鄭大永 鄭宏劍 宋波
通信電源作為通信系統(tǒng)的“心臟”，其重要性已越來越被各級電信部門所認識，而且對相關設備和技術提出了更高的要求。近年來，隨著技術的進步，特別是功率器件的更新?lián)Q代，新型電磁材料的不斷使用，功率變換技術的不斷進步，控制方法的不斷改進，以及相關學科的不斷融合，通信電源在系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性、電磁兼容性、消除網(wǎng)側(cè)電源諧波、提高電源利用率、降低損耗、提高系統(tǒng)的動態(tài)性能等方面取得長足的進步。通信電源正向高頻化、高功率密度，高功率因素、高效率、高可靠性和高智能化方向發(fā)展。
一、通信電源市場的現(xiàn)狀
通信的發(fā)展促進了通信電源技術的發(fā)展，而電力電子學和化學等技術的發(fā)展，又使通信電源技術提高到一個新的水平。從２０世紀９０年代開始，電源系統(tǒng)和設備進入到一個更新?lián)Q代的時期。
在通信局站供電系統(tǒng)方面，我國已完成了以直流－４８Ｖ為基礎電壓的供電系統(tǒng)的統(tǒng)一工作，原有－６０Ｖ的供電系統(tǒng)已被淘汰，長途干線光纜局和移動通信局－２４Ｖ和＋２４Ｖ系統(tǒng)已被改造或統(tǒng)一成－４８Ｖ供電。集中監(jiān)控、無人值守、同室安裝和分散供電制度得到發(fā)展。在長途光纜無人值守局站中，試用太陽能電池效果很好，供電可靠，電壓穩(wěn)定，是理想的節(jié)能、無污染的新能源，已被推廣使用。
新一代的通信電源設備，如高頻開關整流器、閥控式密封鉛酸蓄電池、太陽電池、通信電源和空調(diào)監(jiān)控設備、自動化或無人值守柴油發(fā)電機組、自動化燃氣輪發(fā)電機組等設備相繼投入使用，使通信電源設備面貌煥然一新，技術水平上了一個新的臺階。與舊設備相比，這些設備采用新器件、新工藝，增大了供電容量，降低了能源損耗，提高了可靠性指標，自動化程度高，具有遙控功能，便于實現(xiàn)少人或無人值守維護。
高頻開關整流器由于性能優(yōu)越，很快代替了傳統(tǒng)晶閘管整流器。國產(chǎn)高頻開關整流器利用ＭＯＳＦＥＴ或ＩＧＢＴ管或ＭＯＳＦＥＴ／ＩＧＢＴ管并聯(lián)作為 高頻電子器件、軟開關ＰＷＭ控制技術，具有功率 因素校正電路和模塊化結(jié)構，不斷提高效率，改善交流諧波損耗，提高設備可靠性，便于維護和擴建。
在模塊和整機的監(jiān)控性能方面得到了不斷改進，如對蓄電池組管理，其性能有很大改善，具有蓄電池組電壓的溫度補償性能、自動定期均充電和帶負載放電性能，給用戶維護工作帶來很大方便。根據(jù)蓄電池組帶負載放電數(shù)據(jù)，維護人員可人工核算蓄電池組的實際容量，以評估電池組的品質(zhì)。
閥控式密封鉛酸（ＶＲＬＡ）蓄電池與防酸隔爆式電池相比，具有優(yōu)良的性能，在通信局站中得到廣泛應用。
通信局站的備用發(fā)電設備以柴油發(fā)電機為主，但柴油發(fā)電機組的質(zhì)量大、體積大、振動和噪聲也大，所以有些大型通信局采用了固定式燃氣輪發(fā)電機組和移動式車載燃氣輪發(fā)電機組。燃氣輪發(fā)電機組由燃氣輪機和發(fā)電機組成，其主要優(yōu)點是：發(fā)電品質(zhì)高，尤其適用于計算機 的供電；啟動和運行可靠性高，失效率約為４×１０－５／ｈ（柴油發(fā)電機組為１４×１０－５／ｈ），體積和質(zhì)量小，１６００ＫＷ僅為６００ｋｇ（柴油機則在６０００ｋｇ以上）；可用柴油機燃料，工作時不需要冷卻水系統(tǒng)；維修成本低，操作簡便，維修方便；振動小、噪聲低、排放有害氣體少，有利于環(huán)境保護。但燃氣輪發(fā)電機也有缺點：材料成本高，設備價格貴；消耗燃油量大，一般在０．３６－０．４２ｋｇ／ｋｗ．ｈ而柴油機只需０．２３－０．２６ｋｇ／ｋｗ．ｈ。
二、通信電源市場的發(fā)展
計算機、服務器和路由器等大都采用２２０Ｖ交流不間斷供電，需安裝ＵＰＳ或逆變器供電，因此在一個電信局站內(nèi)需要安裝兩套電源設備。但不論什么信息技術設備，其最終電路板芯片都是低壓直流供電，如１２Ｖ、５Ｖ、３Ｖ、１．１Ｖ等，只有用戶的話機由電話局的－４８Ｖ供給，而且－４８Ｖ供給用戶話機的電流比例將越來越小。移動通信局等－４８Ｖ電源只起到過渡電壓作用。相反，將來使用交流電壓供電的通信設備將越來越多，因此需要交流功率也越來越大。目前的供電系統(tǒng)如圖１所示。
對交流來說，不論是采用ＤＣ／ＡＣ或ＵＰＳ設備，都要經(jīng)過市電整流和逆變換器二級換流。而國際上，以瑞典為代表者認為：－４８Ｖ供電是最可靠、安全和經(jīng)濟的方案；主張互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)設備的用戶以購買和安裝直流電設備作為首選方案；采用以ＤＣ／ＤＣ變換這種更有效和簡單的方案，而不采用逆變器方案。以法國為代表者認為：對電信和數(shù)據(jù)通信融合的新供電應統(tǒng)一到市電２２０Ｖ整流后的高壓直流供電，采用如圖２所示的系統(tǒng)，稱為ＴＥＮＯＲ供電。
它是一種新的供電概念，在一個電信樓內(nèi)電信和計算機采用統(tǒng)一的電源。由圖２可知，從市電直接整流（稱為ｒＡＣ）獲取高壓直流，當市電為２３０Ｖ（＋１０％～２０％）時，直流最高電壓為３５８Ｖ，最低電壓為２６０Ｖ，可據(jù)此設計直流變換器輸入電壓和蓄電池的串聯(lián)只數(shù)。蓄電池組的充電另設小型充電器離線充電。供電系統(tǒng)中另有功率因素校正裝置，以降低諧波電流。
三、通信電源標準化
通信的快速發(fā)展對電源產(chǎn)品提出更多、更高的要求，促進了電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；而電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也促進了電源標準的制定工作。目前，我國通信電源產(chǎn)品標準研究所完成了相關標準的制修訂工作，其相關標準體系如圖３示。這些標準在指導電源產(chǎn)品的生產(chǎn)及規(guī)范市場等方面起到了重要的作用。
四、通信電源設備的保護
通信局站的電力系統(tǒng)在運行過程中，由于雷擊、操作、事故或運行參數(shù)配合不當?shù)仍蚨构╇娤到y(tǒng)中某部分電壓升高，將超過電氣設備的額定電壓稱為過電壓，嚴重時會損壞通信電源設備。這就存在一個防護問題。對此提出系統(tǒng)防雷分區(qū)、防雷等級和接地要求。防雷分區(qū)為四區(qū)：雷電保護區(qū)ＬＰＺＯＡ（ＯＡ區(qū)）：該區(qū)內(nèi)的各物體都可能遭受直接雷擊，同時在該區(qū)內(nèi)雷電產(chǎn)生的電磁場能自由傳播，沒有衰減。雷電保護區(qū)ＬＰＺＯＢ（ＯＢ區(qū)）：該區(qū)內(nèi)的各物體在接閃器保護范圍內(nèi)，不會遭受直接雷擊，但該區(qū)內(nèi)雷電電磁場的量級因沒有屏蔽裝置而與ＬＰＺＯＡ區(qū)一樣。雷電保護區(qū)ＬＰＺ１（１區(qū)）；該區(qū)內(nèi)的各物體因在建筑內(nèi)，不會遭受直接雷擊，流經(jīng)各導體的電流比ＬＰＺＯＢ區(qū)更小，本區(qū)內(nèi)的雷電電磁場可能衰減。雷電保護區(qū)ＬＰＺ２（２區(qū)）；當需進一步減小雷電流和電磁場時，應引入后續(xù)防雷區(qū)，并按照需要保護的系統(tǒng)所要求的環(huán)境選擇后續(xù)防雷區(qū)的要求條件。
根據(jù)上述防雷分區(qū)確定防雷的等級。０區(qū)與１區(qū)的交界處為Ｂ級防護，１區(qū)與２區(qū)的交界處為Ｃ級保護，２區(qū)內(nèi)重要設備前端為Ｄ級保護。而對不同供電接地系統(tǒng)中的防雷方案是不同的：對ＴＮ—Ｃ—Ｓ系統(tǒng)：對其Ｎ線（中線）和ＰＥ線（地線）在變壓器的低壓側(cè)合為一條ＰＥＮ線，Ｂ級防雷只需在相線與ＰＥＮ之間加裝防雷器。進入建筑物內(nèi)的配電屏后，ＰＥＮ分成Ｎ線和ＰＥ兩條線進行獨立布線。ＰＥＮ線接于建筑物總等電位接地母排并入地。因此，配電屏的Ｎ線對ＰＥ線需裝防雷器。對ＴＮ—Ｓ系統(tǒng)：ＰＥ線與Ｎ線在變壓器的低壓側(cè)出線端相連并入地，由于在后面的供電電路中，ＰＥ線與Ｎ線分開布線，因此需分別在相線與ＰＥ線、Ｎ線與ＰＥ線之間裝防雷器。對ＴＴ系統(tǒng)：Ｎ線只在變壓器的中性點接地，與設備的保護地是嚴格分開的，因此需在相線與Ｎ線、Ｎ線與地線之間進行保護。此外還要采用聯(lián)合接地方式，并使接地電阻嚴格達到：萬門以上程控局及樞紐樓的接地電阻值＜１Ω；２０００門以上、萬門以下程控局的接地電阻值＜３Ω；２０００門以下程控局、移動基站的接地電阻＜５Ω；動力機房電力電纜接口處的接地電阻＜１０Ω。
通信電源的防雷可采用如下解決方案。一是采用“３＋１”電路：９成以上的移動基站的低壓供電系統(tǒng)的接地方式都是ＴＴ或局部ＴＴ形式，因此，移動基站電源系統(tǒng)應采用“３＋１”電路。即選用３個３８５Ｖ／２０ＫＡ的ＺｎＯ壓敏電阻模塊分別接在Ａ／Ｎ、Ｂ／Ｎ和Ｃ／Ｎ間，用一個５００Ｖ／４０ＫＡ放電間隙模塊接在Ｎ／ＰＥ間，如圖４所示。
采用這種電路后，即使電力系統(tǒng)發(fā)生相線搭地的事故，一般也不會使之損壞；或者出現(xiàn)短路失效時，由于回路阻抗小，過流保護裝置動作，可以避免火災。由于４０ＫＡ氣體放電管置于Ｎ／ＰＥ間，因此不存在動作分散性、滅弧、響應速度和因兩相瀉放電流同時漏入Ｎ／ＰＥ而使放電元件損壞等問題，而且還會實現(xiàn)全模式保護，適應各種接地方式，是目前最好的電源防雷解決方案。二是等電位設計：電源系統(tǒng)內(nèi)各模塊的保護地采取等電位連接，既可以保證良好的瀉放通道，也可避免導體間由于不同電位差異而產(chǎn)生的潛在危險。三是多級防雷保護：按ＹＤ／Ｔ５０９８－２００１《通信局（站）雷電過電壓保護工程設計規(guī)范》的要求，根據(jù)基站所處環(huán)境，就從電纜引入開始安裝多級防雷器。四是聯(lián)合接地：接ＹＤ／Ｔ１０５１－２０００《通信局（站）電源系統(tǒng)總技術要求》第８條要求，對通信局（站）內(nèi)的各類設備進行聯(lián)合接地。
隨著通信網(wǎng)日趨龐大，通信設備的集成化、數(shù)字化程度不斷提高，但抗過電壓、過電流干擾的能力卻很低，同時隨著無人值守機房的增多和接入網(wǎng)的使用，過電壓、過電流防護在保證通信系統(tǒng)的正常運行中的作用日趨明顯。
