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通信电源系统
高铁岗位资格性培训教材
第九章通信电源设备维修岗位
沈阳铁路局职工教育教材编审委员会
二〇一二年三月
第一节通信电源系统概述
一、通信电源系统构成
第二节通信电源系统设备组成及工作原理
一、通信电源系统组成结构
1.通信电源的交流供电系统组成:
(1)高压配电所
(2)降压变压器
(3)油机发电机
(4)UPS
(5)低压配电屏
2.交流供电系统可以有三种交流电源:
(1)变电站供给的市电
(2)油机发电机供给的自备交流电
(3)UPS供给的后备交流电。
3.油机发电机
为防止停电时间较长导致电池过放电,电信局一般都配有油机发电机组
4.UPS
为了确保通信电源不中断、无瞬变,可采用静止型交流不停电电源系统
5.交流配电屏
输入市电,为各路交流负载分配电能。
当市电中断或交流电压异常时(过压、欠压和缺相等),低压配电屏能自动发出相应的告警信号
6.大型通信站交流电源
由高压电网供给,自备独立变电设备。
7.基站设备
由两个变电站引入两路高压电源,专线引入,一路主用,一路备用,通过变压设备降压供给各种通信设备和照明设备,有自备油机发电机
8.一般的局站
从电网引入一路市电,接入自备油机发电机
9.小的局站、移动基站
接入一路市电(配足够容量的电池),油机为车载设备。
10.直流供电系统包括:
整流器(AC/DC变换器)、蓄电池、DC/DC变换器、直流配电屏
(1)整流器:
从交流配电屏引入交流电,整流为直流电压,输出到直流配电屏与负载及蓄电池连接,为负载供电,给电池充电。
(2)蓄电池:
交流停电时,向负载提供直流电,是直流系统不间断供电的基础条件。
根据蓄电池的连接方式,直流供电方式主要采用并联浮充供电方式
并联浮充供电方式
将整流器与蓄电池直接并联后对通信设备供电。
若市电中断期过长,应启动油机发电机供电。
二、通信电源系统的工作原理
1.电源(Power):
把一种电能变换成所需要的电能形式的装置.电源按能量变换方向区分由以下四类:
(1)AC/DC电源power;
(2)DC/DC变换器conveter;
(3)DC/AC逆变器inverter;
(4)AC/ACUPS/变频器transducer;
以上四类在通信系统中都有应用,其中AC/DC电源与DC/DC变换器是应用最广的电源。
定义:
利用功率半导体器件使电压器工作在高频开关状态(饱和导通或截止),利用L、C储能并通过PWM控制获得需要的电压的装置。
2.开关电源的缺点与优点
优点:
---高效率、体积小;
---高功率密度;
---宽的输入电压范围及带载能力;
---更多的功能,等.
缺点:
---高噪音及EMI;
---慢响应时间;
---较差的调整率,etc.
3.通信电源系统组成原理
原理图
第一级监控:
电源监控后台,电源监控后台通过RS-232或RS-485及MODEM通讯方式与电源系统的监控模块连接
第二级监控:
电源系统监控模块构成电源监控系统
第三级监控:
各整流模块内的监控单元、交流配电监控单元和直流配电监控单元等组成。
电源监控系统
整流模块监控单元
直流屏监控单元
交流屏监控单元
电源工程简图
配置需求信息
使用的环境温度
电池正常工作的温度是25℃,铅酸电池的使用寿命一般为10-20年,且环境温度在此基础上每上升或降低8℃,电池使用寿命减半。
当地电网停电频度(即决定电池充放电循环次数和放电深度)
决定蓄电池使用寿命的另一重要因素是充放电循环次数,在不同放电深度下,其充放电循环次数相差很大,如阳光A400系列电池,在放电深度为20%时,其充放电循环次数为500次,放电深度为80%时,其循环次数为120次。
如当地停电频繁,电池在大的放电深度下将很快失效。
整流器容量IZ配置计算公式如下:
如果局站近期负荷小、终期负荷大,为了减小近期投资额,可以按照近期负荷容量I进行设计。
IZ=I+K×ɑ×Q
其中IZ:
计算的整流器总容量,单位安培;
I:
近期或终期负荷电流,单位安培;
K:
电池备用系数。
无备份取1,1+1备份取2;
ɑ:
充电系数,取值范围为0.1~0.2;
Q:
10小时放电率电池容量,单位Ah。
整流器的配置个数N的确定通过IZ与单体整流器容量的比值取整计算得出。
根据备用方式确定最后需要配置的整流器数量。
充电电流值乘以2指配置两组电池,互为主备工作。
整流模块配置数M计算公式为:
M=[Iz/IR+1]+1(取整)
UPS输入功率计算
P入=P出/(COS∮*ц)
COS∮----功率因数(一般取0.8)
P出-------额定输出功率(KVA)
P入-------输入功率(KVA)
ц--------保险系数(一般取0.8)
UPS由整流器、电池和逆变器等组成,电池后级为逆变器,逆变器的输入电流就是电池放电电流。
UPS的容量计算
(1)电池放电电流
I=S/(COS∮*n*V*ц逆)
式中:
S----------UPS额定输出容量(VA)
ц逆-------逆变器效率
n----------蓄电池只数
V---------蓄电池放电终止电压(2V电池对应1.8V;12V电池对应10.8V)
COS∮----功率因数
(2)UPS电池的计算
Q=KCI
C-----------电池容量计算系数(参照表1-1)
I------------电池放电电流
K----保险系数(取值范围1.2~1.67)
第三节交直流配电设备
一、交直流配电设备的维修质量标准
1.当交流配电屏同时接入两路以上交流电源时,必须具有电气联锁装置,严禁并路使用。
当任何一路发生停电或缺相时应发出告警信号。
外部交流电源不能保证的地区,配电屏应预留油机接入端子。
2.交流配电屏在接入电源时,其相序应连接正确,备用发电机与外供电源相序应一致。
3.交流配电屏的外壳及避雷保护装置必须接保护地线,保护地线的截面积不应小于4mm2,保护地线的接地电阻应符合规定。
4.直流配电屏应具有输出过电压、输出欠电压、输出熔断器(断路器)熔断(跳闸)声光报警装置,并保证有效。
5.电源机房至通信设备的直流供电线路,应分级设置保护装置(如熔断器、自动空气开关),一般不宜多于四级。
用于直流供电回路的自动空气开关,应采用直流专用开关,不宜用交流开关代替。
6.配电设备的大修周期:
使用12年及以上。
7.直流配电屏及电源配线的维护测试项目及周期规定如下表:
顺号
类别
项目与内容
周期
备注
1
日常
维护
1.表面清扫检查。
季
2.标签核对检查。
2
集
中
检
修
1.负荷电流测试及熔丝容量检查
年
2.直流馈电线压降测试
3.工作地线检查及接地电阻测量
4.配线强度检查
5.仪表检查校对
3
重
点
整
修
1.更换熔断器、断路器
根据需要
2.电缆架(沟)及电源线清扫检查整理
3.更换老化配线
4.更换配电线路
5.仪表修理
6.其它重点整修项目
8.交流配电屏及电源配线的维护测试项目及周期规定如下表:
顺号
类别
项目与内容
周期
备注
1
日常
维护
1.停电及缺相告警试验
月
2.转换开关及指示灯检查
3.标签核对检查
4.观察电表,记录读数
2
集中检修
1.负荷电流测量
年
2.两路交流电转换试验
3.保护地线检查及接地电阻测量
4.清扫检查(停电进行)
5.仪表检查校对
3
重
点
整
修
1.更换熔断器、断路器
根据需要
2.电源配线整理及更换老化配线
3.馈电线绝缘测试
4.仪表修理
5.其它重点整修项目
二、交直流供电系统电力线的选配
配线还要注意以下几项:
1.必须不损坏负荷的性能
2.负荷端电压的变动幅度要小
3.各负荷的端电压要均匀一致
4.要减小配线中的电力损失
5.要经济
交流导线截面设计:
S=Im/Jj
S-----导线的经济截面积(mm2)
Im------最大负荷电流(A)
Jj-------经济电流密度(A/mm2)
对通信电源的交流线Jj取2A/mm2
直流导线设计:
ΔU=IR=IρL/S=IL/γS
(电流密度复核:
即每平方毫米电流不大于4-5A,ZR-RVVZ电缆)
式中:
ΔU──导线上的电压降(V);
I──流过导线的电流(A);
R──导体的直流电阻(Ω);
ρ──导体的电阻率(Ω·mm2/m);
L──导线长度(m);
S──导体截面面积(mm2)
r──导体的电导率(m/Ω·mm2)。
r铜=57;r铝=34;单股的钢导体r钢=7,它们的单位是m/Ω·mm2
综合案例
某局要安装一套2000线(终期容量)的交换设备,通信电源与交换设备共在一个房间内,房间面积为80平方米。
通信电源到交换之间的距离是20米,电池放在电源侧面,电池连线端子到电源之间的距离是5米。
局方要求停电时要用油机供电,同时为了保险要求停电后电池能够维持供电10小时。
根据现场情况和局方要求选择通信电源、电池、空调、油机及电力电缆线
1.电源、电池选择
①负载电流计算(以交换每线20mA估算)
2000*0.02=40A(以每线20mA估算)
②电池容量选择
40*10=400AH(10小时放电率)
建议选用200AH电池两组
③电源需要提供总电流
40+400*25%=140A
选择电源系统为PS48240/20-160A(N+1备份)
2.油机选择
P出=56.5*140A=7910W
P入=P出/(COS∮*ц)ц=0.86COS∮=0.6
代入得:
P入=15.3KW建议选用30KW的油机
3、空调选择
80*250=20,000(W)建议选用20KW的空调
第四节高频开关电源
一、高频开关电源设备
1.直流电源供电标准:
(通信设备被供电端子上电压波动范围)24V:
22.8~25.5V;48V:
43.2~57.6V。
2.交流市电供电标准:
电压220V:
187~242V,380V:
323~418V;频率:
50Hz±2Hz。
二、高频开关电源柜的维修质量标准如下:
序号
项目
标准
备注
1
输入性能
1.同时引入两路交流电
2.具有两路电源自动转换性能,且在转换过程中保证不发生并路
3.当I路输入断电或超过规定范围时,自动转到II路供电;当I路输入恢复正常时,自动转回到I路供电
1.输入允许电压范围:
通信站(380±76)V或(220±44)V
中间站155~285V
2
蓄电池质量标准
参见9.4.1
3
自动
稳压
1.范围
(1)48V:
44~58V
(2)24V:
22~28.5V
(3)12V:
11~14.2V
(4)6V:
5.5~7.1V
2.精度
(1)电压调整率:
≦±0.1﹪
(2)负载调整率:
≦±0.5﹪
(3)负载电流在0~100﹪额定值范围内,输入电压在允许范围变化,稳态稳压精度≦±1﹪
4
杂音
电压
1.电话衡重:
≦2mv
2.峰-峰值:
≦200mv(0~20MHz)
3.宽频:
3.4~150KHz:
≦100mv
150KHz~30MHz:
≦30mv
5
并联负载均分性能(均流性能)
整流模块以n+1方式并联供电,应做到均分总负载电流值。
当整流模块平均负担电流在单模块额定电流值的50%~100%范围内时,模块并联均分负载不平衡度≦±5﹪
6
限流
1.中间站50﹪~110﹪额定范围内可调
2.通信站90﹪~110﹪额定范围内可调
7
保护性能
1.交流输入过电压:
当交流输入电压超过过电压整定值时应自动关机保护,并发出声光报警
2.交流输入欠电压:
当交流输入电压低于欠电压整定值时应自动关机保护,并发出声光报警
3.直流输出过电压:
可根据要求整定,当输出电压高于整定值时应自动关机保护,并发出声光报警
4.直流输出欠电压:
当输出电压降低到输出欠电压整定值时应自动发出声光报警。
输出欠电压整定值为48v
5.直流输出过电流:
当输出电流超过120﹪额定电流值时,应自动关机保护,并发出声光报警
8
告警
1.发生下列情况时,必须发出音响及灯光告警信号:
(1)直流输出电压达到或超过设定的告警范围
(2)输入发生停电
(3)交流输入开关(熔断器)跳闸(熔断)
(4)直流输出开关(熔断器)跳闸(熔断)
(5)保护电路动作
2.关断告警声响信号后灯光信号必须存在;当故障恢复后应再次发出声响信号
9
熔断器及断路器容量
1.交流输入熔断器(断路器)的容量应按最大值的1.2~1.5倍选取
2.直流输入熔断器(断路器)的容量:
总容量应为分容量和的2倍
分容量应为负载电流的1.5倍
10
配线
1.铜、铝连接必须采用铜铝过渡连接
2.配线时,两端必须有明确的标志
第五节UPS电源
一.UPS基础知识
标(准)机与长(延时)机
容量与输入输出关系
负载对电网的容量影响是最主要的因素
电压输入范围和频率
UPS输入电压范围:
-45%~+25%
UPS超宽输入电压范围(120V~276V)
胜任恶劣电网环境,减少电池放电频度
UPS输入频率范围:
50Hz±5%
接入各种燃油发电机均可稳定运行
UPS电池容量工程算法
UPS监控
艾默生UPS产品
环境条件对使用的影响
温度
高温降低UPS的通风散热
高温减短蓄电池寿命,低温降低放电容量
过热使元器件参数漂移,老化、变形
湿度
干燥易产生静电
潮湿加速金属腐蚀分解霉变、降低绝缘
海拔
影响通风
影响电解电容和蓄电池性能
振动、冲击、碰撞
焊点脱焊,连接线断裂,接插件、紧固件松动
日照
加速元器件老化
尘埃
降低绝缘性能
腐蚀性气体、昆虫、霉菌
极易损坏线路板、接插件、线缆
UPS应用中的一些不当情况
1.不合适的交流电压
过高的电压,可能造成UPS的损坏。
案例1:
某用户将380V高压(三相)电接入输入电压应为220V(单相)的UPS,导致损坏。
2.不合适的直流电压
案例1:
某UPS直流电压36V,被接入72V电池,造成电容损坏。
案例2:
某用户将直流电压“+”、“-”极性接反,造成故障
3.UPS输出与市电短路
将UPS的输出与市电短接,或将UPS的输出与UPS的输入短接,这两种都可能造成UPS功能紊乱、严重损坏。
案例:
某用户为打扫卫生,将UPS拆下重新安装,不慎将UPS的输出接到电网上,UPS的直流保险丝烧断。
4.输出短路
UPS输出火线与零线,或者火线与地线短路,会造成UPS故障或者UPS保护无输出。
虽然UPS具备短路保护,但由于无输出仍影响其它负载。
案例1:
UPS输出接的多功能插座质量不好,内部接线虚焊,使用时间一长,易出现接触部分脱落,火线处有打火痕迹。
案例2:
某用户配电线从墙壁内穿线,由于绝缘层擦导致短路,UPS开机即跳闸。
案例3:
由于被老鼠咬破线皮,某UPS发生保护。
5.火零地线接错
错误地将UPS的输入、输出火零地线接错,常见现象是火线与零线接反,或者零线与地线接反,可能造成设备工作不正常,并有安全问题。
实际应用中,经常发现用户电工将零火线接反。
6.UPS过载运行
过载运行的UPS会停止输出或者由旁路供电,都将使UPS无法起到断电保护功能。
案例:
某台1KVAUPS被带7台电脑,UPS一直处于过载告警状态(此时机器长鸣)。
7.对UPS频繁启动
频繁地启动UPS会降低UPS的使用寿命。
每次开关机之间应有1分钟以上的间隙。
8.忘记关UPS
一般发生在小功率UPS。
UPS忘记关机,而市电已关断,造成UPS用电池放电,而且是小电流放电,对电池的寿命有很不良的影响,易缩短电池的使用寿命。
9.电池未充足电
电池每次放电后应及时充电,切勿使UPS长期处于电池欠压工作状态。
10.负载没有接在UPS上
有些用户设有两路供电线路,一路是市电,一路是UPS输出。
不小心会将负载接在市电上,得不到UPS的保护。
11.UPS没有开机
大部分的在线式UPS均有旁路功能,UPS在没有开机时,处于市电旁路输出,直接由市电供电。
12.将UPS当做负载电源总开关
正确的操作是:
开机时先开UPS,后开负载;关机时先关负载,后关UPS。
13.擅自拆开机器
UPS内部存在高电压,擅自拆开机器,进行维护、维修,可能造成UPS故障,甚至危及人身安全。
建议由受过培训的专业人士进行操作。
第六节逆变器
一、系统构成
市电纯旁路逆变器原理图
市电整流逆变器原理图
冗余式逆变器原理图
串联热备份接线图
操作步骤:
将主机的旁路输入由原来接市电改为接在从机的UPS输出,即构成串联热备份。
当主机出现故障时,主机将自动切换到旁路状态,此时从机输出承受负载,负载仍处于UPS逆变状态,从而保障设备安全运行,若主机处于旁路,从机又出现故障,则由市电来承受负载。
二、注意事项
1.对于交流直通结构的逆变器,在没有直流接入的情况下,禁止将市电接入直接带载使用。
2.不是所有的逆变器都具有48V防反接功能,所以在接线前要保证直流电压的极性正确。
3.在农村、山区等电力环境恶劣的地区使用本逆变器,逆变器的市电运行方式可能被禁止。
4.使用发电质量不高的油机系统输出作为逆变器的市电输入时,逆变器的市电运行方式可能被禁止,需要视具体情况决定。
5.在没有市电的环境使用时,逆变器可能有声音告警,如果需要取消该功能,需要向逆变器厂家咨询,并由资深电源工程师进行操作。
三、测试指标及方法
1.逆变器、UPS电源供电质量标准:
输出电压220V:
209~231V,380V:
361~399V。
三相供电电压不平衡度不大于4%。
2.逆变器和UPS电源柜的维修质量标准规定如下表:
顺号
项目
标准
备注
1
UPS
输入性能
1.电压:
220V±20%或380V±20%
2.频率:
(50±2.5)%Hz
3.功率因数:
≥0.95
2
输出性能
1.波形:
正弦波(电压波形正弦畸变率不大于3%)
2.电压稳定度:
0~100%线性负载范围内,输出电压变化≤±1%
3.频率稳定度:
(50±0.1)Hz;
4.转换时间:
逆变器或UPS在市电、旁路或电池供电之间任意转换,其转换时间均应≤4ms
3
负载能力
输出功率因数:
≥0.8
1.过负载及转换:
110%负载,不转旁路;
120%负载,≥1min转旁路。
4
蓄电池
标准
参见9.4.1
5
充电整流器
1.具有蓄电池放电后自动均衡充电、充电结束自动转浮充功能;
2.具有蓄电池均衡充电、浮充电自动温度补偿功能;
6
保护性能
1.交流输入过、欠压:
当交流输入电压超过允许输入电压整定范围时,应立即转电池运行,并发出声光报警信号;
2.交流输出过电压:
当交流输出电压超过输出过电压整定值时,应立即关机并发出声光报警信号;
3.交流输出欠电压:
当交流输出电压低于输出欠电压整定值时,应立即发出声光报警信号;
4.直流输入欠电压:
当UPS的输入直流电压降低到低电压整定值时,应立即转旁路供电或停机,并发出声光报警信号。
7
告警
1.发生下列情况时,必须发出音响及灯光告警信号:
(1)交流输入电源发生停电时;
(2)交流输入电压超过设定之告警范围时;
(3)交流输出电压超过设定之告警范围时;
(4)设备转旁路运行时;
(5)交流输入、输出开关(熔断器)跳闸(熔断)时;
(6)直流输入开关(熔断器)跳闸(熔断)时;
(7)保护电路动作时。
2.关断任何告警的音响信号后,灯光信号必须存在;当故障解除后,应再次发出音响信号。
8
显示
具有输入、输出电压、电流,设备运行状态、蓄电池运行状态等显示。
第七节蓄电池组
一、蓄电池的结构及原理
铅酸电池的结构
阀控密封铅酸蓄电池设计原理阴极复合(氧复合)原理
电池反应:
Pb+PbO2+HSO4<∷∷∷>PbSO2+H2O
复合反应:
O2+Pb-→PbO;PbO+H2SO4→PbSO4+H2O
★蓄电池在充电过程,正极板在充电量达到60%时,充电效率开始下降,极板表面有气泡生成(氧气);
★阴极复合原理(氧复合原理)设计思想就是利用预压缩紧装配结构和AGM隔膜的气体通道,使正极表面产生的氧气通过隔膜到达负极板表面,和负极表面金属铅反应生成氧化铅,进一步和硫酸反应生成硫酸铅和水。
以达到在整个使用寿命期内不需要补水的目的。
1.组成阀控密封电池的必要条件
(1)专门的正极板板栅铅合金;
《Pb-Sb和Pb-Ca双合金技术优势及其应用》
(2)负极活性物质过量设计原则;
《浮充状态下蓄电池使用寿命的保证》
(3)专门设计功能型单向安全排气阀;
《单向安全排气阀的必备功能》
(4)专门设计功能的超细玻璃纤维;
《保证蓄电池内部氧气复合的基本条件》
(5)专门设计的充电方式;
《两阶段恒压安全连续充电》
2.阀控铅酸蓄电池基本性能
(1)标称电压:
2伏;实际电压:
2.15伏左右。
新电池的荷电状态可根据电池的开路电压测量来判断,新电池的开路电压应在充电后20℃下静置24小时测量。
(此法不适用于旧电池)
荷电状态
(StateofCharge)
开路电压/单体
(V/cell)
100%
2.15
80%
2.10
60%
2.07
40%
2.04
20%
2.00
(2)V开=2.15V浮=2.25V均=2.35
★三者间0.1伏关系;说明充电电压与电池电压之间保持特定压差才能保证充电效果。
(3)V开~C新新电池容量与开路电压成正比。
(4)V开~d液电解液比重与开路电压成正比。
(5)DOD(放电深度)~循环次数成反比。
★放出电量越大,充放次数越少;国内较好指标:
80%DOD,循环次数约1000次。
(6)充电量/放电量,应大于1.2倍。
(7)℃~d液电解液比重配置与温度成反比。
阀控蓄电池基本性能
(8)虽无记忆效应,但不能亏电。
Pb(负)+PbO2(正)+H2SO4↔PbSO4+H2O
以上反应中关键是由右至左的充电反应要得
到保证,且越完全越好。
即:
理论上充电越完全,硫酸铅反应越彻底。
可以认为:
阀控密封铅酸蓄
电池维护工作的重点,是如何保证蓄电池的充电
效果和建立并完善蓄电池行之有效的充电方法。
(9)单体电池充电电压<2.40伏。
2.40伏为阀控电池体系的水解电位。
国产蓄电池单体充电电压不要超过2.38伏(即48伏系统充电电压不要超过57伏)。
3.温度对使用的影响
(1)温度上升影响使用寿命。
(2)温度下降影响放电容量。
(3)温度补偿必须刻守补偿范围:
-15℃~+40℃,3mv/℃/cell;
-0℃~
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