淺談蓄電池在通信電源系統中的作用

李偉堅，卓 越，利韶聰

（1．廣東電網公司電力調度控制中心，廣東 廣州510060；2．中國能源建設集團廣東省電力設計研究院，廣東 廣州510670）

1 概 述

在整個通信系統中，通信電源系統隸屬于供電配套設備的一部分，它和蓄電池結合使用，起著不間斷直流供電的作用［1，2］。通信電源系統基本是由7個部分組成：交流引入和配電單元、整流系統和直流配電單元、蓄電池組、監控系統、UPS或逆變器等不間斷電源、備用發電系統、接地和防雷系統［3］。

通信系統對通信電源系統的基本要求是可靠和穩定。穩定可靠的通信電源供電系統，是保證通信系統安全、可靠運行的關鍵。一旦通信電源系統故障引起對通信設備的供電中斷，就會造成通信中斷甚至使通信系統癱瘓，從而造成極大的損失。

蓄電池是一種可逆的化學電源，既能將化學能轉變成電能供給用電設備，也能在充電時將電能轉變成化學能。蓄電池是電源系統保證不間斷供電的基礎條件，電源系統與配套電池有著唇齒相依的關系，并且，備用就是蓄電池最重要的功能之一。隨著科技水平的不斷進步，蓄電池從過去只有最基本的備用功能，發展到現在具有了諸如：防失控、防沖擊、防短路等功能。本文結合實際工程維護經驗，對蓄電池在通信電源系統的作用進行詳細的分析。

2 蓄電池結構

通信電源系統中的電池一般指的是蓄電池。所有蓄電池均由正極、負極、電解液、隔膜、電池槽（容器）5個主要部分組成。對于閥控式鉛酸蓄電池，還需要有安全閥［4］。

2．1 電解液

電解液的作用是浸潤極板的活性物質，并形成導電粒子，且在電流狀態下參與電極反應。在閥控式鉛酸蓄電池中，電解液是硫酸溶液，以其狀態不同有貧液式和膠體式兩種。

（1）貧液式：電池內不允許有流動的電解液，電解液濃度比傳統的大。

（2）膠體式：該電解液由提純的硅溶膠和一定比例的稀硫酸配制而成，凝膠后為觸變性膠體。

2．2 隔膜

隔膜防止正、負極短路，阻止正極溶解的有害物質流向負極，貯存70%的電解液，提供氧自正極擴散至負極的通道。

2．3 電池槽

電池槽盛裝極板組、電解液及其附件，要求該材料絕緣、阻燃、不滲漏、不變形。

2．4 安全閥

安全閥——單向節流閥又稱排氣閥，用于泄放高壓盈余氣體，避免電池槽炸裂。它有兩個技術指標：開閥壓和閉閥壓。開閥壓過低，會使排氣閥頻繁開啟，影響活性物質利用率，還會加速電源失水；閉閥壓及時關閉閥門，杜絕大氣竄入電池。

3 蓄電池在通信電源系統的作用

隨著蓄電池制備技術的發展和成本的不斷降低，其在通信電源中的應用越來越廣泛，幾乎所有通信設備的后備電源系統都離不開它。但是，在通信電源系統中，蓄電池除了備用功能外，還有許多其他作用，而且這些作用對于電源系統也是必不可少的。

3．1 備用

備用是蓄電池在任何系統中最基本的功能，備用功能涉及的主要參數是電池的容量，一般用安時（Ah）作為衡量蓄電設備容量的單位，代表1A的電流1h所流過的電量，Ah和庫侖的關系為：

1Ah＝3600C

如果負載的平均電流為IL（A），需要支撐的時間為T（h），則可以推導出電池的實際容量為：

電池實際容量≈1．39ILT式中，可靠系數取1．39已經考慮了溫度、老化、余量等因素。在實際工程中根據實際情況可以采用3種方法對電池容量進行測量：

（1）電壓法：直接使用電壓表測量電池的電壓，誤差約20%。

（2）內阻法：測量電池內阻，誤差約在5%～10%。

（3）庫侖法：累加流出的電流量，算出總容量，誤差約在2%以下。

需要說明的是，任何導致電池水分丟失的操作，都會對電池壽命產生不可逆轉的損失，從而影響電池的備用功能。例如，大充大放、頻繁均充等，都會影響到電池的壽命。

在蓄電池維護過程中，均衡充電也是影響電池備用功能的一個重要因素。電池在用過一段時間后，各串聯單元的電壓可能會不一致。為了穩定各單元的電壓就需要均充，也就是通過升高整組電池的電壓，從而拉高落后電池的電壓。均充會讓大部分蓄電池承受過壓充電，并導致電解水。因此，質量好的閥控式鉛酸蓄電池，在壽命期內可以保持較好的一致性，不需要頻繁的均充。

蓄電池均充時需要注意以下幾點：

（1）在例行檢查時，應檢查和記錄整組電池的內阻。如果內阻沒有大的波動，則不需要對其均充。通過檢查電池的一致性情況，發現有落后電池才考慮均充或者單獨處理落后電池。

（2）過大充電電流也會導致電解水的發生，因此建議充電電流不要超過0．2C10，即不要超過電池容量的20%。最好在10%左右，嚴禁超過25%。

（3）對于通信電源系統，不僅要考慮正常工作時的充電電流，也應考慮到主控單元失效后電源對電池的充電電流。最好能確保在主控單元失效后充電電流仍不超過0．25C10，即不超過25% 。

3．2 防失控

失控是電源普遍都存在的故障現象，即電壓失去控制，其特征是輸出電壓突然升高。如果沒有電池對母線電壓的箝位，突然升高的電壓，有可能造成通信設備的損壞。失控保護是否可以解決該問題呢？筆者采用一個比較有代表性的廠家的DC－DC模塊實驗模擬電源失控的情況。保護點電壓設置在58V，通過實驗發現，在模塊失控時，即使有失控保護，但是輸出電壓仍然沖過了62V（如圖1所示），失控對設備的損壞風險依然存在。如果失控電壓超過62V，如果又正好遇到失控保護失效的情況，后果將會不堪設想。

我們知道，任何設備在運行過程中都可能出現突然損壞。由于通信電源系統中包含蓄電池，當模塊失控時，多余的電流會被電池吸收，同時為電池充電，系統電壓隨著電池充電慢慢上升。如果過壓報警點設置合理，則在時間上有很大的回旋余地，有足夠的時間處理好失控的模塊。所以提高直流電源系統的防失控能力，并聯電池是必然的選擇。

3．3 防沖擊

電源母線除了來自電源失控帶來的沖擊，還會面臨許多來自其它方面的擾動和沖擊，包括雷電感應、操作過電壓、交流串入等等。如果沒有電池的箝位保護，通信設備將會面臨極大的損壞風險。

3．4 防短路

通信電源系統經常面臨出現短路故障的風險。引起短路的原因很多，既有由誤操作引起，也有由設備損壞引起的。按照短路阻抗的大小分類，短路阻抗小的稱之為“硬短路”，短路阻抗大的稱之為“軟短路”或“半短路”。

通信電源系統所帶負載往往不是單一的通信設備。通常很多設備統一由直流配電單元分配供電，每一個設備的分路通過空氣開關與電源母線連接。當其中一個分路出現短路故障時，必然會影響到母線。如果母線沒有掛電池，則很容易導致母線失壓，從而導致所有通信設備工作中斷。因此，筆者對電池的防短路特性進行了實驗。在實驗中，發現電源系統帶電池可以對短路過程起到以下作用：

（1）抑制母線電壓的跌落

如圖2和圖3所示，在不帶電池的情況下，母線電壓會跌落到5V左右，而帶電池的電源系統的母線電壓跌落到20V左右。

（2）縮短母線電壓的恢復時間

在不帶電池的情況下，母線電壓的恢復時間約為十幾毫秒，而帶電池的電源系統的母線電壓的恢復時間只有不到2ms。

（3）確保通信設備正常運行而不被中斷

掛電池的電源系統，在各種短路的過程中，始終能保持通信設備的正常運行，沒有出現過中斷。

圖2 不帶電池的電源系統的母線電壓

圖3 帶電池的電源系統的母線電壓

由圖2和圖3可以看出，雖然有時母線電壓波形會跌落到設備的正常工作電壓以下，但是設備并沒有受到影響。實際上，設備能否工作并不取決于外部端電壓的瞬時值，而是取決于其內部輸入濾波電容上的電壓是否跌落到了欠壓工作點以下。通過實驗發現，沒有掛電池時，硬短路對其它負載的影響小，重復實驗幾次才出現其它設備重啟的情況，而軟短路影響反而大，并造成了系統垮掉。

這是由于當發生硬短路時，短路電流大，容易導致空氣開關瞬時脫扣，使得母線電壓拉低后能迅速恢復，其它負載受的影響就會比較小。當發生軟短路時，短路電流小，達不到空氣開關的瞬時脫扣電流，必然會把系統電壓拖垮，導致電源系統崩潰。實際上，只要分路空氣開關能瞬時脫扣，并在幾毫秒內恢復電壓，通信設備就不會中斷工作。要確保電池能瞬時脫扣，就必須確保在系統被拖垮到欠壓點前，電源系統能提供出10倍以上短路電流，讓空氣開關動作。

需要注意的是瞬時脫扣電流在5～10倍之間，因此在10倍以內的短路電流，不能保證一定出現瞬時脫扣。

由上式算出電源的內阻值。例如，120A的電源系統，其它負載電流為60A，浮充電壓為53．5V，設備欠壓點為40V，最大的分路開關為32A，則對電池回路總內阻的要求是：51．9mΩ。因此，在正常的維護中，需要關注電池內阻的變化情況。

空氣開關的約定脫扣電流是最大空開額定電流的1．45倍。在進行可靠性計算時，可以認為，如果短路電流小于最大空開的額定電流1．45倍，有可能不脫扣，這就要求電源容量必須同時滿足下列兩個不等式：電源容量≥負載電流＋1．45×最大空開的額定電流

電源容量≥負載電流＋充電電流

同時滿足上面兩個式子才能確保一個負載分路長時間電流增大，而空開又無法脫扣時，母線電壓不會垮掉。

4 結束語

隨著通信網絡日趨龐大，通信設備的集成化、數字化程度不斷提高，通信電源設備和供電系統的任何故障，都可能引起大范圍的通信癱瘓，造成重大損失。故通信電源對通信安全尤為重要，必須保證連續運行。蓄電池是保持通信電源系統連續、可靠運行的不可缺少的組成部分，通過電池與電源母線直接并聯或間接并聯，充分發揮電池的抗突變等特性，以實現通信電源的不間斷運行。

［1］ 孫 政．青銅峽水電站通信電源管理與維護［J］．通信電源技術，2004，29（2）：94－96．

［2］ 王云其．電力通信電源的管理與維護［J］．電力系統通信，2006，165（27）：4－7．

［3］ 侯振義，夏 崢．通信電源站原理及設計［M］．北京：人民郵電出版社，2002．

［4］ 李正家．通信電源技術手冊［M］．北京：人民郵電出版社，2009．