通信直流供电系统开关电源和蓄电池维护及配置探讨

战 旗

（陕西省专用通信局，陕西 西安710075）

1 高频开关电源

1．1 高频开关电源及与蓄电池组的关系

直流供电系统主要由整流配电设备和蓄电池组组成，采用整流器和蓄电池组并联冗余供电方式，即以全浮充工作方式运行。蓄电池组既为备用电源，又可以吸收高频纹波电流，目前常用的蓄电池为阀控式铅酸蓄电池。在市电正常时，蓄电池与整流开关设备并联运行，蓄电池自放电引起的容量损失在全浮充过程中被补足，在市电中断或某种特殊场合，由蓄电池单独向负荷供电。

高频开关电源是具有模块化结构的高频开关型整流器。多台开关整流模块并联工作，能实现大功率电流系统供电，多台整流模块并联冗余，还可提高通信电源系统的可靠性。一个直流供电系统的蓄电池一般设置两组，即组合开关电源系统一般配有两组电池，电池组的输入与开关电源输出汇流排并联。开关电源系统在保证设备安全可靠供电的同时，其最重要的功能就是蓄电池管理，不同厂家实现的方法各有不同，但是都必须完成如下管理功能：温度补偿、充电智能限流、自动均充功能、周期均充、欠压保护告警功能。

1．2 开关电源针对电池管理的常用技术指标

（1）智能限流

智能限流就是系统根据蓄电池的容量、负载所需电流的大小来自动计算整流器的限流点。限流点：正常情况0．1C～0．15C。电网条件差：0．2C～0．25C。均充电压设定为单体2．35 V，24只单体电池串联，故开关电源的均衡充电电压应设置在56．4 V。当环境温度变化，均衡充电电压应随之变化，通常，环境温度每升高1℃，单体电池的均衡充电电压应下降3 mV，蓄电池均充电流小于10 mA／Ah时，自动转为浮充。浮充时间设定为单体2．23 V（25摄氏度），充电限流设定为0．1 C10A 。

（2）自动稳压及浮充和均充的自动转换功能

整流模块的作用是将交流转换为直流对负载供电并对电池组充电。浮充电压可设53．5 V，均充电压可设56．4 V。蓄电池在使用过程中，有时会发生容量、端压不一致的情况，为防止发展为落后电池，需要定期均衡充电以活化蓄电池。遇到以下情况时也需均充：一是蓄电池单独向负载供电15分钟以上；二是电池深放电后容量不足；三是电池组中已经出现了落后电池，在浮充状态下单体电压低于2．2 V；四是更换新电池后。均衡时间应该设置为3个月～6个月，均充时间不大于10小时。

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（3）欠压保护功能

电源系统为了保护蓄电池放电时不过放，采用直流断路器将蓄电池和负载断开，以达到保护蓄电池的目的。现在的通信电源为了延长重要负载的工作时间，增加了“二次下电”的功能。

1．3 开关电源的维护

开关电源应急故障处理的核心是保障直流供电不间断。日常例行维护的主要内容包括：通风、环境卫生、性能检查、定时记录、异常状况记录、简单维修、应急处理等。日常维护周期可按月、季、半年和年进行，定期安排巡检。

1．4 开关电源的容量配置

一旦选择好了蓄电池后，就必须选择合适的电源系统，以保证整个通信设备系统的正常工作。选择依据是：要保证蓄电池在最大充电（均充）电流情况下电源系统能可靠工作，要配置合理以保证能节约资源和建设成本，原则上要保证该电源机架上的整流器个数最少不得小于3个，另外还要考虑到以后的扩容。容量配置依据：组合开关电源整流模块数可按近期负荷配置，但满架容量应考虑远期负荷发展，其配置容量应满足设备负荷与充电负荷的要求，即主用整流器的总容量应按负荷电流和电池的均充电流（10小时率充电电流，一般取0．1C10）之和确定，同时，为提高系统的可靠性，根据“N＋1”冗余原则配置电源模块，其中N≤10，1只备用，N＞10，每10只备用1只。例如，设备负荷170 A，需配置2组1000 Ah的电池即蓄电池组总容量为2000 Ah，算出充电负荷200 A，开关电源满架选择600 A系统，需要配置的50 A模块数量为9块，最大提供450 A直流电流。

2 阀控铅酸（VRLA）蓄电池

现代通信系统中，蓄电池是直流供电系统的最后一道安全保障，随着技术的发展，新型阀控铅酸蓄电池替代了防酸隔爆式铅蓄电池。阀控铅酸蓄电池利用阴极吸收技术，应用多元合金板栅材料，电池可以实现密封不漏液，在整个寿命期间基本无须定期补水，也不需要补酸，因为无酸雾排出。但“密封”也是相对的，现在的国家标准里已经取消“密封蓄电池”这一词汇，最新的电池工艺上采用螺纹结构，便于打开和恢复。不过，目前的电信电源维护规程并没有作出修订，对维护中补水也没作出要求。蓄电池维护工作的好坏，直接影响整个通信系统的安全可靠运行，阀控铅蓄电池的设计浮充寿命一般10年左右，维护不好，短短几年电池就会报废。由于采用“贫液式”设计，降低水损耗是维护的重点，当电池失水10%，容量降低20%；失水25%，电池寿命结束。

排除设计和制造因素，从使用和维护角度来说，影响阀控蓄电池寿命周期的因素有：环境温度、充放电流、放电深度、容量配置、维护等条件。过充、过放、渗液、环境温度过高、浮充电压过高等因素对阀控铅蓄电池的健康影响很大。在现有维护规程指导下，有效的做好维护工作，避免以上情况发生，对延长电池寿命周期有很大作用。

2．1 环境温度的影响

温度与电池寿命的关系如图1所示。

图1 温度与电池寿命的关系表

如图1所示，环境温度过高，蓄电池中的化学反应加剧，从而加速了失水速度，降低了蓄电池寿命。当环境温度从25℃ 上升到43℃时阀控电池的浮充寿命下降到5年。

2．2 放电深度

放电深度与蓄电池寿命之间的关系非常密切，如表1所示。

表1 2 V阀控铅酸蓄电池放电深度与放电循环次数关系表

从表1可以看出，电池寿命和其循环次数有很大关系，而不是以使用多少年来衡量的。阀控铅酸蓄电池循环使用时，容量下降到额定容量的50%时，蓄电池完成的充放电循环次数称为循环寿命。阀控铅酸蓄电池的循环寿命随电池放电深度增大而迅速降低，为了延长寿命，尽量避免深度放电。

2．3 放电电流和终止电压

放电电流和终止电压与蓄电池寿命之间的关系也是非常密切。

图2 蓄电池放电曲线

从图2、表2、表3中可以看出，放电电流越大，时间越短，实际放出的容量越小；放电电流越小，时间越长，实际放出的容量就越大（即放电深度越深）。所以放电过大和过小，都应尽力避免。过大时电池会因在极短时间内降至极低而导致失效，过小则会造成深度放电而报废。一般情况选用10小时放电率来进行放电，10小时放电率的计算方法为蓄电池的标称容量（Ah）与放电时间（h）的比值。标准规定3小时与1小时放电率的放电电流分别是10小时放电率放电电流的2．5倍和5．5倍。尽量避免大电流放电。放电到终止电压时必须采取保护措施，不得继续放电。

表2 放电率与电池电压的对应关系

表3 阀控式铅酸蓄电池放电率与容量、放电电流的关系

目前，在通信电源系统中，开关电源通常都将阀控铅酸蓄电池的放电终止电压设置在43 V，单体电池的终止电压约为1．80 V。在放电初期电池端电压下降是比较快的，在放电10分钟后，电压下降到53．0V。大约半小时后，电池端电压降至49 V左右，1小时后降至48 V；蓄电池在48 V时，放电时间最长，大约要持续7～8小时；8小时后，蓄电池端电压开始下降，下降速度比较快，降至43．2 V时系统直流断路器断开，以便保护蓄电池，此时蓄电池端电压会有所上升，上升值约为5 V左右。按维护规程要求，每一年需对电池组进行核对性放电，采用0．25 C的放电电流，放出额定容量的30%～40%为止，放电时长为核定后的电池容量的30%～40%除以实际放电电流。放电结束后，要对蓄电池充电，充入电量应是放出电量的1．2倍。

2．4 充电限流

蓄电池充电过程是电能转化成化学能的过程，充电电压和电流要合适，偏大和偏小均会影响蓄电池的寿命。一般情况下蓄电池的充电电流要求在0．1C～0．25 C，C为蓄电池的容量。如果过大，电池就会迅速产生大量气体造成膨胀变形、活性物质脱落甚至出现“热失控现象”，导致蓄电池提早失效而报废；如果充电电流过小，那么充电时间就会变得比较长，甚至导致蓄电池充不饱，长期也会影响电池的正常寿命。充电时期的温度以及充电设备的性能等因素决定各种型号的电源限流点设定值不尽相同，维护规程规定，环境温度恒定在25摄氏度时，充电时单体蓄电池的充电电压在2．30 V时，充电时间24 h；设在2．35 V 时，充电时间12 h。均衡充电，通常用恒压限流充电法，单体阀控铅酸蓄电池的均衡充电电压设置在2．35 V，充电电流应不超过0．25 C10A，（C10为蓄电池10小时率放电容量），一般可设值在0．1 C10A，在经常停电地区，为快速补充容量，可以设大一些。

2．5 蓄电池的其它日常维护

蓄电池运行一段时间后，会出现个别电池落后或失效的现象。如果不及时发现落后（失效）电池，落后（失效）电池会影响其他正常的电池，随时间推移进而使整个电池组报废。为了保证电池设备具有充足的放电容量和延长电池使用寿命，一定要按维护规程周期要求认真对蓄电池进行正常维护，主要是检查蓄电池组中有无漏液、有无落后电池存在、蓄电池引线及端子的接触情况、电缆及软连接头压降，环境温度是否正常等，在阀控铅蓄电池组深度放电或长期浮充供电时，为避免出现单体电池电压和容量不平衡现象，必须均衡充电。只有做到及时发现及时处理，才能确保蓄电池的正常寿命。

2．6 蓄电池容量配置

蓄电池按直流负荷统计进行配置，蓄电池容量配置原则：按近期负荷配置，依据蓄电池寿命，适当考虑远期发展。一般蓄电池放电时间按照6～8 h配置。根据蓄电池容量计算公式和电池组的放电时间确定蓄电池的配置。对于给通信设备供电的蓄电池来说，合理的配置蓄电池容量是非常重要的，容量偏小不能满足通信设备在停电较长的情况下正常供电，影响正常通信；容量太大不仅是一种浪费，也会影响蓄电池的寿命，所以要合理选择蓄电池的容量。选择蓄电池容量主要是根据负载电流、停电后放电时间长短和频繁程度、放电容量系数 、以及扩容情况来决定。计算公式：

Q ≥ KIT／｛η［1＋0．008（t－25）］｝

式中：Q 为电池容量（Ah）；K 为安全系数（取1．25）；I为负载电流；T为放电时间（6或8h）；η为放电容量系数（0．94），见表4；t为 电解液最低温度（15°C）。例如，某局动力机房直流负荷峰值为110 A，考虑 预留，直流负载按照170 A计算，如果放电时间要求6h，经计算电池容量Q 为1575 Ah，需配置2组800 Ah蓄电池组。如果放电时间要求8 h，经计算得电池容量Q 为1966 Ah，需要配置2组1000 Ah蓄电池组。容量设计不考虑过长的放电时间，停电时间太长，如48 h，是不能用单靠增加电池容量的办法来实现，而应考虑用发电机供电，否则将影响到蓄电池的寿命。

表4 铅酸蓄电池放电容量系数（η）表

3 直流供电系统缆线线径的选择

（1）直流电源馈线应按照远期负荷确定，当近期与远期负荷相差悬殊时，可按照分期敷设的方式确定。在不同机房之间选用RVVZ系列铜芯聚氯乙烯绝缘护套软电力电缆，在同一机房选用RVZ系列铜芯聚氯乙烯绝缘电力电缆。－48 V电源直流放电回路全程压降不大于3．2 V，线径计算公式：

S＝IL／K铜△U

式中，S为导线截面积（mm2），I为流过导线的电流（A），L为导线回路的长度（m），K铜为铜的导电率值为57，△U 为分配压降（V）。

（2）蓄电池连线的选择

蓄电池连线一般都选用双护套非延然多股铜芯软线缆，在选择蓄电池导线的线径时不但要考虑到载流量，也要考虑导线的压降，一般情况下压降不得大于0．5 V。所以选择导线线径时要将如下因素考虑进去：蓄电池均充时的最大电流0．25 C，每平方毫米导线的最大允许通过电流，导线长度带来的压降。在选取蓄电池的连接导线时，一般在一定的范围内截面积越大越好。按经验值蓄电池连线线径的选择如下：电流在1～41 A时，每平方毫米载流量为4 A；电流在41～100 A时，每平方毫米载流量为2 A；电流在100～200 A时，每平方毫米载流量为1．6 A；电流在200 A以上时，每平方毫米载流量为1．2 A。

（3）接地系统线径选择

接地导线应采用铜芯导线。工作地线的线径一般选用最大最粗负载线的线径。保护地线的线径按如下规则选择：当相线线径S＜16 mm2时，选用与相线线径一致；当相线线径16≤S≤35 mm2时，保护地线线径选用16 mm2，当相线线径S＞35 mm2时，选用交流输入线径的一半S／2作为保护地。

4 结束语

为保证通信供电的安全可靠，直流供电系统日常维护中要以核心设备组合开关电源与蓄电池为主。同时，动力机房前期的设计也非常重要，一定要合理选型、合理配置设备容量，来满足业务对供电可靠性的需求。维护人员对整个系统也要有全面地了解，对设备容量、负载情况、线径大小、环境变化做到心中有数，才能提高维护效率，更好的提高通信质量。

［1］ 中国电信集团公司网络运行维护部，中国电信股份有限公司广州研究院．中国电信电源、空调维护规程（试行）［S］．2005．

［2］ 工业与信息化部．通信电源设备安装工程设计规范（YD5040－2005）［S］．2005．

［3］ 李海萤．阀控式铅酸蓄电池的维护与监测［J］．通信电源技术，2012，29（1）：89－92．

［4］ 工业与信息化部邮电通信人才交流中心．通信工程师［Z］．2007．