降低通信设备在蓄电池组放电过程中断风险研究

刘元泼

摘 要：“十三五”计划对智能电网提出了新的要求。随着智能电网的发展，电力通信的发展进入了全新阶段。通信电源是通信系统的“心脏”，必须保障通信电源安全有序运行，才能保证通信设备正常运行，进而保障电网的安全稳定。目前，电力通信设备使用的基本是-48V的直流电源系统，蓄电池作为通信直流系统的第二道屏障，其放电过程对通信设备的影响必须得予重视。

关键词：智能电网;通信设备;通信直流电源系统;蓄电池

中图分类号：TN929.5;TM912 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）23-0127-03

Research on Reducing the Risk of Interruption of

Communication Equipment in Battery Discharge Process

LIU Yuanpo

（Guangdong Power Grid Co.， Ltd.， Maoming Power Supply Bureau，Maoming Guangdong 525000）

Abstract： The 13th five-year plan makes new requirements for smart grid. With the development of smart grid， the development of power communication has entered a new stage. Communication power supply is the "heart" of communication system. It is necessary to ensure the safe and orderly operation of communication power supply， so as to ensure the normal operation of communication equipment and the safety and stability of the power grid. At present， the basic power communication equipment is a -48v dc power supply system. As the second barrier of the communication dc system， the battery's discharge process must be taken seriously.

Keywords： smart grid;communication equipment;communication dc power supply system;battery

1 電力通信设备直流电源系统

电力通信设备直流电源系统主要由高频开关电源、蓄电池组、直流配电和电源监控等设备组成，为通信设备提供-48V直流电源。在正常情况下，高频开关电源整流模块将输入的市电（交流电源）转化为直流后供电给通信设备，同时给蓄电池充电。当市电由于故障停电时，蓄电池组放电供给通信设备。南方电网通信电源技术规范规定：设于变电站、开关站的通信站蓄电池组放电时间不少于8h。

2 电力通信设备中断对电力生产业务的影响

目前，电力通信设备基本由-48V直流电源系统供电，蓄电池放电过程中，若全程压降使得通信设备输入电压低于设备保护电压，将会导致变电站内绝大部分通信设备发生中断，导致通过传输设备传输的继电保护和调度数据网等生产业务中断，严重情况下可导致电力2级事件。

3 电力通信设备在蓄电池放电过程中断的影响因素

当市电由于故障停电时，蓄电池组放电供给通信设备，此时应考虑从直流系统的蓄电池端子到负载设备端子的压降。蓄电池放电回路全程压降主要有蓄电池直流线缆压降、配电系统压降和放电瞬间蓄电池组压降。

3.1 直流线缆压降

电力通信设备的输入电压是-48V，在蓄电池供电期间，必须考虑直流系统全程的电源线缆压降。因此，必须根据电缆上压降公式计算线径选择合适的电源线缆，压降公式为：

[ΔU=IR=Iρ2L/S=2IL/γS]                （1）

式中：[S]为线缆的截面面积，mm2;[I]为线缆的最大电流，A;[L]为线缆的单程长度;[ρ]为线缆的电阻率;[γ]为线缆的电导率，m/Ω·mm2，铜为57，铝为34;[ΔU]为线缆的电压降。

通信设备各分段直流电源线径可以根据式（1）得出：

[S=2IL/γΔU]                                 （2）

根据此段分配的电压压降数值和设备供电线路最大电流及线路的单程长度计算线缆线径，线缆线径取值时要在计算值基础往上一级。

3.2 配电单元二极管压降

单方向导电性是二极管最重要的特性。在二极管电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。在电子电路中，将高电位端接在二极管正极，低电位端接在负极，此时二极管处于导通状态。二极管两端的正向电压很小时，二极管处于非导通状态，只有二极管正向电压达到门槛电压值，锗管约为0.2V，硅管约为0.7V，此时才能处于导通状态。二极管导通之后，两端电压基本上维持稳定，此时产生的压降称为“正向压降”。

通信直流电源系统中，在双路输入共用一套配电屏时（见图1），往往采用二极管（硅管）来隔离两路电源，防止反送电情况。硅管压降约为0.7V，从而导致直流系统输出压降为0.7V，此时应将该压降纳入影响通信设备直流输入的电压压降中。

3.3 蓄电池放电瞬间电压陡降

铅酸蓄电池放电时，电池输出电压会出现瞬间陡降，接着电压回升到一定阶段后，电压又开始缓慢（平稳）下降。众所周知，蓄电池的电动势和电池溶液中酸的浓度具有密切关系。

依据电动势公式，即式（3），可以推导出式（4）：

[E=E0RTnFlnagG×ahHaaA×abB]                      （3）

[E=E0-1.19×10-5×RT×lga4H+]          （4）

从式（4）可得，蓄电池的电动势与蓄电池溶液中H+浓度有着直接联系，一定范围内，电解液H+浓度越高，电动势就越高，反之越低[1]。因此，蓄电池在放电过程中，电解液浓度越来越低，最后接近水的密度。电池开始放电时，接近电解液的正极活性物质表面部分的硫酸第一时间被消耗掉，导致该处硫酸浓度迅速降低，电池电压出现陡降。依据溶液由浓度高向浓度低流动的原理，这时临近的硫酸开始慢慢流向此处，电压在一定范围回升，但由于硫酸补充的速度比不上反应的速度，从而导致硫酸浓度持续减少，蓄电池的电压继续下降。

从2018年对65套铅酸蓄电池记录的放电数据可以发现，在蓄电池放电瞬间，单节蓄电池电压由2.2V下降至2V，单节电池电压下降幅度约为0.2V，如图2所示。电池组电压由52V瞬间下降至47.5V，下降幅度约为4.5V，如图3所示。以-48V直流电源计算，压降为0.5V。

当蓄电池出现电压陡降复升时，特别是在陡降的最低点，如果数值越低，风险就越大。最低点的值低于通信设备的保护电压，就会导致通信设备停运。

4 蓄电池供电时降低通信设备中断风险的措施

4.1 控制直流系统全程压降

根据《南方电网通信电源技术规范》（Q/CSG1203011—2016）[2]的规定，在负载设备正常工作的任何时刻，不应脱离规定的电压范围（43.2～57.6V）。这是由于单节电池放电的终止电压为1.8V，-48V蓄电池组24节总压降为-43.2V。电力通信设备的直流输入电压允许的变动范围为-40～-57V，因此，得出从蓄电池端子到负载设备端子的压降为3.2V，即可得[ΔU1+ΔU2][+ΔU3≤3.2V]。

4.1.1 减少直流放电系统线缆带来的压降（[ΔU1]）。选择直流线缆时，应正确选择线径。利用式（5），根据此段分配的电压压降数值和设备供电线路最大电流及线路的单程长度计算出线缆线径，取值时，线缆线径要在计算值基础往上一级[3]。

[S=2IL/γΔU1]                                      （5）

4.1.2 减少直流配电单元带来的压降（[ΔU2]）。根据《南方电网通信电源技术规范》（Q/CSG 1203011—2016）[2]规定，直流配电部分压降不超过0.5V（环境温度20℃）。对于具备双路直流电源输入功能的通信设备，应由两套通信直流供电系统分别供电，减少二极管在直流配电单元的使用。如果由通信设备柜内的直流分配开关（PDU）供电，需要配置两组独立的直流分配开关，分别与两套通信直流供电系统独立连接，禁止形成并联，且禁止使用二极管隔离。

4.1.3 减少蓄电池组压降（[ΔU3]）。关注蓄电池组放电瞬间的压降，并将其纳入计算直流系统全程压降。对蓄电池组定期进行80%核容检查，关注蓄电池单体电压变化及内阻变化。新安装或大修后的铅酸阀控蓄电池组，应进行全核对性放电试验，以后每隔2～3年进行一次核对性试验;运行了6年以后的阀控蓄电池，应每年进行一次核对性放电试验;备用搁置的阀控蓄电池，每3个月应进行一次补充充电[4]。保证蓄电池组压降在允许范围内，使得[ΔU1+ΔU2+ΔU3≤3.2V]，注意蓄电池放电瞬间电压的陡降现象。

4.2 控制通信设备输入电压范围

通信设备入网测试时，关注通信设备耐压测试，电力通信设备的直流输入电压允许的变动范围为-40～-57V。严格控制电力通信设备的变动范围，防止将电力通信设备耐压范围设置为小于-57V;对于不符合电源范围的通信设备，禁止进行并网。通信设备日常维护中，关注设备输入电压范围是否在允许范围内，对不符合要求的设备进行备案，尽快通过技改项目进行升級改造。

5 结语

新时代对电力系统的安全稳定提出了新的要求，电力通信系统的稳定是电网安全稳定的基石。通信电源系统是通信设备的“心脏”，在日常运维中关注通信电源系统的稳定，保障通信设备正常运行。在通信电源系统建设中，严格把握通信设备耐压范围、直流供电系统全程线缆压降、配线单元压降及蓄电池组压降问题，降低通信设备在蓄电池放电时中断的风险，保障电网的安全与稳定。

参考文献：

[1]桂长清.胶体密封铅蓄电池特性分析[J].蓄电池，2002（3）：103-106.

[2]中国南方电网有限公司.南方电网通信电源技术规范：Q/CSG 1203011—2016[S].北京：中国电力出版社，2016.

[3]王伟光.高频开关电源系统工程实践[J].电工技术，2006（2）：71-72.

[4]张延童，于秋生，王晓勇.变电站通信电源放电试验期间存在的问题与对策[J].电子技术与软件工程，2016（24）：26.