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基于智能模块化-48V通信直流电源的短路测试研究

2024-01-08 94 上传者：管理员

摘要：随着锂电池产业的成熟，锂电池的能量密度高、体积小、寿命长的优势以及其经济性的不断优化，在通信电源系统中的应用越来越广泛。但是锂电池以及特别是带有双向DC/DC的智能锂电池，出于安全性、经济性的综合考虑，其实际运行中的短路放电能力和传统铅酸电池相比，明显存在很大差距，在电源系统设计和配电选择性保护的安全设计中存在极大隐患，甚至可能引起火灾重大事故的发生。文章以智能模块化电源系统为研究对象，介绍了系统的主要构成以及配套电池进行短路测试研究。并在本文中总结了目前智能模块化系统在短路故障时所存在的问题，对智能模块化系统短路故障保护技术的研究进行了展望。

关键词：
双向DC/DC
智能模块化系统
短路电流
通信电源
锂电池
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近年来随着我国的通信行业高速发展，整个通信网络系统的可靠、稳定、不间断地运行，对民生和国防安全乃至国民经济方面有着越来越重要的影响。通信电源是通信网络系统的核心供电设备，作为备电的电池直挂通信电源直流母排，有着不间断直流供电的作用[1]。当系统局部发生短路故障时，如果配套不同种类电池，如铅酸电池、磷酸铁锂电池等，就会有着不同的故障现象和结果[2]。

1、模块化电源系统的组成

本文以系统容量为300 A的模块化电源系统为研究对象，其主要组成为交流、整流、直流配电单元、监控单元、蓄电池组及用户负载组成。

其中，交流配电单元主要由两路交流输入断路器，防雷断路器及防雷模块组成。整流配电单元主要由模块断路器及整流模块组成[3]。直流配电单元分为负载直流和电池支路，均由63 A和125 A的智能断路器组成。交流、整流、直流配电单元均通过RS485的通信方式连接监控，监控可对其进行实时监测与保护[4]。

蓄电池组直挂通信电源系统直流母排侧，与电源系统配套使用，有着不间断直流供电的作用[5]。

通信电源的用户负载大多为各种的通信和网络设备，数量多且分布相对密集，如果电源供电系统突发故障引起负载掉电，通信设备无法正常工作，将对用户造成严重的经济损失[6]。

2、模块化电源系统的实验方案梳理

针对系统短路测试方案需从用户的使用工况、使用模式、系统不同智能断路器、短路点进行分析，见表1。

表1 系统短路测试方案

3、模块化电源系统的实验验证

针对方案梳理进行实验验证，实验室满足6组48V/100 Ah铁锂电池，48 V/300 Ah铅酸电池，48V/600 Ah铅酸电池测试，实验平台方案原理图（见图1）及实验设备列表（见表2）。

短路测试工装原理见图2，短路测试工装1-QFD断路器63A正负极接入两根长度0.4 m的25 mm2线缆，通过控制QF1开关闭合接触器的控制线圈，将400 A接触器进行短路短接。短路测试工装2-QFD断路器125 A正负极接入两根长度0.4 m的35 mm2线缆，通过控制QF1开关闭合接触器的控制线圈，将400 A接触器进行短路短接。

图1 实验方案原理图

表2 实验设备列表目录

图2 短路测试工装原理

智能插框短路测试方案部分测试结果整理，见表3。

以63 A热磁开关-带铅酸电池负载断路器短路测试数据为例：系统负载侧短路，300 Ah铅酸电池提供1 940 A短路电流2 ms左右，63 A热磁断路器在8 ms左右跳开，此时间段系统掉电至50.4 V左右，6.9 s后系统恢复正常电压。

4、理论分析及验证

(1）从直流供电系统等效的原理框图中见图3所示，可计算出在通信电源系统的供电模式下，直流侧短路时对母排电压的影响[7,8,9]。

取Ub=54V,Ri=28mΩ，R11=2mΩ，那么Ishort和Ud分别见公式（1）、（2):

表3 短路测试方案测试分析

图3 直流供电系统等效的原理框图

如上计算可知，直流侧短路时，母排电压下降至3.6 V左右，短路电流达到1 800 A以上，和实测结果基本一致。显然对通信设备的供电条件不满足，设备测的瞬时短路问题将会引起整个通信系统的故障。

通过以上分析可知直流设备侧短路，引起直流侧母排电压下降的核心原因是直流侧的负载线缆内阻过小，若增大直流侧线缆的电阻，就可以从理论上解决此问题，故可以通过加长线缆及减小线缆的横截面积等方法用来增大线缆的内阻[10]。

(2）由于智能断路器供电依赖于通信电源系统的直流输出母排，当发生短路时，直流输出母排电压为左右，智能断路器掉电无法正常运行。当对智能断路器单独供电时，无论是1模块还是递增至4模块，短路电流均可达到1 600 A以上，此时母排电压因短路被拉低到1 V左右，但因为智能断路器单独供电，此时热磁断路器MCU可正常使用，通过过流下发指令将其断开，保护系统正常运行。

5、模块化电源系统的分析结果

从汇总的现象上看，得出结论见表4。

6、结论

文章描述了智能模块化-48V直流电源在通信系统中短路故障的实验验证，并介绍了系统结构的框架及组成，通过对实际短路故障的电压、电流波形，分析了智能模块化电源系统的短路特性与其配套使用智能断路器、电池类型的保护时间及目前短路故障所存在的问题。

表4 模块化电源系统的分析结果

文章所提供通信直流电源目前存在的问题及如何改进的思路与方法，对通信用-48V智能模块化系统的选型及设计均有着一定参考和指导意义。

参考文献:

[1]成紫薇.电力通信网中通信电源故障的分析与维护[J].通信电源技术,2022,39(15):169-171.

[2]章玄,邢杰,余文涛,等.卫星电源系统短路暂态特性分析及对策[J].宇航学报,2020,41(9):1212-1220.

[3]张鑫,师进,韦文,等.通信平台中的高可靠电源模块设计[J].铁路通信信号工程技术,2020,17(6):56-60.

[4]李俊浩.电力专用通信DC/DC出现馈线短路问题的分析研究[J].中国新通信,2014,16(17):36-37.

[5]郭苏,陈为召,龙登明.基于磷酸铁锂电池的便携式48 V通信直流应急电源研究[J].电力信息与通信技术,2021,19(1):111-115.

[6]许火炬,缪希仁.通信用-48V直流配电系统及其短路分析[J].电气技术,2016(3):5.

[7]蒋玮.通信电源瞬间短路的解决方案[J].通信电源技术,2021,38(7):3.

[8]李伟坚,卓越,利韶聪.浅谈蓄电池在通信电源系统中的作用[J].通信电源技术,2013,30(3):61-63.

[9]冷旭东,王坚.关于电力通信用DC/DC馈线短路问题的研究[J].电力系统保护与控制,2009,37(13):114-117.

[10]陈文健.探究通信电源系统中蓄电池的作用[J].城市建设理论研究:电子版,2014(8):268.

文章来源:田佳,王雯婷,季明明等.基于智能模块化-48V通信直流电源的短路测试研究[J].科学技术创新,2024(01):221-224.

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