高压直流系统学习心得

高压直流设备深入学习心得体会鉴于交流UPS供电的模式在通信系统中安全性、经济性等方面的问题越来越凸显，主要体现为能耗高、可靠性低、维护扩容难度大及建设成本大。

另外由于转型业务、数据通信、各种增值业务平台在电信运营商的比重日趋增大，安全要求、节能要求与电源保障提出了空前高的要求，所以应运而生出现了使用高压直流设备替代传统交流UPS设备的设想及实践实例。

就现在的市场前景及需求，公司组织了一次公司研发的高压直流设备学习，在深入学习的情况下总结一下个人的学习心得体会，探讨一下自己对该类型设备的认知。

一、高压直流设备是什么随着世界范围内通信行业的高速发展，数据业务的快速增加需求，传统的UPS供电系统的大量应用加剧了通信局站的供电压力，增大了安全隐患，也加大了设备维护工作量。

而众所周知直流供电系统的可靠性要远高于UPS供电系统，那么我们能不能找到一种新的供电系统来取代UPS供电系统，消除人们的顾虑呢。

因此也就促使产生了一种新型的高压直流供电系统。

在国外从上世纪90年代末就已经开始研究，现在因各国的实际供电需求不一也造成此设备输出电压的不一致，譬如我国就采用的是标称为240V的高压直流设备。

高压直流设备系统与传统48V供电系统十分类似，高压直流设备是由多个并联冗余整流器和蓄电池组成的。

在正常情况下，整流器将市电交流电源变换为270V、350V或420V 等直流电源，供给受电设备，同时给蓄电池充电。

受电设备需要的其它电压等级的直流电源，采用DC/DC变换器变换得到。

市电停电时，由蓄电池放电为受电设备供电；长时间市电停电时，由备用发电机组替代市电，提供交流输入电源。

与传统的-48V直流电源系统的一样，蓄电池备用时间为1～24h。

二、较UPS的优势1、能耗低由于UPS中采用了逆变器，逆变频率为工频50Hz，必须采用工频变压器，所以功率因数低，效率低。

正常情况下单机效率一般在60－70％。

为保证IT设备用电的安全可靠性，目前通信用UPS电源系统，均配置在线式串联热备份或N+1并机冗余模式；最常见的配置为1+1并机冗余系统或2+1并机冗余系统，这就使得系统效率进一步降低，一般在40-50%，实际使用中业务的发展是一个渐进的过程，兼顾到建设周期和业务发展规划，使得平均使用效率只有20－30％。

而高压直流设备整流器采用有源功率因数校正技术，使输入的交流电流波形与交流电压波形相同，相位一致，因而功率因数和整机效率高，功率因数可达0.99，整机效率可达91%以上。

下图中使用传统单UPS系统，整个系统中能源进行了两次变换、存在两个谐波电流源、备用能源-电池不能直接保护负载及负载供电可靠性取决于UPS系统可靠性所以可靠性降低不少，整个系统效率也就在75%或许更低。

传统用UPS系统整体效率而使用直流UPS系统的系统由于能源只进行一次变换、所以不存在谐波电流、备用能源电池也是直接保护负载同时负载供电可靠性完全取决于电池的可靠性所以整个系统的可靠性大大提高，整个系统的效率也提高不少，至少能达到82%。

使用直流UPS系统整体效率2、可靠性高整个UPS供电系统而言，有很多不可备份的系统单点故障点，比如同步并机板、静态开关、输出切换开关等，这些单点故障点，都可能导致整个通信系统“掉电”瘫痪。

即使采用相对可靠的串联热备份系统，切换电路的单点故障也容易造成整个通信系统“掉电”瘫痪，尤其是瞬间过载的容错能力差。

单UPS供电方案现在的通信局站中，常见的UPS供电系统主要有以下几种：单机系统、1+1双机并联冗余系统、双机主从并联系统（双机串机系统）、n+1多机并联冗余系统，还有由于通信设备的需要，由以上系统组成的双总线UPS供电系统等方式，设备越多故障点也就越多，可靠性也就越低。

高压直流供电方案高压直流设备直流电源是模块化输出和电池直接并联给负载供电, 后备电池与电源后段并联给受电设备构成2路冗余供电，可靠性高，真正不间断；如果UPS后备电池只是与电源前段并联给DC/DC供电，整个系统供电对数据设备不是冗余供电模式。

在某种原因下UPS系统崩溃,电池不能直接应用,导致后端设备断电。

而采用直流供电,杜绝系统崩溃带来的断电风险。

3、设备扩容易随着数据业务比重逐步增大，按照现在的设备交流供电模式，会有大量的在网UPS系统需要扩容、更会有大量的新的UPS系统投入运行。

因为UPS扩容涉及到电源的频率、电压、相序、相位、波形等一系列问题，不像直流电源系统扩容只关注电压一个参数，所以每一次UPS在线扩容都存在一次巨大的风险操作，甚至可能因为UPS制造商产品更新换代使得UPS扩容不可能实现，使得UPS单台故障时没有设备替换。

而高压直流设备因功率单元并联输出且支持热插拔操作所以扩容及其简单方便，不存在任何潜在风险。

功率单元部分和监控功能单元之间正常工作是监控单元控制,故障时各自独立控制,避免故障扩散.更换功率单元和监控单元是互不影响的，便于维护。

三、为什么要进行输出绝缘48V输出的直流设备一般都采用正极接地的运行方式，为什么高压直流的设备不采用这样的运行方式呢？那么就要先了解48V设备为什么要实施接地运行？最早的通讯网是电话网，话机是由电信局供电的，早期需要通过大地作为回流，因此采取了一极接地的方式，为避免接地后接地极金属被腐蚀，采用了正极接地的方式。

因为端局到用户距离也比较长，采取一极接地，还可以减少电路间的耦合，降低干扰的影响，保证通话质量。

同时因为电压比较低，维护人员触摸蓄电池或负极时，电压很难击穿人体电阻形成电流，因此并不会发生触电事故，所以接地的好处很多。

但是对于现在高压直流设备，如果将一极接地，由于电压比较高，人触及到未接地的一极时，触电电流通过大地形成回路，将发生电击事故。

尤其是电池维护，维护人员是很容易触摸到电池端子的，如下图，如果设备正极接地，当人体触摸到某个电池端后，就极有可能存在高压，击穿人体电阻，通过大地回路形成电流，发生触电事故。

如果设备不接地，两根导线对地悬浮，人体触摸其中一个导线或者电池某个端子时，虽然可能会存在一定的容性电流，但该电流很小，不足以对人体造成伤害，更重要的是，电流不能通过大地形成回路，可以避免在人体产生持续电流进而触电。

前面已经确定了设备对地悬浮的好处，但当某相供电线路出现绝缘降低或接地故障后，接地电流则会非常小甚至没有，由于没有短路电流流过，输出断路器不会断开，设备仍能继续运行。

虽然发生一极接地并不引起严重危害，但由于设备不能及时发现该故障，如果在此种情况下长期运行，就有可能造成大的事故。

因为此时若再发生另一极接地，就将造成直流短路。

更严重的是，如果在一极发生绝缘度降低或接地后，有人在维护的时候触摸了另一极或者电池端子，那将造成电击事故，有可能造成人身伤亡，该情况与系统直接接地类似。

因此，为了及时发现这种接地故障，必须让设备安装绝缘监察装置。

绝缘监察装置的作用就是监视直流输出对地绝缘状况。

可以利用它分辨出是哪一极的绝缘电阻降低，还可通过换算确定出正、负极的绝缘电阻值。

安装了该绝缘监察装置后，便于运行维护人员对供电回路的绝缘故障进行判断、查找和处理。

四、可以使用的原则在使用高压直流设备替代传统UPS设备时，如何确认受电设备能使用高压直流输入是一个难点，受电设备的电源部分采用何种的设计构成模式也是很难确定的，这就不能简单地依据经验来判断，必须有所依据和检测手段来保证替换的可靠实施。

目前IT服务器类设备的电源普遍都采用全波整流方式，如下图就是普通服务器电源的电路示意图，其整流方式采用的是桥式整流，因此，从理论上说，直流系统的正负极和设备的输入L、N极实则无需严格的采用某种对应关系就可。

现在一般服务器内部一般均使用的SSI高频开关电源电路图但是YDB 037—2009《通信用240V直流供电系统技术要求》中要求参考ETSI（欧洲电信标准协会）的标准ETSI EN 300 132-3 的相关内容对正负极的对应关系做如下建议：直流输出“正”极，对应于设备输入电源线的“N”端，直流输出“负”极对应于设备输入电源线的“L”端，设备输入电源线的“地”端与系统保护地可靠连接。

如下图所示。

设备机柜内插座接线示意图另外对于一些比较老的服务器设备，其电源部分有可能采用半波整流方式，如果这样，上述接线方法可能使服务器电源无法正常工作。

针对这种情况，可以将直流输出“正”极，对应于设备输入电源线的“L”端，直流输出“负”极对应于设备输入电源线的“N”端,服务器电源一般就可正常工作了。

五、输出空开的选择到底使用什么样的输出空开呢？是交流的？直流的还是单极的？或双极的？一般认为，直流和交流电路相比，直流电流不存在过零点，其在熄弧时必须强制直流燃弧电流等于零，或使电流接近于零（﹤10A），才能使电弧熄灭，因此在直流电路上使用的什么样的断路器是很有讲究的。

对于高压直流设备，配电设计及使用时不能直接将交流型断路器用在直流回路上的电路上（除非该回路电流很小），而是要选用专门针对直流设计的直流型断路器，因为交流断路器与直流断路器的设计使然就存在本质的不同。

在48V系统中，普遍存在使用交流型开关的情况，那是由于48V系统输出电压比较低，灭弧相对容易，所以使用普通的交流型开关没有太大问题。

但是对于高压直流设备而言，其电压比较高，灭弧会困难很多，因此在需要带载分断的情况下决不能使用普通的交流型开关。

同时由于直流电压较高，单极的断路器往往达不到这个电压等级的要求，势必采用串联多极。

同时增加分断断点来分担分断电弧电压。

断路器在直流电路串联使用的方式有多种，可以在同一极（比如正极）进行串联，也可以在正负极分别各使用一极，其产生的效果是一样的。

其实不管采用哪种方式接线都是在单回路中使用两个断点来切断直流供电。

所以说在高压直流设备系统中不一定非得使用双极的直流断路器，只要安装正确的使用方式单极的直流断路器也可以胜任。

六、设备割接的基本原则首先确定后端设备是否可以使用高压直流输入，部分带变压器的低端高能耗的音响设备、阴极射线显示终端外置冷却设备的机架风机等都不能使用高压直流供电，这部分需要第一位排除。

其次根据成功割接完成案例设备点表，排查确实不能使用高压直流供电的设备，一般该类设备电源输入部分带有频率保护等措施。

再次部分点表内没有记录的设备需要现场测量设备输入端的输入阻抗，用以确认其输入部分采用的是何种形式，是否能使用高压直流供电。

对设备输入端用万用表电阻档进行测量，如果电阻值小于100千欧，则该设备前端电源模块应该带变压器，不支持高压直流，不能再通电测试；如果电阻值大于100千欧及以上范围，该设备至少接通高压直流不会发生短路事故，可以用调压源进行通入高压直流测试是否可用高压直流供电且稳定运行。

最后对于已验证或确认支持高压直流供电的设备，可直接启动割接。