秦棣祥 (武漢洲際通信電源集團(tuán)公司 430035 武漢)
摘 要 從相控整流器的更新改造，名詞、術(shù)語的規(guī)范化，整流器的輸入電流諧波和閥控密封蓄電池的管理四個(gè)方面，闡述了目前我國通信電源領(lǐng)域中存在的問題，并作了探討。
關(guān)鍵詞 更新術(shù)語規(guī)范化電源諧波蓄電池的管理
作為通信設(shè)備的電源供給，有交流不間斷供電(AC、UPS)和直流不間斷供電(DC、UPS)之分。交流不間斷供電系統(tǒng)常約定俗成的簡(jiǎn)稱不間斷電源(UPS)，而直流不間斷供電系統(tǒng)則常簡(jiǎn)稱直流供電。但二種系統(tǒng)通常均由變電站提供的市電或由自備的油機(jī)—發(fā)電機(jī)組提供能源保證，而由蓄電池作為電源不間斷的基本保證。下面就二個(gè)系統(tǒng)中的有關(guān)問題作一些探討。
1 相控整流器的更新改造問題
相控整流器、可控諧振整流器和高頻開關(guān)整流器是通信整流器發(fā)展中的三個(gè)里程碑。可控諧振整流器在我國除引進(jìn)美國交換設(shè)備時(shí)附帶引進(jìn)少量電源外，基本上跳過了這類整流器的生產(chǎn)階段。但我國相控整流器的生產(chǎn)年限較早，從1969年即已開始。相控整流器由于重量體積大，消耗銅鐵材料資源多，且其功率因數(shù)低需用電容柜對(duì)無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。此外還沒有浮充電壓的溫度補(bǔ)償功能，不能很好適應(yīng)閥控密封電池的溫度補(bǔ)償要求。故由高頻開關(guān)整流器取代相控整流器是技術(shù)發(fā)展的必然。但功率等級(jí)較大、性能較完善、與程控交換機(jī)等先進(jìn)設(shè)備配套的相控整流器則從1987年開始，直到1993年左右才逐步由高頻開關(guān)整流器所取代。實(shí)際上，1993年后的新建通信局站由于高頻開關(guān)整流器已日臻成熟而直接采用，一步到位。此外，有些局站在進(jìn)行縱橫制改造為電子程控交換機(jī)時(shí)，由于電力室位置有限，也有將原相控整流器更換為開關(guān)整流器的情況。最近，有些作者撰文［1］，從經(jīng)濟(jì)效益的角度論述了當(dāng)前通信系統(tǒng)中原相控整流器改造的必然性，似值得商榷。首先文獻(xiàn)［1］中認(rèn)為通信用相控整流器的效率為0.7是不符合實(shí)際的，實(shí)際應(yīng)為0.9左右。與高頻開關(guān)整流器相比，僅低2%左右。其次，輸入有功功率也即耗電量主要與整流器效率與輸出功率的乘積有關(guān)，而與功率因數(shù)無關(guān)(無功電流會(huì)在輸入線路上產(chǎn)生少量損耗)。因此，所謂對(duì)于1000 A的電源系統(tǒng)計(jì)算所得的每年可節(jié)省電費(fèi)14.17萬元的結(jié)論也是不符合實(shí)際的。換言之，要在一、二年內(nèi)收回開關(guān)電源的成本是不可能的。當(dāng)然，對(duì)于已安裝使用的相控整流器在已使用到一定年限或在配合采用閥控密封電池和采用監(jiān)控系統(tǒng)以達(dá)到無人值守等特殊要求下，可考慮提前更新。目前我國已安裝使用的相控整流器有萬余臺(tái)，而我國畢竟在經(jīng)濟(jì)上還不十分富有，故對(duì)相控整流器的更新應(yīng)有一個(gè)客觀全面的認(rèn)識(shí)為宜。順便說一句，美國的可控諧振整流器也仍有在使用。此外，在大功率通信用UPS中，由于高壓相控整流器的效率可高達(dá)98%，故目前也仍有采用的。
2 名詞、術(shù)語的規(guī)范化問題
在典型的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中通常都有名詞術(shù)語這一節(jié)，明確闡明某些名詞術(shù)語的定義,以免發(fā)生歧義。這在國外和國際一些標(biāo)準(zhǔn)中是比較重視的，但我國通信標(biāo)準(zhǔn)中有時(shí)相對(duì)采用較少。在當(dāng)前熱衷談到國際接軌之際，對(duì)國際標(biāo)準(zhǔn)也常采用等同處理。那么對(duì)于一些在通信電源領(lǐng)域中出現(xiàn)的名詞術(shù)語，也有必要與國際稱謂相一致。例如在《通信局(站)電源系統(tǒng)總技術(shù)要求》(YD/T1051-2000)中出現(xiàn)了很多名詞如交流供電、交流電源系統(tǒng)、交流供電系統(tǒng)、直流供電、基礎(chǔ)電源、機(jī)架電源，還有集中供電、分散供電、一體化供電方式等，但似尚缺科學(xué)的縝密定義。
我們知道，根據(jù)通信設(shè)備對(duì)不間斷供電的要求，通信電源系統(tǒng)可概分為交流不間斷電源系統(tǒng)和直流不間斷電源系統(tǒng)。同時(shí)各個(gè)電源系統(tǒng)又可劃分為三級(jí)，如圖1所示。
第一級(jí)是提供能源保證的，即通常由交流市電和油機(jī)發(fā)電機(jī)組提供的能源。第二級(jí)是保證供電不間斷功能的，在直流不間斷電源系統(tǒng)中是由整流器和蓄電池等設(shè)備組成來保證的。而交流不間斷電源系統(tǒng)則由整流器、蓄電池、并聯(lián)運(yùn)行逆變器/旁路等設(shè)備組成。第三級(jí)電源是指通信設(shè)備內(nèi)部的DC/DC，DC/AC，或AC/DC等變換設(shè)備而言，滿足通信設(shè)備工作的特殊需要。《總技術(shù)要求》中對(duì)直流供電系統(tǒng)的第一級(jí)稱作基礎(chǔ)電源，而將交流不間斷電源系統(tǒng)的第二級(jí)稱為UPS，將第三級(jí)電源稱為機(jī)架電源。這樣的稱謂，概念上比較混亂，不如直接采用上述國際上通用的稱謂及概念，比較更為科學(xué)和明確。這對(duì)于貫徹執(zhí)行一些國際標(biāo)準(zhǔn)(這些標(biāo)準(zhǔn)中引用了這些名詞)或在國際上進(jìn)行論文交流時(shí)更容易有共同語言。此外，對(duì)于集中供電和分散供電已經(jīng)議論了很久，但卻沒有明確定義。仍以《總技術(shù)要求》為例，其分散供電的圖例，就是局限于直流不間斷電源系統(tǒng)的第二級(jí)供電，殊不知第三級(jí)電源也有分散、集中之分。而一體化供電方式不知與國際上的嵌入式電源(Embeded Power Supply)是否相一致，哪一種說法內(nèi)涵更廣、更明確也值得推敲。
類似的情況，例如蓄電池的保有容量(Retain Capacity)也有幾種說法。一是電池自放電造成容量丟失后的余留容量。也有認(rèn)為電池在高放電率放電后再作低放電率放電還能放出的容量。此外，保有容量和剩余容量(Residual/Remaining Capacity)二者是否相同或不同都不夠明確。這些情況恐怕都緣于標(biāo)準(zhǔn)中缺乏名詞、術(shù)語的明確定義的結(jié)果。由于查閱的資料不多，理解不深，謬誤難免，歡迎指正。
3 整流器的輸入電流諧波問題
隨著EMC問題的日益被重視，整流器的諧波電流的諧波限值也已提到議事日程上來。諧波電流的限值有二方面標(biāo)準(zhǔn)的限制。一方面來自電力系統(tǒng)的限制，例如標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549《電能質(zhì)量——公用網(wǎng)諧波》，它對(duì)一定短路阻抗的電網(wǎng)有一定的諧波電流注入的限值要求。但由于很多用戶都共同連接在一個(gè)電網(wǎng)上，又有一個(gè)電流或容量分配問題。再則，諧波電流的限值最終還得由電網(wǎng)諧波電壓是否超值來決定。另一方面是產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)諧波電流的限制要求。這方面標(biāo)準(zhǔn)如過去的IEC555-2《家用電器及其它類似電器的諧波電流限值》。此標(biāo)準(zhǔn)已在1993年廢止并明確由IEC1000-3-2《接入交流低壓電網(wǎng)設(shè)備的電流限值》代替。但其諧波電流限值基本未變，具體要求見表1。
IEC1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)適用于輸入電流小于16 A(含16 A)的產(chǎn)品。此標(biāo)準(zhǔn)的二個(gè)主要特點(diǎn)是：
(1)以各次諧波電流的最大允許值來對(duì)設(shè)備進(jìn)行限制；
(2)當(dāng)多臺(tái)設(shè)備(例如多個(gè)模塊)裝于一個(gè)列架中，仍視為多臺(tái)設(shè)備分別接入電網(wǎng)考慮。
1995年 IEC 又頒發(fā) IEC1000-3-4。這是對(duì)輸入電流大于16 A設(shè)備的諧波限值。但此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)諧波限值分了幾種情況和等級(jí)。此標(biāo)準(zhǔn)與 IEC1000-3-2的主要差別在：
(1)諧波電流限值以諧波系數(shù)(In/I1)%來表示；
(2)限值分幾個(gè)等級(jí)，第一級(jí)限值可以不受限制地接入公共電網(wǎng)；
(3)對(duì)于列架的多臺(tái)裝置，其總輸入電流也應(yīng)符合限值要求。
第一級(jí)限值見表2。
現(xiàn)在的問題是如何正確理解和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的限值。下面提出一種目前應(yīng)用比較廣泛的真實(shí)三相無源校正的高頻開關(guān)整流器為例作如下闡述。
設(shè)現(xiàn)有同為三相無源校正電路而輸出不同的48 V/50 A 模塊；48 V/100 A 模塊和由48 V/50 A 模塊組成的500 A 列架電源三種產(chǎn)品。經(jīng)實(shí)測(cè)和計(jì)算或推算可知：
48 V/50 A 整流模塊的輸入電流IR=4.7 A，基波電流I1=4.5 A，3次諧波電流I3=0.175 A，5次諧波電流I5=1.03 A，7次諧波電流I7=0.53 A，11次諧波電流I11=0.33 A，…。而相應(yīng)的3次諧波系數(shù)K3=3.9%，5次諧波系數(shù)K5=22.8%，7次諧波系數(shù)K7=11.7%，11次諧波系數(shù)K11=7.5%…
48 V/100 A 整流模塊的IR=9.4 A，I1=9 A，I3=0.35 A，I5=2.06 A，I7=1.06 A，I11=0.66 A。各次諧波系數(shù)均與48 V/50 A相同。
48 V/500 A 列架電源其IR=47 A，I1=45 A，I3=1.75 A，I5=10.3 A，I7=5.3 A，I11=3.3 A。其各次諧波系數(shù)仍與48 V/50 A相同。
將上述三種情況與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照考核，其結(jié)果為：
(1)48 V/50 A 和48 V/100 A 整流模塊其輸入電流IR均小于16 A，故用IEC1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)考核。48 V/50 A各次諧波電流均符合要求，而48 V/100 A已超出限值要求；
(2)48 V/500 A 列架電源由于總輸入電流為47 A，故以 IEC1000-3-4標(biāo)準(zhǔn)考核，其5次，7次，11次諧波系數(shù)均已超出標(biāo)準(zhǔn)。
由上可知，三種電路拓?fù)湎嗤β什煌漠a(chǎn)品，其結(jié)果迥異。48 V/50 A 和48 V/100 A 雖同用 IEC1000-3-2考核 ，但48 V/100 A 因功率較大而不符合標(biāo)準(zhǔn)。48 V/50 A 雖然通過了IEC1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)，但用48 V/50 A 模塊組成的500A列架電源卻不能通過 IEC1000-3-4標(biāo)準(zhǔn)。
因此，對(duì)于通常采用并聯(lián)運(yùn)行的通信用整流器而言，不論模塊或列架電源，均宜采用 IEC1000-3-4一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)考核 ，以避免產(chǎn)生上述那些不必要的矛盾。再則 IEC1000-3-2由于是由IEC555-2家用電器標(biāo)準(zhǔn)而來，家用電器一般是獨(dú)立使用的，且電流一般小于16 A，因此采用IEC1000-3-2的方法及限值來考核也是合理的。不過，它不適合通信整流器實(shí)際使用情況而已。故將此問題的看法提出，供商討。
順便還提一點(diǎn)，對(duì)于無源校正的真實(shí)三相高頻開關(guān)整流器，目前已用得較多，如朗訊的48 V/200 A 模塊，洲際、中達(dá)、中興的48 V/100 A 模塊均屬這種類型。當(dāng)執(zhí)行諧波電流標(biāo)準(zhǔn)后，是否也必須更新呢?還是在頒布新標(biāo)準(zhǔn)時(shí)說明已使用的設(shè)備不在此列，或者執(zhí)行放寬標(biāo)準(zhǔn)為妥。
4 關(guān)于閥控密封電池的管理問題
近年來，閥控密封電池(VRLA)在通信領(lǐng)域被大量采用，但在使用過程中又發(fā)現(xiàn)了一些問題，主要是壽命較短和猝不及防地出現(xiàn)容量不足造成通信中斷。因此，有些使用者又有回復(fù)采用富液式防爆密閉電池的想法。幸好，另一方面關(guān)于VRLA電池的充放電和檢測(cè)方法，即VRLA的管理問題也取得了不少進(jìn)展。所以，VRLA的采用應(yīng)該是肯定的。首先，通信用蓄電池組為48 V，而單體電池為2 V，因此電池的串聯(lián)運(yùn)行是不可避免的。同時(shí)，系統(tǒng)要求的容量大于單體電池容量時(shí)，則電池的并聯(lián)運(yùn)行也是必然的。對(duì)于電池的并聯(lián)運(yùn)行，富液式電池在過去已經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證是可行的。對(duì)于VRLA電池也有試驗(yàn)表明，不同容量不同狀態(tài)的電池并聯(lián)運(yùn)行也是可行的，因充/放電時(shí)其電流和容量具有自動(dòng)平衡作用。對(duì)于串聯(lián)運(yùn)行的電池組也可通過加裝均壓裝置來獲得電壓的均衡。在這個(gè)基礎(chǔ)上，選擇合適的浮充電壓和溫度補(bǔ)償并輔以在線放電及多種充電程序，對(duì)防止電池出現(xiàn)最擔(dān)心的突發(fā)性故障是有防范作用的。
下面介紹一下洲際集團(tuán)智能電源設(shè)備電池管理的情況及特點(diǎn)。電池是一種漸變產(chǎn)品，因此使整組電池能處于平衡正常狀態(tài)是電池保養(yǎng)，也是防止突發(fā)故障的前提。但監(jiān)測(cè)也是必不可少的。對(duì)于人們最關(guān)心的容量檢測(cè)，莫過于進(jìn)行放電曲線的測(cè)試。離線測(cè)試不是一種好辦法，而在線測(cè)試(即不脫離負(fù)載線利用負(fù)載進(jìn)行放電)是比較方便和安全的。進(jìn)而言之，恒流在線放電將更是我們所希望的，也更符合電池特性檢測(cè)的需要。洲際集團(tuán)的智能電源設(shè)備可以在5000 A以內(nèi)任意設(shè)定放電電流(當(dāng)然，不能大于90%負(fù)載電流)，并繪出電池組及各電池的放電曲線。同時(shí)在放電后，還可以采用多級(jí)恒流限壓或恒壓限流充電，以便使電池快速恢復(fù)。如果再增加在線內(nèi)阻測(cè)試，將使VRLA的管理更臻完善。
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