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提高通信电源系统可靠性的论证

四川邮电职业技术学院

毕业设计

论文（设计）题目：

提高通信电源系统可靠性的论证

班级：

308移动通信技术一班

******

学号：

**********

********

四川邮电职业技术学院

毕业设计（论文）任务书

班级

2008级移动通信技术一班

姓名

马龙飞

学号

2008030298

设计（或论文）题目

提高通信电源系统可靠性方案探讨

指导教师姓名

罗晓蓉

指导教师

专业技术职称

讲师

设计根据、内容、技术要求，主要设计方法（或步骤）：

1通信电源系统作用、组成、分类等.

2通信电源供电要求、可靠性要求、可靠性对通信业务的影响等

3提高通信电源系统可靠性的方案.

主要参考文献、资料：

《通信局（站）电源系统总技术要求》、

《通信电源》

要求完成时间

5月30日

提高通信电源系统可靠性的论证

马龙飞

内容摘要：

本论文主要介绍了通信电源系统的组成，通信电源系统的要求和特点，影响通信电源系统可靠性的主要因素以及提高通信电源系统可靠性的意义和实际方法。

最后从各方面论述提高通信电源系统可靠性的方案。

首先是市电的选择，其次通信电源设备的选用维护（ups油机蓄电池的选用与维护），保护电路方案，并联冗余系统备用方式，备用系统的切换方式，雷电的影响及通信电源系统防雷接地的要求。

关键词：

市电可靠性蓄电池备用开关电源防雷监控

第一章.通信电源系统的组成和要求

第一节.通信电源系统组成

通信电源系统一般包括双回路10kV高压系统、10kV/380V的低压变配电系统、油机供电系统、高频开关电源系统（直流整流及配电系统）、UPS系统、防雷接地系统、集中监控系统等。

而在基站供电系统中，一般不包括10kV高压系统，通常直接引入当地的220/380V电源，其他的基本相同。

通信电源系统在整个通信行业中虽然占的比例比较小，但它是整个通信网络的关键基础设施，是通信网络上一个完整而又不可替代的独立专业。

对于电源产品来说也是最基础的，产品技术的发展和变化速度也不同于其他通信产品，通信电源产品的种类繁多，包括高频开关电源设备、半导体整流设备、直流-直流模块电源、直流-直流变换设备、逆变电源设备、交、直流配电设备、交流稳压器、交流不间断电源（UPS）、铅酸蓄电池、移动通信手持机电池、发电机组、集中监控系统等

图① 通信电源系统的组成

第二节.通信电源系统的基本要求

对通信电源系统的基本要求是可靠性和稳定性。

一般通信设备发生故障的影响面比较小，是局部性的，但如果通信电源系统一旦发生故障，通信系统将全部中断，所以电源系统要应有备份设备，电源设备要有备品备件，市电要有双路或多路输入，交流和直流互为备用。

我国对通信电源的要求是：

防雷措施要求完善，设备允许的交流输入电压波动范围大，多重备用系统以防止电源系统发生电源完全中断故障。

由于电网分布和利用市电的条件存在千差万别，许多地方的市电电压波动范围很大。

特别是一些变电站、微波站、光通信站和模块站等，有时交流电电压波动范围达±30%以上。

为提高市电的可用度，要求电源设备具有更宽的工作电压范围，否则就要增加稳压装置。

2.1通信设备对交流电源的要求

有相应的优良的备用设备，如自启动油机发电机组（甚至能自动切换市电、油机电），对由交流供电的通信设备应采用交流不间断电源（UPS），电源中的脉动杂音要低于允许值，不允许有电压瞬变，经常检修分析，做到防患于未然，确保可靠供电。

小型通信局（站）交流电源基本采用单向或三相交流电源，单向为220伏，是指相线与零线之间的电压有效值，受电端子上电压变动范围为187--242伏，即15%～-+10%。

三项线电压为380伏，是指相线与相线之间的电压有效值，受电端子上电压变动范围为323—418伏，即15%～-+10%,三相供电电压不平衡度不大于4%。

电压波形正弦畸变率不大于5%。

采用三相五线制交流电源时要注意最大值频率相序三要素，三相正相序排列时为A、B、C，对应色标黄、绿、红；零线为N,对应色标为蓝；保护地线为PE,颜色是黄绿色。

图②三相五线制

三相交流电源线连接方式的基本原则：

1、交流供电应采用三相五线制

2、零线禁止安装开关或熔断器

3、在零线上除电力变压器近端接地外，用电设备和机房近端不许接地。

4、交流用电设备采用三相四线制引入时，零线不准安装熔断器，在零线上除电力变压器近端接地外，用电设备和机房近端应重复接地

。

2.2通信设备对直流电源的要求:

直流供电有相应的优良的备用设备，如蓄电池组等，电源中的脉动杂单要低于允许值，也不允许有电压瞬变，经常检修分析，做到防患于未然，确保可靠供电。

目前交换局常见设备直流供电电压为－48V和+24V,现代通信设备所用电源大多采用直流－48V,-48和+24的概念来源于相对点位参考点为大地，-48伏开关电源，工作地是正极接地；+24伏开关电源，工作地是负极接地。

下图为-48V或-24V伏系统浮充供电原理

图③浮充供电原理

原理：

交流电正常时，整流器供给全部负载电流，并对蓄电池组进行补充充电，使蓄电池组保持电量充足，此时蓄电池组仅起平滑滤波作用；当交流电源中断、整流器停止工作时，蓄电池组放电供给负载电流，使直流电源不中断；当交流供电恢复、整流器投入工作时，又由整流器供给全部负载电流，同时它以稳压限流的工作方式对蓄电池组进行恒压限流充电。

2.3通信设备对环境的要求

传输机房、骨干网SDH、DACS设备对机房环境要求，室内温度：

20--22°C；室内相对湿度：

40%---55%

交直流设备的环境温度的维护测量，使用红外测温仪测量，其读数以不超过28摄氏度为正常。

直流设备电池柜温度使用红外测温仪测量，其读数以不超过35摄氏度为正常。

通信机房：

15-20摄氏度，相对湿度30%-70%；

第二章．通信电源系统可靠性的影响因素及系统可靠性的意义

第一节.通信电源系统可靠性的影响因素

1.在通信系统的运行维护中，我们经常会涉及到系统的可靠性问题，其主要影响是电源设备的可靠性问题比较突出。

例如a高低压系统（市电、关键设备）、

b整流设备

c蓄电池

Dups

E油机发电机

2.高低压系统的布线方式

3.电源系统的防雷接地措施

4.集中监控措施也是影响通信电源系统可靠性的重要因素

第二节.提高通信电源系统可靠性的意义

可靠性是通信电源系统的最基本的要求，如果基站电源设备的故障率高,就不可避免地出现无法及时处理现象，移动网络的信誉和经济效益势必受到严重影响。

交换局电源设备对通信网络的影响更是一刻千金。

要保证全网通信的可靠性就必须在电源设备的设计、选购、验收、维护中要紧紧围绕可靠性这一关键课题，树立可靠性是通信网络生命线的思想，时刻牢记可靠性是质量的更高要求和综合体现，为提高系统可靠性而做好各项专业工作。

通信电源专业分管设备众多，责任重大，越来越受到业界的重视。

因此，进一步提高通信电源的安全可靠性，提高预警、预检、预修的能力，降低故障率，是今后通信电源研究的重点方向。

我国在通信事业飞速发展的同时，通信电源技术得到了快速的发展，通信直流电源系统是通信电源系统重要的组成部分，也是通信设备程控交换设备的主要供电方式，随着通信网络规模的不断扩大，通信电源设备的稳定性和安全性变得越来越重要。

如果电源系统发生直流故障，常常会造成整个通信的全部中断，所以保证直流电源系统的稳定是确保通信畅通的必要条件。

只有从主观上足够重视，并创造良好的客观运行环境，做到管理专业化、制度化，设备、技术先进化，操作、维护现代化，才能保证通信电源系统和通信管理系统的安全运行，确保通信的可靠畅通。

第三章．提高通信电源系统可靠性的具体方案

第一节.提高通信电源系统设备的可靠性

1.1高低压系统

（1）建立真正意义的10kV双回路供电系统。

要建立真正意义的双回路供电系统，不能从同一个变压器上引入双回路10kV供电，而应分别从不同的变电所引入10kV高压供电，这样才能提供更可靠的电源。

当其中一条10kV线路停止工作时，另一条10kV线路仍能及时供电。

（2）在关键设备的供电瓶颈采取备份的措施。

变压器、供电开关、熔丝、电缆实现互为备用。

例如，给整流器、UPS供电的断路器应有两个，能够独立供电，当主供开关损坏时，能够很快利用备用开关供电。

实现三线分离，下走线改为上走线。

在布放电缆时，应实现交流电源线、直流电源线、信号数据线三线分离，不得交叉。

因为不同的电缆对耐压等级不同，绝缘和屏蔽程度也不同，实现分离后可有效地防止火灾的发生和防止电磁干扰。

根据以往经验，发现下走线的电缆布放方式存在很多安全隐患，应尽量改为上走线。

1.2开关电源保护电路

在电气技术指标满足正常使用要求的条件下，为使电源系统在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠地工作，必须设计多种保护电路，比如防浪涌的软启动，防过压、欠压、过热、过流、短路、缺相等保护电路。

同时，在同一开关电源电路中，设计多种保护电路的相互关联和应注意的问题也要引起足够的重视。

开关电源保护功能虽属电源装置电气性能要求的附加功能，但在恶劣环境及意外事故条件下，保护电路是否完善并按预定设置工作，对电源装置的安全性和可靠性至关重要。

防浪涌软启动电路

图④

开关电源的输入电路大都采用电容滤波型整流电路，在进线电源合闸瞬间，由于电容器上的初始电压为零，电容器充电瞬间会形成很大的浪涌电流，特别是大功率开关电源，采用容量较大的滤波电容器，使浪涌电流达100A以上。

在电源接通瞬间如此大的浪涌电流，重者往往会导致输入熔断器烧断或合闸开关的触点烧坏，整流桥过流损坏；轻者也会使空气开关合不上闸。

上述现象均会造成开关电源无法正常工作，为此几乎所有的开关电源都设置了防止流涌电流的软启动电路，以保证电源正常而可靠运行。

防浪涌软启动电路通常有晶闸管保护法和继电器保护法两大类。

过压、欠压及过热保护电路

进线电源过压及欠压对开关电源造成的危害，主要表现在器件因承受的电压及电流能力超出正常使用的范围而损坏，同时因电气性能指标被破坏而不能满足要求。

因此对输入电源的上限和下限要有所限制，为此采用过压、欠压保护以提高电源的可靠性和安

温度是影响电源设备可靠性的最重要因素。

根据有关资料分析表明，电子元器件温度每升高2℃，可靠性下降10%，温升50℃时的工作寿命只有温升25℃时的1/6，为了避免功率器件过热造成损坏，在开关电源中亦需要设置过热保护电路。

缺相保护电路

由于电网自身原因或电源输入接线不可靠，开关电源有时会出现缺相运行的情况，且掉相运行不易被及时发现。

当电源处于缺相运行时，整流桥某一臂无电流，而其它臂会严重过流造成损坏，同时使逆变器工作出现异常，因此，必须对缺相进行保护。

检测电网缺相通常采用电流互感器或电子缺相检测电路。

由于电流互感器检测成本高、体积大，故开关电源中一般采用电子缺相保护电路

短路保护

开关电源同其它电子装置一样，短路是最严重的故障，短路保护是否可靠，是影响开关电源可靠性的重要因素。

（1）利用IGBT的Vce设计过流保护电路

图⑤

（2）　利用电流传感器设计过流保护电路

（a）利用电流传感器进行过流保护电路

（b）　PWM控制电路的输出驱动波形

图⑥

1.3整流设备

在通信电源领域，高频开关电源逐步代替了线性整流和相控整流设备。

高频开关整流器与相控整流器相比，具有体积小、噪声低、效率高、功率因数高、动态性能好、可靠性高、对电网污染小等优点。

通信直流电源一般采取正极接地的方式，电压通常为-48V。

（1）整流器的正极要可靠地接地，而且直流接地点要与防雷接地网相距5m以上，避免雷电的干扰。

（2）要防止整流器的监控单元控制整流模块退出服务的现象发生。

如果发生整流器退出服务的情况，则不能整流输出，只能靠蓄电池维持。

一旦出现整流器退服现象，其后果是蓄电池很快就会放空，造成通信网络瘫痪。

其原因主要是控制单元出现了问题。

往往由于高压关机、雷电干扰、软件/硬件故障等原因引起控制单元保护性关闭整流器输出，只能靠有限的蓄电池维持0.5～2h，蓄电池电量放空后，如果整流器还不能正常输出，通信网络一般就瘫痪了。

应急措施是快速到达现场，切断控制单元的控制线或电源线，重新逐个启动整流模块；然后快速抢修监控单元，以免整流模块输出不正常，引起通信设备或蓄电池的毁坏。

（3）每一套高频开关电源系统都应配备一定数量的开关电源模块，防止高压或强电磁侵入，烧毁在用的模块。

（4）直流电缆的颜色要统一。

通常直流正极一般用红色的RVVZ型电缆，负极一般用蓝色的RVVZ型电缆，保护地线用国际通用的黄绿双色电缆。

这些看似简单的问题，有的机房却不统一，这样在设备加电或下电时，容易造成较大的事故。

（5）能用直流供电的设备尽量不用交流供电。

直流电源的安全可靠性比交流电源好得多；另外，随着3G和NGN的发展，设备的精细化程度越来越高，对电磁干扰的要求也越来越高。

因此，在设备采购或设计时应尽量采用直流供电的设备。

（6）采用新的供电方式，变集中放置、集中供电为集中放置、分散供电，即将基础传输、交换机、高层网或较为重要的网与一般业务网分开供电。

分开后，供电系统相对缩小，易于保证质量，提高安全可靠性，减少维护工作量，防止全局性瘫痪。

1.4蓄电池

（1）蓄电池宜以阀控式密封铅酸蓄电池为主。

它的主要优点是：

使用中几乎无酸溢出，对环境和设备几乎无污染和腐蚀，可以不单设蓄电池室，维护工作量少，可逐层放置，占地面积少。

它的主要缺点是：

电池电压均匀性、一致性较差；使用寿命对环境温度、浮充电压有严格的要求；有些厂商的电池在技术上还不完善，存在落后电池、渗漏液、极板快速腐蚀、鼓肚等问题；大容量、长寿命使用还需实践证明。

（2）蓄电池是应急通信电源的生命线，也是导致系统瘫痪的重要因素，应当引起特别重视。

（3）要及时发现落后电池,往往因为一两只单体电池的电压下降而引起整个系统电压迅速下降,从而导致通信中断。

（4）注意浮动充电参数：

一般电池的充电电压为2.23V/单格（25℃）（53.52V/24PCS）；最大充电电流≤0.25C10；温度补偿系数为－4mV/℃·单格（以25℃为基点）。

（5）注意均衡充电参数：

充电电压为2.35V/单格（25℃）（56.4V/24PCS）；最大充电电流≤0.25C10；温度补偿系数为－4mV/℃·单格（以25℃为基点）。

（6）遇到下列情况之一可考虑采用均衡充电：

放电容量超过额定容量的20%以上；搁置不用时间超过3个月；连续浮充3～6个月或电池组内出现电压落后的电池。

（7）影响蓄电池使用寿命的主要因素有：

环境温度、放电次数（频度）、放电深度和充电电压（浮充电流）等。

必须注意克服这些因素的影响，才能有效延长蓄电池的使用寿命。

  （8）必须按规范要求及时更换蓄电池。

蓄电池的更换判据：

如果蓄电池电压在放出其额定容量80％（对照相应放电率的容量如C10等参数）之前已低于1.8V/单格，则应考虑加以更换。

  （9）为防止洪涝灾害，有些地区的电源室不宜放在一层或地下室。

这就要求阀控式密封铅酸蓄电池安装时必须考虑楼板的承重，进行承重处理。

1.5UPS设备

（1）对采用UPS供电的负荷要定期分析，凡是可以选用直流供电的设备，建议不宜采用交流供电的设备。

（2）UPS系统故障多发生在倒换瞬间，主要是由于存在感应电动势，所以要切实保障倒换的可靠性，必要时应有应急措施。

（3）要警惕UPS的蓄电池组高压危险，电压会高达400V以上。

（4）选择对外界因素的抵御能力较强的产品

如：

市电电压瞬高、瞬低、瞬断，网侧长时过电压，网侧浪涌过电压，电网波形畸变率，电网频率漂移，负载波峰因数、负载突变，负载短路，负载三相不平衡等，零线共模干扰，零线电位漂移，零线中断等，海拔超高、超温、超湿、粉尘、盐雾、震动等

（5）要及时发现落后的单体电池。

1.6油机发电机

（1）要防止启动电瓶失效。

平时应定期检查维护启动电瓶,必要时备用应急启动电池和充电器。

（2）要备用应急柴油，以防止油荒和意外灾害。

（3）要备用应急活动油机接口，避免发电机发电失败或切换失败。

（4）油机室内应光线充足、空气流通，注意清洁、不存放杂物。

根据环保要求，还应采取必要的降低噪音的措施。

（5）油机室内温度应不低于5℃。

若冬季室温过低（0℃以下），油机的水箱内应添加防冻剂，如未加防冻剂，在油机停用时，应放出冷却水；同时，更换成-10号柴油。

（6）机组及其附近放置的工具、零件及其他物品，开机前应进行清理，以免机组运转时发生意外危险。

（7）环境温度低于5℃时应给机组加热。

（8）电压、频率（转速）达到规定要求并稳定运行后方可供电。

（9）当机组出现油压低、水温高、转速高、电压异常等故障时，应能自动或手动停机。

（10）当出现转速过高（飞车）或其他有可能发生人身事故或设备危险情况时，应立即切断油路和进气路，紧急停机。

第二节.通过改变备用方式提高通信电源系统可靠性

组成设备的各单元的可靠性从功能上可以分为串联系统、并联系统、备用冗余系统和串并联系统。

2.1串联系统的可靠性小于任一组件的可靠性

串联系统比较常见，如开关电源的交流单元、整流模块、直流单元就组成了串联可靠性系统，如图2所示。

图⑦

系统总的可靠度为：

=R1（t）·R2（t）···Rn-1（t）·Rn（t）

由于串联系统的任何一个部分的可靠度R（t）都小于100%，即小于1，所以串联的部分越多，系统的总可靠度越小，所以减少系统串联成部分可以提高设备的可靠性，即结构简化就是可靠。

图

2.2并联冗余系统的可靠性大于任一组件的可靠性

当一种设备的可靠性指标可能无法满足系统的要求时，我们可以采取并联系统、备用冗余系统来增加系统的可靠性。

并联系统即设备并机热备份系统，其结构模型如图3。

系统的总可靠度为：

=1-（1-R2）·（1-R2）···（1-Rn-1）·（1-Rn）

可见并联系统越多，系统的总可靠度越大，而且统的总可靠度大于任何一个分系统的可靠度。

由于开关电源整流模块、UPS的内部串联组分较多，而且包含功率元件，如果采取单一工作方式，可靠性必然较低，我们采取N+1并联工作方式就很好地解决了这个问题。

开关电源整流模块N+1并联工作就是把以最佳工作电流并联运行的整流模块数量再加上一个相同的冗余模块；UPS的N+1并联工作一般是采取二台相同UPS并联工作，平时每台UPS各负担50%的负荷容量，总负荷容量一般小于一台UPS的最大容量。

2.3备用系统关键在于可靠切换

备用系统如图4，由完全独立的分系统并联组成，平时只有一个分系统工作，其余不参加工作，处于备用状态，当一个分系统发生故障时，需要用切换开关转换到其它分系统上去，保证系统正常输出。

如交换局的交流保证供电系统由二路市电和固定式柴油发电机组成，平时我们只使用其中一路市电，当在用市电发生故障时，首先应切换到另一路市电，二路市电都发生故障时，则必须启动自备柴油发电机供电。

这种系统中的备用分系统的可靠性最高，但是由于转换开关与备用设备是串联系统，所以转换开关直接影响系统的可靠性。

如能解决故障检测和切投转换这个可靠性瓶颈，那么备用冗余系统的总可靠性将比并联系统高很多。

转换开关有自动和手动两种工作方式，受各种外界因素的影响，我们往往采用手动切投转换。

因此设立可靠的故障报警装置、实行先进运维管理方法对于提高系统的可靠性都是必不可少的。

第三节.提高通信电源设备的使用和环境可靠性

由于经济和产品本身的原因，设备的可靠性无法满足要求时，我们可以选择并机系统如：

UPS、整流模块等；备用冗余系统的可靠性最高，但是必须保证可靠的切投转换，除了上述的方法外，制定科学的运行维护规程、加强技术培训、提高使用的可靠性；加强施工和配套设备管理，提高环境的可靠性都有助于提高设备的可靠性。

3.1提高使用可靠性

能够保证设备使用寿命的合理的安装和操作维护方法，杜绝操作失误。

例如基站空调的安装方式和使用方法，基站空调的主要作用是夏季制冷，考虑冬季气温较低我们东北地区一般选用热泵式空调，室外机如果安装在向阳的地方，那么夏季制冷时室外机的散热效果就不如安装在北侧的室外机，造成冷凝器温度高，内压大，势必增加压缩机的负荷，缩短空调的寿命。

如果两台基站空调采取自动备份式工作，即：

平时一台空调工作，一台空调备用，当基站室温升高超过设定标准时，两台空调一起工作，既能分担负荷，又能避免工作的空调发生故障时，造成基站室内温度骤升。

及时检查维护设备也非常重要，常规项目如：

检查轴承、加润滑油、定期更换易损件和材料等。

3.2提高环境可靠性

市电的变化范围超标或谐波超标时，必须配套交流净化稳压器。

据有关资料显示：

当环境温度升高10℃时，电子计算机的可靠性下降25%，因此保证设备环境温度、湿度、洁净度都在允许范围内，是保证设备可靠性和寿命的必要条件。

第四节.通信电源系统防雷接地措施

在通信局站中，接地占有很重要的地位，它不仅关系到设备和维护人员的安全的同时还直接影响着通信的质量。

因此，掌握理解接地的基本知识，正确选择和维护接地设备，具有很重要的意义。

4.1接地系统的组成

接地的概念：

所谓“接地”，就是为了工作或保护的目的，将电气设备或通信设备中的接地端子，通过接地装置与大地作良好的电气连接,并将该部位的电荷注入大地，达到降低危险电压和防止电磁干扰的目的。

接地系统：

所有接地体与接地引线组成的装置，称为接地装置，把接地装置通过接地线与设备的接地端子连接起来就构成了接地系统。

图⑨

接地装置的接地电阻，一般是由接地引线电阻，接地体本身电阻，接地体与土壤的接触电阻以及接地体周围呈现电流区域内的散流电阻四部分组成。

4.2、影响接地电阻的因素

影响接地电阻的因素主要考虑影响接触电阻和散流电阻的因素

接触电阻指接地体与土壤接触时所呈现的电阻,接地体与土壤的接触电阻决定于土壤的湿度、松紧程度及接触面积的大小，土壤的湿度越高、接触越紧、接触面积越大，则接触电阻就小，反之，接触电阻就大。

散流电阻是电流由接地体向土壤四周扩散时，所遇到的阻力。

它和两个因素有关：

一是接地体之间的疏密程度。

二是和土壤本身的电阻有关。

衡量土壤电阻大小的物理量是土壤电阻率。

4.3接地的分类和作用

通信机房的接地系统，按带电性质分有交流接地系统和直流接地系统两大类，按照用途分为工作接地系统、保护接地系统和防雷接地系统

交流接地系统有工作接地和保护接地

1）所谓工作接地，在低压交流电网中就是将三相电源中的中性点直接接地。

2）所谓保护接地，就是将受电设备在正常情况下与带电部分绝缘的金属外壳部分与接地装置作良好的电气连接。

直流接地系统接地系统也可分为工作接地和保护接地两种

1）工作接地用于保护通信设备和直流通信电源设备的正常工作；直流工作接地的作用首先是利用大地作良好的参考零电位，保证在各通信设备间甚至各局（站）间的参考电位没有差异，从而保证通信设备的正常工作；其次是减少用户线路对地绝缘不良时引起的通信回路间的串音。

2）保护接地则用于保护人身和设备的安全。

直流保护接地的作用首先是防止直流设备绝缘损坏时发生触电危险，保证维护人员的人身安全；其次是减小设备和线路中的电磁感应，保持一个稳定的电位，达到屏蔽的目的，减小杂音的干扰，以及防止静电的发生。

在通信局（站）中，通常有两种防雷接地

1）为保护建筑物或天线不受雷击而专设的避雷针防雷接地装置，这是由建筑部门设计安装的；

2）为了防止雷击