技术︱通信用-48V直流配电系统及其短路分析
中国电工技术学会定于2016年7月10~11日在北京铁道大厦举办“2016第十一届中国电工装备创新与发展论坛”，主题为“电工行业十三五规划研究与解读”。
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福州大学电气工程与自动化学院的研究人员许火炬、缪希仁，在2016年第3期《电气技术》杂志上撰文指出，随着社会的发展，直流配电方式以其自身优势受到了广泛重视。-48V直流配电系统作为通信系统的核心部分，对于通信的正常运行起着重要的作用。然而由于目前直流配电系统的研究仍处于起步阶段，直流保护技术一直是直流配电系统发展的瓶颈。
本文以-48V直流配电系统为研究对象，介绍了其系统构架，根据短路能量来源，短路故障点，短路保护措施以及所建立的蓄电池短路故障仿真数学模型，对其短路特性进行了分析。最后总结了目前短路故障保护技术存在的问题，对直流配电系统短路故障保护技术研究进行了展望。
在现有的城市配电中，传统的交流配电方式仍是主流，但是随着社会对节能减排以及能源综合利用需求的增长，还有电力电子技术的发展，相比于交流配电网，直流配电网在许多领域都取得了技术及经济上的优势，具有巨大的发展前景[1]。
目前各国对直流配电的研究都还处于试验探索阶段，研究重点集中在以直流微网为核心的低压直流配电网方面[2]。在铁路牵引、舰船系统、通信系统、数据中心等领域，直流系统已有较为长久的应用，并展现出了一定的优势。
-48V直流电源是国内通信行业普遍采用的供电电源，其中作为通信系统的“心脏”，通信电源在通信站中具有无可比拟的重要地位，对保障通信系统安全可靠运行起着至关重要的作用。本文主要以通信电源系统为研究对象，研究其短路情况。
在国内外，直流配电保护技术的研究仍处于起步阶段，直流配电保护技术还有大量问题需要研究[3]。针对直流配电系统的短路故障，在保护原理方面，文献4提出了基于电流上升率 di/dt 及电流增量DI的保护方法；文献5提出了基于 3 阶B 样条小波的行波故障检测新方法；文献6将人工神经网络算法应用到直流配电系统中，可以用于检测系统的接地故障并进行故障定位；文献7提出了一种基于阻抗测量的分布式直流配电系统的稳定性预测方法。在通信电源领域方面，文献8、9提出了密封阀控式铅酸蓄电池的远程监控以及故障预测方法，在保护原理方面，通信领域的研究目前仍比较空白。
在保护设备方面，直流断路器作为开断短路故障的核心设备之一，在直流配电系统中有着重要的地位。然而由于缺乏成熟、经济的直流断路器和实际运行经验，同时在直流配电系统中还存在着故障定位困难以及故障电流上升迅速的问题，保护技术成为制约直流配电系统发展的瓶颈[10-11]。
本文介绍了通信用-48V直流配电系统的系统组成，建立了蓄电池组的数学模型进行短路仿真，并对-48V直流配电系统的短路故障特性进行了分析。最后总结了目前短路故障保护技术现存问题，对直流配电系统短路故障保护技术的研究进行了展望。
1 通信用-48V直流配电系统组成
在实际中，通信局（站）的电源系统规模庞大，类型多样，针对不同的应用场合，有不同的供电方式。-48V直流配电系统作为通信电源系统中惟一的不间断供电模块，是每种不同的电源系统的核心部分，因此本文主要以此作为研究对象。
-48V直流配电系统主要包括三大模块:直流配电屏，蓄电池组，以及负载模块。系统结构如下图1所示：
图1 -48V直流配电系统结构
1.1 直流配电屏
通信用-48V直流配电系统中的直流配电屏是一个智能模块，其不仅要求实现基本整流功能，并且还应具备电源系统的在线监测与保护功能[12-13]。直流配电屏在-48V直流配电系统中的主要功能有三个：
1）基本的整流功能，将工频220V/380V交流电整流成48V直流电，对蓄电池充电并给负载供电。
2）在线监测与保护功能。能够实现过压，过流，过载，短路保护以及其他故障保护，实时监测直流电源系统运行状况，对故障快速做出反应以排除故障。直流配电屏采用短路回缩式设计，即使长期短路工作也不会损坏，同时拥有自动恢复功能，在短路故障排除后能够继续正常工作。短路回缩式设计原理如图2所示：
图2 短路回缩式设计原理
3）对蓄电池的智能充电，智能管理功能。蓄电池是直流配电系统的核心设备，如果出现蓄电池故障或者蓄电池维护不当，则可能发生停电事件，造成严重的通信事故。文献[14-15]列举了多种由于蓄电池管理不当而造成的蓄电池爆炸以及重大停电事故。
蓄电池在大多数时间是处于充电状态的，只有在停电时才会被用来给负载供电。这时必须在正常情况下对蓄电池进行浮充，才不会由于长时间的充电损坏电池，而在蓄电池作为电源供电到电压低于一定程度时，对蓄电池进行均充，快速补充蓄电池电能。
直流配电屏应该要能实现蓄电池充电的均充转浮充功能，保障蓄电池安全可靠地工作[16-17]。以下图3为蓄电池均充浮充的原理图：
图3 蓄电池均冲、浮充原理
1.2 蓄电池模块
蓄电池组是直流配电系统惟一的储能设备，也是保证直流配电系统不间断供电的重要设备。目前通信机房中使用的蓄电池的标准类型是阀控式密封铅酸蓄电池[18]。根据中华人民共和国通信行业标准《通信局(站)电源系统总技术要求》规定[19]，通信局(站)用直流基础电源的首选电源电压为-48V ,通信机房内每一个机架的直流输入端子处 -48V 电压允许变动范围为-40 ~-57V。
随着现在通信网络规模的日益扩大，对于直流供电系统的容量要求越来越高，但由于每个蓄电池的容量有限，通信基站通常将多个小电压蓄电池串联使用以提高蓄电池组的容量。
蓄电池在使用过程中一般是正极接地而使用其负电压-48V，即如图1所示另外设置一个工作地。采用这种接地方式可以防止电极以及电缆的腐蚀，另外将工作地线与交流零线分开也能减少工频交流侧对直流侧的影响。
1.3 负载模块
-48V直流配电系统的负载为各种通信设备，一般通信局（站）中的通信设备数量庞大，分布较为密集。负载模块一般采用地高阻接线方式[20]。负载对于电源供电的可靠性以及不间断性要求较高，如果通信电源发生故障，将导致负载断电，造成严重的通信事故。
2 -48V直流配电系统短路分析
2.1 短路能量来源
由于直流配电系统中的整流模块具备短路保护功能，在发生短路故障之后，整流器模块能够迅速响应(短路瞬态只有电容微秒级的放电，大功率放电被抑制)，并关闭整流器，使得整流器没有输出，因此-48V直流配电系统的短路能量主要来源于蓄电池，短路电流的大小取决于电池容量，电池内阻以及回路电阻的大小。电池的容量越大，内阻越小则发生短路时短路电流的大小越大。
以下表1为阀控式密封铅酸蓄电池内阻及出口短路电流值：
表1 阀控式密封铅酸蓄电池内阻及出口短路电流值
2.2 蓄电池组数学建模及短路仿真分析
为了了解-48V直流配电系统短路时的电压电流特性，以便进行短路分析，本文参考了文献[21-23]的蓄电池仿真建模方法，并结合实际直流配电系统中的密封阀控式铅酸蓄电池的特性，通过仿真软件MATLAB中的Simulink工具箱，建立了蓄电池组短路故障仿真数学模型，进行了蓄电池组的短路故障模拟实验，得到了蓄电池组在发生短路时的电压电流波形特性。
所得到的电压、电流波形如图5、6所示，其中图7为电压波形的局部放大图：
图4 蓄电池短路Matlab仿真模型
图5 蓄电池短路电流波形
图6 蓄电池短路电压波形
图7.蓄电池短路电压波形局部放大
由图中分析短路电流波形可知，电流的变化曲线呈现简单的一阶上升趋势，短路电流上升率高，经过较短的时间便上升到短路电流峰值。从电压波形可知，刚发生短路时，蓄电池组出口电压有瞬时的突降，而由于蓄电池内部存在内电感以及内电容，所以之后便呈现震荡上升的趋势。
2.3 保护设备
1）熔断器
熔断器是一种同时具备过电流继电保护以及分断能力的开关设备。其特点是尺寸小，价格低，限流特性好，分断能力高。在直流配电系统中，由于线路及负载电感小，故障电流的上升率较高，故障电流在短时间内会迅速上升到较高的数值，因此熔断器在直流配电系统中较为适用。
然而熔断器在故障熔断后必须更换熔断体并且其保护功能单一，因此其适用于需要快速保护响应且不需要自动重合闸的保护场合。
2）隔离开关
隔离开关是无灭弧，无分断能力的纯机械式开关。隔离开关一般安装在每个线路的两端，只能在无负荷的情况下打开隔离开关形成物理隔离。隔离开关有明显可见的断点，将需要检修的设备或线路与电源用一个明显断开点隔开，以保证检修人员和设备的安全。
3）断路器
直流断路器是直流配电系统最重要最有效的保护设备，能在严重过载或短路等故障时自动切断电路，保护系统及其它电器设备的安全。
目前国内外已有一些专家学者正在进行直流断路器的研究，研究的直流断路器的类型主要有：全固态断路器、混合式断路器及机械断路器等。
从断路器的特性来看，全固态断路器的分断时间最短，分断时不产生电弧，分断性能最佳，但是静态损耗很大；机械式断路器的静态损耗很小，但分断时间较长，分断特性较差；而混合式断路器综合两者优点，用快速机械开关导通正常运行电流，固态电力电子器件分断短路电流，具有良好的静态特性以及短路电流无弧快速分断动态特性。
然而目前对于直流断路器的研究仍仅局限于高校实验室或某些公司内部，能真正应用于实际并已产品化的经济可靠的直流断路器仍未问世。
2.4 短路保护分区及目前的保护措施
实际通信机房配电系统中保护区域主要包含交流电源侧保护、直流网络保护、变换器保护、负载保护4部分，本文主要研究-48V直流配电系统直流侧的短路故障。在-48V直流配电系统中，最常见的短路故障类型主要有蓄电池短路及负载短路两种短路情况。
应对蓄电池短路故障，目前普遍采用的保护策略主要有两种：第一种直接通过直流断路器与熔断器串联来开断短路电流。第二种采用交流断路器与直流侧隔离开关配合来清除直流系统故障。
应对负载短路故障，负载模块的接线方式通常采用地高阻接线方式。地高阻接线方式中，各负载分路中都接有一定阻值的电阻，当某一负载分路发生短路时由该分路所串接的电阻来承受母线电压，避免由于单一负载回路的短路造成直流电源的短路，影响其他分路负载的正常工作，以此来防护短路故障以提高系统供电的可靠性[16]。
2.5 短路故障保护技术现存的问题
1）缺乏经济、可靠的直流断路器：由于直流断路器应用得少，其价格较为昂贵，并且直流短路电流没有像交流短路电流一样存在自然过零点，所以直流电弧分断较为困难，需要采用专门的灭弧措施，技术难度较高，因此目前直流断路器是限制直流配电系统发展的重要方面之一。
2）蓄电池是直流配电系统最常用的储能设备，然而蓄电池易燃易爆，如果通过较长时间的短路电流时，其发生爆炸事故的可能性将大大提高，因此蓄电池的短路保护对快速性要求较高。而目前主要采用断路器与熔断器来开断短路电流，这两种保护设备都需要经过一段时间才能响应短路故障，存在一定的延时，因此不具备短路电流的快速分断能力。
3）为防护负载短路采用的高阻接法需要在每一路负载中串接高阻，在串接电阻中必然产生电压降，使得负载电压降低，因此还得考虑串接高阻以及负载之间的配合问题，并且所串接的高阻也会产生一定的功率损耗。
4）由于直流配电系统主要以微网形式存在，其线路并不长，各种设备较为密集，并且带有大量电力电子设备，故障定位困难，目前尚缺乏智能的短路故障保护机制。
3 短路故障保护技术研究展望
未来直流配电系统短路保护技术研究方向展望如下:
1 开发经济、可靠的直流断路器。目前国内外已有学者正在研究全固态断路器、混合固态断路器、混合式断路器等几种不同类型的直流断路器，相比于传统的直流断路器具有更好的特性。
2 研究直流短路故障的早期检测技术。在交流配电系统中已有学者对交流短路故障的早期检测做了大量的研究，并取得了一定的成果[24-25]，直流短路故障对于快速性的要求较高，研究直流短路故障的早期检测技术具有较大的意义。
3 建立基于快速通信系统的智能控制与保护机制。有效整合电力电子设备保护功能，减少分散保护设备数量，降低保护系统复杂性及成本，并建立快速通信通道，搭建集保护、控制、通信集成一体化的智能控制平台。
4 结论
本文分析了-48V直流配电系统在通信中的应用现状，介绍了-48V直流配电系统的框架以及系统组成，并对其中的三大组成模块，直流配电屏，蓄电池组以及负载模块在整个配电系统中的作用，地位，意义进行了较为详细的分析。
从-48V直流配电系统的短路能量来源，短路故障类型以及目前短路故障保护措施三方面入手，并通过建立蓄电池短路故障仿真数学模型，分析了直流配电系统的短路特性。
从目前采用的几种短路故障保护措施中总结了现今短路故障保护技术存在的问题，最后展望了今后直流配电系统短路故障保护技术的研究方向。
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