關于高壓直流供電系統的研究報告

蔣 威

（湖北移動設計中心，湖北 武漢430014）

1 概 述

隨著通信產業的高速發展，互聯網等數據設備集成度大幅度提高，使得數據機房特別是IDC機房對供電系統的容量需求和可靠性要求也越來越高。由于現有數據設備大部分采用交流220 V供電方式，使得傳統數據機房多采用以交流不停電供電系統UPS為主體的交流供電模式。但UPS供電系統存在結構復雜、安全性能差、投資大、使用效率低、維護操作及擴容困難等諸多問題。針對UPS供電系統的缺點，從根本上消除因使用UPS而帶來的隱患，采用高壓直流供電系統 HVDC（High Voltage Direct Current）代替交流UPS供電系統是很好的解決途徑之一。為此，通信行業還確定了行業技術報告——《通信用240 V直流供電系統技術要求》。

2 HVDC與UPS兩種供電系統的比較

（1）技術成熟度

目前大多數通信大樓的高壓配電機房內均配置有電力操作直流電源系統（市電中壓柜10 kV配電保護和斷路器合閘操作在使用的直流電源系統），其標稱電壓為直流220 V，即一種HVDC供電系統。這種高頻開關電源系統與現有－48V通信電源系統結構基本相同，并在國家電力行業已廣泛使用十多年，是現有的一種產品技術成熟度很高且完全國產化的高壓直流供電系統。目前一些通信電源生產廠家同時也生產電力操作直流電源，通信用240 V直流電源產品在上述系統基礎上略加改動即可達到通信行業使用標準的要求，且國內已有廠家提供并成功運行通信用240 V直流電源產品。

對于中大型UPS，由于后備電池電壓往往達到400 V或更高，這使得UPS主機對蓄電池管理的難度很高，導致UPS特別是大容量的UPS幾乎都是國外原裝進口品牌，國內廠家僅能提供中、小容量產品，其技術成熟度較低。

（2）系統結構復雜性

HVDC供電系統也是種模塊化設計的直流供電系統，并直接使用蓄電池作為后備電源。如圖1所示，在HVDC供電系統中，交流電源只經過一次整流變換，就到達了負載側的直流變換器。而UPS交流供電系統中，交流電源則要經過整流、逆變、靜態開關、整流等四次變換，才能到達負載側的直流變換器。相比之下，HVDC供電方式結構簡單得多。簡單的結構，就意味著高效和可靠。經過了數十年的實際運行，證明模塊化設計的直流供電系統是最安全可靠、最簡單的電源系統。同時直流供電系統的模塊化設計使得該系統還具有擴容及維護方便的特點。

另外UPS廠家之間甚至同廠家的不同型號之間主機并機冗余性差，后備電池的電壓要求也不同。這些都讓傳統UPS系統擴容難度也相應增加，安全可靠性大大降低。

（3）安全可靠性

由于UPS系統較HVDC系統的結構復雜得多且有很多單點故障（如逆變器、并機板、靜態開關、輸出開關等），任一個單點故障都可能導致供電系統的癱瘓，這些使得UPS系統較HVDC系統的安全系數要低得多。雖然通過UPS系統冗余并機技術也可以提高系統的安全可靠性，但與N＋X模塊化配置和蓄電池直接作為后備電源的HVDC系統相比還是要低一些。

圖1 兩種供電系統結構框圖

（4）擴容及維護性

因為UPS擴容涉及到電源的頻率、電壓、相序、相位、波形等問題，每一次UPS在線擴容或改造都是一次巨大的風險操作，甚至還有可能因為UPS制造商的產品更新換代而造成無法擴容的情況，所以按照現在的運行狀態和維護模式，常常會發生巨大災難的“掉電”事件。相比之下，如HVDC等直流供電系統擴容時由于只關注電壓一個參數，其擴容及維護都簡單得多。

（5）效率及節能

隨著“節能減排”成為全國各行業長期的工作重點，通信行業近年來也開展了大量的節能降耗試驗和推廣工作，其中進一步提高通信電源的供電效率也是節能降耗不可忽略的一個部分。

由于傳統UPS系統能源經過多次轉換造成系統效率較低，同時會產生大量諧波，對UPS系統和電網都存在污染和危害。而HVDC系統省掉了UPS的逆變部分，系統產生諧波含量較小，各部分的效率和整體效率都相比傳統UPS系統有較大提高。

圖2為高壓直流系統和傳統UPS系統中各部分理論效率情況圖。

圖2 兩種供電系統的效率對比

由圖2可知HVDC主機比UPS主機效率提高了6～7% （滿載情況下比較，低負載率時更高），UPS系統的各級濾波器及隔離變壓器損耗也較HVDC系統高出3%～5%，所以HVDC系統與UPS單機系統結構相比整體效率提高10%～12%。若UPS系統采用冗余并機結構時，HVDC系統整體效率提高值可達到18%～20%以上。故采用HVDC系統代替UPS系統在“節能減排”方面也具有重要的意義。

（6）工程投資

HVDC系統采用成熟的模塊化配置方式，可以隨著設備容量的增加，通過擴容模塊來實現邊投資邊成長，其投資方式靈活。而UPS雖然能夠實現并機擴容（亦有模塊化配置方式的UPS，但在現網中很少使用），但往往需要帶電操作，實施難度較大。目前UPS系統建設一般采取一次性建成滿足遠期需要的方式，這就造成工程建設的一次性投資大的問題，而且當年投資效益也很低。兩者投資對比見表1。

表1 新建90 kVA UPS系統與新建同等功率高壓直流系統投資對比表 （單位：萬元）

通過表1的對比，說明同功率的兩種供電系統，HVDC系統建設成本比UPS系統低很多，一般情況下可節約成本40%以上，而且系統容量越大成本節約效果越好。如通過改造方式利用原有UPS后備蓄電池組工程建設成本還可大幅度降低。

另外，UPS系統采用兩臺主機構成雙路供電來解決這些單點故障時，其對機房占用面積和投資的需求也大幅度增加，同時也增加了擴容的難度。

3 HVDC系統在通信行業應用的可行性

眾所周知，現在通信行業絕大多數IT設備采用交流供電，然后經過設備自身的整流變換為12V、5V和3.3V等直流電壓為本身的電路供電，也就是不管輸入的是交流還是直流，最后都要轉換為自身電路板使用的低壓直流供電。按照服務器電源工作原理簡圖（圖3），一般服務器的電源輸入電壓要求為198V～242V（即220V±10%）時，理論上，U0＝ 0.9，故Uo值的范圍是252V～308V。當采用直流電壓直接輸入AB時，由于電壓不變相，整流管2、4長期導通。這樣電壓從AB端直接傳到CD端。若不考慮整流管的自身損耗，則Ui≈Uo。實際考慮電池的浮充電壓13.5V（單只為12V時），標稱240V的高壓直流系統可保證電源能長期工作的要求。同時標稱240V的高壓直流系統最高電壓約為20只×14.1V＝282V，遠小于現在IT設備所能夠承受的耐壓值。另外采用高壓直流供電時，通過整流二極管的電流為平滑電流，當整流二極管通過的平均電流一定時，電流脈動成分越大其發熱量也大，所以采用高壓直流供電的整流器件不會比交流供電時發熱量更大，其整流部分的故障率也就不會提高。

圖3 兩種電源的工作簡圖

在應用實例方面，中國移動通信集團蘇州分公司從2008年11月起對高壓直流設備安裝后，進行了小范圍的拷機實驗，經過實際的試用與不斷改進后，現已將部分業務設備使用高壓直流電源，使用期間設備運行良好。

以上分析和應用實例均說明HVDC系統代替UPS系統在通信行業是可行的。

4 HVDC系統組成及技術指標

通信用240 V直流電源系統一般由交流配電部分、高頻開關整流模塊、直流配電部分和監控單元組成。

（1）通信用240 V直流電源系統主要技術指標

a.系統效率應滿足表2的要求

表2 系統效率要求

b.系統標稱電壓

系統標稱電壓為240V。設備運行時，浮充、均充電壓由蓄電池技術參數確定，可在一定范圍內調整。

系統輸出電壓可調范圍216V～312V。系統在其輸出可調范圍內，能輸出額定電流。

系統的直流輸出電壓值在其可調范圍內能手動或自動連續可調。系統在穩壓工作的基礎上，能與蓄電池并聯以浮充工作方式或均充工作方式向通信設備供電。

（2）蓄電池配置

a.單組電池個數（如表3）

表3 單組電池個數

b.蓄電池選擇：宜選用鉛酸蓄電池。

c.蓄電池單體電壓和組數確定：根據系統容量大小，蓄電池單體電壓可選2V，6V，12V，每個系統蓄電池組數至少2組，最多不宜超過4組。

（3）整流模塊配置

a.整流模塊選擇：單體模塊功率應根據系統設計容量大小合理選擇，模塊數量不宜多于20個。

b.整流模塊數量配置按負載電流加上0.1C10的充電電流計算，采用N十1冗余配置，其中N個主用，N≤10個時，1個備用；N＞10個時，每10個備用一個。

c.高頻開關電源系統宜具備模塊體眠功能。

（4）系統采用懸浮方式供電

a.系統交流輸入應與直流輸出電氣隔離；

b.系統輸出應與地、機架、外殼電氣隔離；

c.使用時，正、負極均不得接地；

d.系統應有明顯標識標明該系統輸出不能接地。

（5）絕緣監察保護

系統配置絕緣監察裝置，檢測正、負母線對地絕緣，并具備與監控單元通信功能。

當直流系統發生接地故障或絕緣水平下降到設定值時，滿足以下要求：

a.絕緣監察裝置應能顯示接地極性；

b.絕緣監察裝置應能發出告警。

（6）系統可靠性（MTBF）

系統可靠性MTBF≥5×104。

可通過整流模塊并聯冗余方式來提高系統可靠性，即（n十k）方式。n為能滿足通信局站供電的整流模塊數，k為增加的整流模塊冗余數且不小于1。

5 HVDC系統的注意事項

（1）系統接地型式

傳統的－48V直流供電系統采用正極接地方式，該系統的低電壓和人體電阻因素，維護人員觸及蓄電池的負極時形成的電流很小，一般并不會發生觸電事故。但如果通信用240V直流供電系統也采用一極接地方式，人觸及到未接地的一極時，由于該系統的工作電壓（浮充狀態下）高達270V，電流通過大地形成回路，將發生電擊事故。如果系統不接地，兩根導線對地懸浮，人體觸摸其中一個導線或者電池某個端子時，雖然可能會存在一定的容性電流，但該電流很小，而且電流不能通過大地形成回路，可以避免在人體產生持續電流進而觸電。因此，通信用240V直流供電系統需采用對地懸浮即不接地系統，同時要求整流模塊的輸入與輸出應進行隔離。

（2）系統絕緣問題

通信用240V直流供電系統是對地懸浮系統，當某一極供電線路出現絕緣降低或接地故障后，由于接地電流較小，斷路器不會斷開，系統仍能繼續運行。雖然發生一極接地并不引起嚴重危害，但由于系統不能及時發現該故障，如果此種情況長期運行，就有可能造成大的事故。因為此時若再發生另一極接地，就將造成直流短路。更嚴重的是，如果在一極發生絕緣度降低或接地后，有人在維護的時候觸摸了另一極或者電池端子，那將造成電擊事故，有可能造成人身傷亡。因此，通信用高壓直流供電系統要求配置絕緣監察裝置，監視系統正負母線對地絕緣狀況。絕緣監察裝置還需具備與監控單元通信功能。當直流系統發生接地故障或絕緣水平下降到設定值時，絕緣監察裝置需顯示接地極性并能發出告警，便于運行維護人員對供電回路的絕緣故障進行判斷、查找和處理。

（3）斷路器的使用

直流斷路器的觸頭接通和長期承載電流的性能與一般交流斷路器相似，但交、直流斷路器分斷電流的性能差異較大。交流斷路器分斷時產生的交流電弧每秒鐘有2f（f為電網頻率）次經過零點。通過近極效應，使電弧熄滅。交流斷路器只要解決電弧重燃問題。而直流斷路器分斷時產生的直流電弧恒定不變，電流愈大，時間常數愈大，電弧就愈難熄滅。

交流斷路器如作為直流電路的保護元件，由于交流電流的電弧容易熄滅，故其斷路器的動靜觸頭之間的開距小，不能達到拉弧作用，滅弧室的工作原理也不盡相同，用于交流時的短路整定電流是不能適應直流的技術要求，因直流瞬動電流是交流瞬動電流的1.4～2倍。根據試驗資料得知，如額定電流Ie＝32A，交流瞬動電流值10Ie＝320A?？蓴嚅_交流電路，同樣電流用在直流回路則不能動作。

由于電壓比較低，滅弧相對容易，所以傳統－48V系統中使用的交流型開關沒有太大問題。但是對于通信用240V直流供電系統，其電壓比較高滅弧會困難很多，此時決不能使用普通的交流型斷路器。所以對于通信用240V直流供電系統，配電設計及使用末端斷路器時要選用專門針對直流設計的直流型斷路器。

另外，對于通信用高壓直流供電系統，由于輸出正負極均未接地，因此兩極都應安裝開關。而且由于直流電壓較高，一些單極的斷路器往往達不到這個電壓等級的要求，必須采用串聯多極來分擔分斷電弧電壓。圖4為兩個常見微型直流斷路器品牌的部分產品性能指標。

圖4 兩個常見微型直流斷路器的部分性能指標

（4）通信設備電源接線標準

目前IT服務器類設備的電源普遍采用全波整流方式，因此，從理論上說，直流系統的正負極和設備的輸入L，N極無需嚴格的采用某種對應關系。但是，從管理的規范、運行的安全及維護的方便考慮，應盡量采用統一的對應關系。對于一些比較老的服務器設備，其電源有可能采用半波整流方式，如果這樣，上述接線方法可能使服務器電源無法正常工作。故在《通信用240 V直流供電系統技術要求》中要求通信設備電源接線標準采用直流輸出“正”極對應于設備輸入電源線的“N"端，直流輸出“負”極對應于設備輸入電源線的“L"端，設備輸入電源線的“地”端與系統保護地可靠連接，以保證服務器電源的正常工作（見圖5）。而且為確保設備在采用直流供電后能正常工作，在設備上架前，應先對設備進行檢測，待檢測設備能正常工作后再上架運行。

圖5 設備機架內插座接線示意圖

6 結 論

由于通信用240 V高壓直流系統制造技術及供電體制還處在摸索階段，為了安全起見在采用HVDC系統替代原有UPS系統時，在進行開通前需先做全面測試，只有通過測試的設備才能夠放心使用。

在系統設計方面，考慮到模塊制造技術和維護難度等問題，通信用240 V高壓直流系統容量也不宜做得太大，一般不超過600 A（相當于－48 V系統容量3 000A）。

在系統改造方面，建議可先對運行6年以上且運行不穩定或現有UPS系統需要進行擴容才能滿足負載的需求時，考慮采用HVDC系統替代原有UPS系統改造方式，這樣對于改造資金的合理應用并提高設備運行的安全可靠性有較好的幫助。

這幾年高壓直流供電的研究是業界的熱點，大家對高壓直流供電的可行性、優越性進行了非常充分的探討。對于如何建設及維護這套供電系統，使這套供電體制快速成熟的應用起來，從而切實提高IT服務器類設備的供電可靠性，還需要眾多的電源工作者付出更多的努力。

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