通信用240 V直流供電安全性分析

王冬紅

（中國電信江蘇泰州分公司）

1 研究背景

IDC業務是中國電信近年來快速發展的重要業務，但由于前期建設及維護經驗不足，目前已暴露出很多嚴重威脅到安全運行的問題，尤其是供電安全直接關系到業務全局。為此，中國電信集團公司、江蘇省電信公司多次開展全網IDC機房和IT系統的供電和環境安全專項檢查。UPS供電系統穩定性、可靠性上存在不足增加了維護人員的工作壓力，引起各級維護人員的高度重視，迫切需要運行穩定可靠的供電系統代替UPS供電。

2 UPS不間斷電源系統存在問題分析

UPS供電系統采用1＋1并聯輸出供電，UPS輸出由逆變器、市電旁路和維修旁路組成。一般稱UPS供電為不間斷電源，主要是市電停電后后備蓄電池組經逆變器逆變輸出給負載供電。正常情況下，主用或備用UPS發生故障自動退出系統并報警，后備電池電壓低或系統有故障自動轉市電旁路。但在實際運行中會發生UPS設備本身發生故障后，主用或備用故障不能自動退出，而是輸出電壓閃斷后轉旁路供電，從而造成設備斷電。主要原因機組在故障瞬間無法與市電同步，故障機組轉旁路而非故障機組在逆變狀態下工作發生電壓頻率初相不同步引起閃斷。

UPS交流供電系統存在相位差、頻率、初相的要求，多數割接施工時需停電作業。

能效低：UPS供電系統采用1＋1并聯輸出供電，總輸出不能大于單臺的額定容量，則每臺整流系統和逆變系統輸出工作在50%以下，能效比在較低范圍內。UPS主電路中各部分能耗如圖1所示。

圖1 UPS主電路中各部分能耗

3 通信用240V直流供電系統技術創新

通信用240 V直流供電系統由交流配電屏（單系統可省略）、整流架、直流配電屏、蓄電池組組成（見圖2）。市電220 V交流電源輸入到各臺高頻開關電源模塊后，整流成高壓直流并聯輸出至直流配電屏母排上，蓄電池組經熔斷器并聯連接在直流配電屏母排上，直流配電控制后再分別輸出供IT設備電源模塊（簡稱電源板）上。通信用240V直流供電系統除了供電電壓值不同外和傳統－48 V直流供電系統結構相同，系統整流變換比－48 V直流整流變換電路簡單。

圖2 高壓直流供電系統原理框圖

IT設備內部工作電源模塊（簡稱電源板）采用高頻開關型穩壓電源，輸入交流220 V電壓（AC85 V～265V），高頻開關整流電路首先將輸入交流經全橋整流電路或半橋整流電路轉變成直流電壓（DC120 V～373V），再通過直流／直流變換、功率因素校正等，最后整流變換成12 V、5 V或3.3 V等低壓直流給IT設備使用。而全橋整流電路或半橋整流電路（半橋需注意極性）對直流電可以直接輸入，只要直流電壓能夠達到工作電壓范圍就可以使用，省略交流整流成直流電路（見圖3）。

圖3 IT設備的基本原理框圖

通信用240 V直流電源代替交流電源供電時，由于IT設備內部電源整流模塊沒有工頻變壓器而直接通過高頻開關整流濾波電路，這就使得IT設備內部電源模塊的工作原理與交流電源供電原理相同。高頻開關電源的特點是寬電壓輸入，現在IT設備電源交流輸入一般是AC85 V～264 V（有效值），經過整流之后為DC120 V～373 V，也就是說，只要在輸入端加DC120 V～373 V之間的一個直流電壓，設備都可以正常合理設置通信用240 V直流電源系統的浮、均充電壓值，保證電源模塊的安全工作（見圖4）。

圖4 服務器電源模塊直流電源代替交流供電

4 通信用240V直流供電系統與UPS不間斷電源安全性比較

4.1 供電可靠性

1）UPS不間斷電源系統組成：AC380 V／220 V→整流電路（半波或全波整流）→DC470V／280 V母排上并聯470 V／280 V蓄電池組→逆變電路→AC380 V／220 V→靜態開關電路→負載斷路器。

2）通信用240 V高頻開關電源：AC380 V／220 V→整流電路（半波或全波整流）→DC470 V／240 V母排上并聯DC470V／240 V蓄電池組→DC470V／240V→負載斷路器。

結論：

通信用240 V高頻開關電源比UPS電源省略逆變電路和靜態開關電路，減少故障點，所以通信用240 V高頻開關電源系統更簡單，供電更可靠。

4.2 耐壓性能

1）交流標稱220 V電壓有效值：額定值為220 V，范圍－15%到＋10%，即187 V到242 V（有效值）。

2）交流標稱220 V電壓最大值：最大值為1.414×220 V＝310 V，范圍－15%到＋10%，即263.5 V～341 V（最大值）。

3）通信用240 V直流標稱電壓：浮充電壓120×2.25＝270 V，充電電壓120×2.35＝282V，終止電壓120×1.90＝228 V。

4）耐壓比較

交流220 V標稱電壓供電，系統耐壓要求是187 V到341 V。

通信用240 V直流電壓供電，系統耐壓要求是228 V到282V。

結論：

交流220 V電壓供電系統耐壓要求高于直流240V電壓供電。即通信用240V直流供電系統耐壓要求完全滿足交流供電系統，通信用240V直流供電系統完全可以在原交流供電高阻負載上使用（原交流供電低阻感性負載不能替代）。

4.3 供電系統比較

1）通信用240 V直流整流模塊采用N＋1配置，單個模塊故障自動退出系統并報警，和48 V直流具有相同安全特性。

2）通信用240 V直流整流模塊輸出到直流母排上，母排上并聯DC470 V／240 V蓄電池組。當市電停電時，由蓄電池直接向負載供電，無瞬間中斷，供電可靠性最高。

3）通信用240 V直流供電系統沒有交流供電系統中相位差、頻率、初相的要求，割接施工時只需將二套系統中電壓差調整到1 V以下就行，施工簡單。

4）通信用240V直流供電系統中正負極均不接地，人體碰到單極時不會發生觸電事故。人體誤碰正負極時，觸電后果遠小于交流。

5）通信用240V直流供電系統分合閘操作時沒有交流供電系統中過零點產生操作過電壓，使負載受過電壓易損壞。

4.4 負載電源板（機架電源）輸出能力比較

1）交流供電時電源板（機架電源模抉）輸出功率為額定功率。

2）采用高壓直流時全波整流電路只有一半功率管工作，輸出功率為額定功率的50%（此時功率管在滿載狀態下運行，關注溫升）。

4.5 負載電源板（機架電源）發生故障后比較

1）交流供電時電源板（機架電源模抉）發生故障中，一半功率管斷路時為半波工作，全波功率管斷路時機架負載斷電停止工作；功率管為短路時，濾波電容器將交流供電電壓短路（濾波電容器隔直通交），輸入熔斷器或斷路器跳閘保護，機架負載斷電停止工作。

2）高壓直流供電時電源板（機架電源模抉）發生故障中，功率管斷路時機架負載斷電停止工作；功率管為短路時，濾波電容器對直流供電電壓處于開路狀態，高壓直流串到機架負載上，機架負載在高壓直流電壓下絕緣被擊穿，服務器等機架負載被燒毀。

5 通信用240V直流供電系統使用中注意事項

5.1 負載要求

1）低阻感性負載（電動機、風扇存在繞組等）一定要接交流電壓（AC380 V／220 V）。

2）電源板（機架電源模抉）帶降壓變壓器（屬感性負載范圍）一定要接交流（AC380 V／220 V）。

3）電源板（機架電源模抉）直接采用高頻整流變流，可釆用高壓直流，采用高壓直流時對高頻半波整流電路需考慮極性，全波只有一半功率管工作。電源板輸出功率控制在額定輸出功率25%以下。電信使用IT設備是從安全考慮，電源板輸出功率冗余高，使用高壓直流供電時，功率管在低負載下工作。托管服務器電源板輸出功率冗余小，如果使用高壓直流供電時，功率管在滿負載下工作，功率管溫升高，建議采用UPS不間斷電源供電。

4）感性負載判定方法：將設備電源插頭用萬用表電阻檔高阻測量時，二次電源采用感性負載測量時電阻值低，二次電源采用高頻開關電源高阻檔測量時電阻值顯示高阻特性（2 M電阻檔顯示無窮大）。

5.2 配電要求

1）直流供電系統采用熔斷器控制，熔斷器安裝固定背板必須采用絕緣材料，防止熔斷器上帶電部分上灰塵與金屬機架發生短路。

2）直流供電系統采用空氣斷路器，斷路器安裝固定背板必須采用絕緣材料，小型斷路器安裝固定采用金屬卡條。

3）直流供電系統正負極不接地，總直流配電屏上各主路輸出負載必須進行漏電測量。

4）－48 V蓄電池組端電壓為每節監控測量，通信用240 V直流使用2 V蓄電池組時，監控測量端電壓采用每5節做一點測量。

5）增加蓄電池組在非市電停電放電后充電、非定期均充等異常充電電流告警，防止單體電池落后、充電電流增大、蓄電池組溫度過高。

6）做好電纜、機架上高壓直流標記，機架上多余插座上插孔進行封貼。

5.3 維護要求

負載電源板（機架電源模抉）散熱風扇運行正常，過濾網保證清潔，使用環境溫度符合要求。

6 總 結

通信用240 V直流供電系統中蓄電池組并聯在輸出母排上，輸出由熔斷器或空氣斷路器控制，系統電壓無閃斷或突變發生，提高了供電系統的穩定性；240 V直流輸出電源由多臺高頻開關電源整流模塊并聯均流輸出，提高了供電系統的可靠性；高頻開關電源整流模塊生產使用已經有幾十年歷史，技術成熟；高頻開關電源維護簡單，維護人員有多年維護經驗。通信用240 V高頻開關電源生產、設計、維護、使用相關規范的出臺，使得通信用240 V直流供電系統更加安全可靠。通信用240 V直流供電重點控制電源板（機架電源模抉）輸出功率在25%額定容量以下，防止功率開關管超負載、溫升過高以及短路故障的發生。

［1］ 《中國電信電源、空調維護規程（試行）》.

［2］ 《中國電信集團IDC維護規范（暫行）》.

［3］ 中國電信股份有限公司江蘇省分公司（2010－2）《通信用240 V直流供電系統維護規范》.