通信直流配電系統中高阻配電應用分析

黃保哲

（中國電子科技集團公司第四十一研究所，山東 青島 266555）

0 引 言

通信直流配電系統作為通信系統的“心臟”，負責將整流器輸出的直流電輸送到各通信設備并給蓄電池充電[1]，安全可靠不中斷是對通信直流配電系統最基本也最核心的要求。通信直流配電系統多采用整流器并聯冗余、雙回路供電、分路高阻配電等方式來提高系統的可靠性。相比低阻配電，高阻配電在限流和限壓上具有一定優勢，本文結合實際分別對二級直流配電系統、三級直流配電系統下高阻配電的應用進行了理論分析，同時針對多級高阻配電進行了理論分析和應用探討。

1 低阻配電和高阻配電

通信直流配電系統中，有低阻配電和高阻配電兩種方式。傳統的二級直流配電系統中，采用匯流排將整流器輸出電源配送到各用電設備，整流器距用電設備較近，配電線路上電阻很小，故稱為低阻配電。高阻配電是相對低阻配電而言的，所謂高阻來源于負載回路電阻或配電柜內人為增加的電阻，一般當負載回路上的電阻值大于蓄電池內阻的5～10倍時即為高阻 配電[2]。

設定電源系統電壓54 V，低阻配電方式下，若負載回路電阻等于蓄電池內阻，當某一支路負載短路時，短路電流極大，由于蓄電池內阻的存在，蓄電池輸出電壓將下降27 V，過低的電壓將嚴重影響其他支路設備的正常工作，同時過大的短路電流也會對蓄電池造成一定損害。而高阻配電方式下，若負載電路電阻為電池內阻的5～10倍，當某一支路短路時，由于負載回路上的電阻值較高，短路電流被限制在一定數值之內，而電池輸出電壓僅下降5～9 V，完全能夠滿足其他支路設備的正常工作。

高阻配電在負載短路時的限流和限壓作用可有效提高系統的可靠性，但也有人提出兩個問題：一個是由于負載回路電阻較高，導致蓄電池放電時不允許到達常規終止電壓，否則負載電壓會偏低；另一個是負載回路電阻造成的損耗。

針對第一個問題，通過計算可知，只要負載回路電阻的選擇和電流相匹配就完全不會有問題，蓄電池放電門限電壓為43.2 V，設備最低供電電壓一般為40～40.5 V，配電系統允許壓降為2.7～3.2 V，以蓄電池內阻為4 mΩ，負載回路電阻取電池內阻的10倍即 40 mΩ，通信設備額定功率500 W，平時負荷按8 A計算，此時負載回路電阻上的壓降為0.32 V，遠小于系統允許壓降，因此不會出現蓄電池放電電壓到達常規終止電壓負載電壓偏低的情況。

針對第二個問題，以這些數據計算負載回路上電阻的損耗為2.56 W，對分路負載總功耗的影響不足1%，基本可以忽略。

以上計算結果視具體數據不同而有所不同，設計時可綜合考慮蓄電池內阻、分路電流、設備最低供電電壓、系統壓降等各個因素，選擇合適的負載電阻，并充分考慮電阻散熱，將這兩個問題的影響降低到最低。

2 三級配電系統下高阻配電的應用分析

以上數據是基于二級配電系統來分析和計算的，目前主流的直流配電系統多采用三級配電，即直流配電屏為第一級，電源分配柜為第二級，用電設備為第三級。以滁州某電信機房為例，蓄電池和直流配電屏位于電力室內，直流配電屏額定容量1 000 A，正常工作電流600 A，蓄電池至直流配電屏每極采用2根240平銅纜連接，長度約為15 m；電源分配柜位于綜合機房，額定容量200 A，正常工作電流120 A，直流配電屏至電源分配柜每極采用1根240平方毫米銅纜連接，長度約為50 m；電源分配柜至用電設備每極用1根10平方毫米銅纜連接，長度為4～15 m，負載正常工作電流8 A。其布局及電阻分布如圖1所示。

忽略直流配電屏和電源分配柜上的電阻，因電源分配柜至各負載的電纜長度不等，此時若其中1路負載短路，在短路的瞬間：

圖1 三級配電布局及電阻分布圖

短路電流Ishort2≈54 V/（4+0.6×2+3.7×2+（7.2～ 26.9）×2）mΩ≈（2 000～800）A，若短路瞬間其他電源分配柜仍正常工作，則系統電流約為2 500～1 300 A。

此時電源分配柜1輸出電壓U2≈54V-（2 500～ 1 300）A×（4+0.6×2）mΩ-（2 000～800） A×3.7 mΩ× 2≈（26.2～41.3） V。

直流配電屏輸出電壓U1≈54 V-（2 500～1 300）A×（4+0.6×2）mΩ≈(41～47.2) V。

由上述數據可知，負載短路瞬間，電源分配柜1輸出電壓在26.2～41.3 V，嚴重影響該分配柜其它負載的正常供電，直流配電屏輸出電壓在41～47.2 V，考慮到電源分配柜壓降和配電線路壓降，其他電源分配柜下的負載也存在電壓過低的風險。

為提高系統可靠性，可在電源分配柜輸出端串接一定阻值的電阻，串接電阻后電源分配柜輸出端總電阻大小應為電源分配柜上端電阻值之和的5倍左右，則R串2≈（4+（0.6+3.7）×2）×5-（7.2～26.9）×2≈（48.6～9.2）mΩ，取R串2=40 mΩ，此時若其中1路負載短路，在短路的瞬間：

短路電流Ishort2≈54 V/（4+0.6×2+3.7×2+40 +（7.2～ 26.9）×2） mΩ≈（800～500） A，若短路瞬間其他電源分配柜仍正常工作，則系統電流約為1 300～1 000A

此時電源分配柜1輸出電壓U2≈54V-（1300～ 1 000）A×（4+0.6×2） mΩ-（800～500） A×3.7 mΩ× 2≈（41.3～45.1） V

直流配電屏輸出電壓U1≈54V-（1 300～1 000）A×（4+0.6×2） mΩ≈（47.2～48.8） V

由上述數據可知，電源分配柜采用高阻配電方式下，負載短路瞬間，電源分配柜1輸出電壓在41.3～45.1 V，基本可保障該分配柜其他負載的正常供電，直流配電屏輸出電壓在47.2～48.8 V，其他電源分配柜的負載也可正常供電。

由此可見，三級配電系統下，高阻配電可以有效提高系統可靠性。正常工作時高阻配電系統壓降 V降≈600 A×0.6 mΩ×2+0.3 V[3]+120 A×3.7 mΩ×2+ 0.3V[4]+8 A×（40 +（7.2～26.9）×20 mΩ≈（2.64～2.96）V， 基本可以滿足系統壓降要求。在實際運用中，為減小系統壓降和線路損耗，可以根據具體情況有選擇性地串入電阻或串入不同阻值的電阻，在提高系統可靠性的同時將壓降和損耗的影響降低到最低。

3 多級高阻配電應用分析

負載短路時，電源分配柜采用高阻配電可有效提高系統可靠性，然而在電源分配柜本身發生短路故障時，電源分配柜輸出端配電線路的電阻同時被短路，在短路瞬間：

短路電流Ishort1≈54 V/（4+0.6×2+3.7×2） mΩ≈4 300 A

直流配電屏輸出電壓U1≈54V-4 300 A×（4+0.6× 2）mΩ≈31.6V

短路瞬間直流配電屏輸出電壓為31.6V，所有負載均無法正常供電。鑒于高阻配電在限流和限壓方面的優勢，有人提出采用多級高阻配電的方案，即在直流配電屏輸出端串入一定阻值的電阻，串接電阻后直流配電屏輸出端總電阻大小應為直流配電屏上端電阻值之和的5倍以上，即R串1≈（4+0.6×2）×5-3.7× 2≈18.6 mΩ，取R串1=20 mΩ，此時若直流分配柜1短路，在短路的瞬間：

短路電流Ishort1≈54 V/（4+0.6×2+3.7×2+20）mΩ≈ 1 650 A

直流配電屏輸出電壓U1≈54 V-1 650 A×（4+0.6× 2）mΩ≈45.4 V

由于采用二級高阻配電，電源分配柜上串接的電阻R串2≈（4+（0.6+3.7）×2+20）×5-（7.2～26.9）×2≈（148.6～109.2）mΩ，取R串2=120 mΩ。

短路瞬間其它電源分配柜負載電壓為V負≈45.4V- 120A×（3.7×2+20）mΩ-0.3V-8A×（120 +（7.2～26.9）×2） mΩ≈(40.4～40.7) V

正常工作時二級高阻配電系統壓降V降≈600A× 0.6mΩ×2+0.3V+120A×（3.7×2+20）mΩ+0.3V+8A×（120+（7.2～26.9）×2） mΩ≈（5.69～6）V

從以上數據可知，采用二級高阻配電情況下，電源分配柜短路瞬間，直流配電屏輸出電壓為45.4V，表面上看該電壓可以保證設備正常供電，但由于串接電阻較多，系統壓降增大，負載供電同樣存在電壓偏低的風險；當然加大R串1值可提高直流配電屏輸出電壓，但R串1加大的同時R串2也要按比例加大，兩個串接電阻造成的壓降同時加大，負載電壓同樣難以保證。

正常工作時，二級高阻配電造成的系統壓降在5.69～6 V，遠大于配電系統允許壓降，這時就不允許蓄電池放電至常規終止電壓，否則會出現負載電壓過低的情況。損耗方面，直流配電屏每分路串接R串1損耗約為288 W，占直流配電屏每分路總損耗4.5%左右；電源分配柜每分路串接電阻R串2損耗約為7.68 W，占電源分配柜每分路總損耗1.8%左右，該損耗全部轉換為熱能，對配電系統溫升的影響和散熱的要求都不容忽視。

通過以上計算和分析可以看出，盡管二級高阻配電可一定程度上提高負載的供電電壓，但系統壓降過大、損耗過大等問題過于嚴重，弊遠大于利，多級高阻配電的實用意義不大。

4 結 論

不管是二級配電還是三級配電系統，采用高阻配電都能有效提高系統可靠性，實際應用中應根據具體情況合理選擇串接電阻，將壓降和損耗的影響降低到最低。多級高阻配電盡管能進一步提高系統可靠性，但壓降和損耗問題尚無法妥善解決，非特殊要求不建議采用。