出現(xiàn)負載電壓過低的情況。損耗方面，直流配電屏每分路串接R串1損耗約為288 W，占直流配電屏每分路總損耗4.5%左右；電源分配柜每分路串接電阻R串2損耗約為7.68 W，占電源分配柜每分路總損耗1.8%左右，該損耗全部轉(zhuǎn)換為熱能，對配電系統(tǒng)溫升的影響和散熱的要求都不容忽視。

通過以上計算和分析可以看出，盡管二級高阻配電可一定程度上提高負載的供電電壓，但系統(tǒng)壓降過大、損耗過大等問題過于嚴重，弊遠大于利，多級高阻配電的實用意義不大。

4 結(jié) 論

不管是二級配電還是三級配電系統(tǒng)，采用高阻配電都能有效提高系統(tǒng)可靠性，實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體情況合理選擇串接電阻，將壓降和損耗的影響降低到最低。多級高阻配電盡管能進一步提高系統(tǒng)可靠性，但壓降和損耗問題尚無法妥善解決，非特殊要求不建議采用。