ISSN 0013-5771. "Электросвязь", №8, 2007 (http://www.elsv.ru)

В.М. Бушуев, начальник научной группы ФГУП ЦНИИС, к.т.н.

УСТАНОВКИ ПИТАНИЯ СРЕДСТВ СВЯЗИ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ИХ ОБОРУДОВАНИЮ

Процедура декларирования, принятая в Министерстве ин­формационных технологий и связи Российской Федерации, повышает ответственность производителей оборудования элект­ропитания за заявленные показатели при подтверждении соот­ветствия. Однако, несмотря на опубликованные "Правила применения оборудования электропитания средств связи" [1], производители достаточно часто обращаются с просьбой разъяснить те или иные положения "Правил", поскольку послед­ние нормируют широкий спектр оборудования электроустановок объектов связи. В "Правилах" введен новый термин "установка питания", который, на взгляд автора, требует некоторых разъяснений.

Установки питания. Под установкой питания понимается совокупность оборудования, предназначенного для обеспече­ния средств связи электроэнергией заданного качества. Состав установки питания определяется целью ее применения.

В общем случае установка может содержать преобразователи постоянного и (или) переменного тока, стабилизаторы, устройства защиты и коммутации входных и выходных цепей, сигнализации, мониторинга и управления, а также аккумуляторные батареи (АБ).

Существуют несколько признаков, по которым можно разделить установки питания. Это - характер и стабильность выходного напряжения и тока, наличие в составе установки резервной цепи с автономным источником электроэнергии, бесперебойность (непрерывность) подачи электроэнергии на средства связи. Следует подчеркнуть, что бесперебойность, как правило, является одним из важнейших признаков установки питания.

По признаку бесперебойности установки питания подразделяются на установки бесперебойного питания (УБП) и уста­новки гарантированного питания (УГП). Под УБП понимается такая схема соединения оборудования, при которой электропи­тание осуществляется от основного источника (например, сети), а на случай ее отключения предусматривается постоянно подключенная резервная цепь с АБ, обеспечивающая беспере­бойность питания средств связи. Под УГП понимается такая схема соединения, при которой резервная цепь, содержащая автономный источник электроэнергии, подключается к нагрузке с помощью коммутационных устройств при кратковремен­ных перерывах в подаче питания.

В зависимости от характера выходного напряжения уста­новки подразделяются на установки постоянного и переменного напряжения.

Установки бесперебойного питания постоянного напряжения. Широкое распространение на сети связи получила система УБП постоянного напряжения с непрерывным под-зарядом АБ. Характерной особенностью таких УБП является объединение в одной точке выходных выводов выпрямителей, АБ и входных выводов питаемой нагрузки.

Такая структура позволяет получить достаточно высокую надежность подаваемой на аппаратуру связи электроэнергии при минимальном числе используемых для ее построения компонентов. Коэффициент полезного действия (КПД) подобных УБП определяется в основном КПД применяемых выпрямителей, который может достигать 91-94%.

Однако указанная система при всех ее достоинствах обладает двумя существенными недостатками. Во-первых, в таких УБП на каждый номинал выходного напряжения применяют отдельную АБ, т.е. в УБП на выходные напряжения -24, -48 и -60 В следует устанавливать три АБ, каждая из которых рассчитана на свой номинал. Возможно использо­вание АБ одного номинала, но такое решение потребует включения на выходе канала дополнительного преобразова­теля постоянного тока в постоянный для получения напряжения второго канала. При этом во втором канале происходит дополнительное преобразование энергии, приводящее к уменьшению КПД системы в целом, а также к снижению его надежности.

Во-вторых, выходное напряжение УБП изменяется в широких пределах, определяемых разрядно-зарядными харак­теристиками АБ. Указанное положение привело к тому, что в нормативных документах на питаемую аппаратуру связи задаются широкие пределы рабочего напряжения, например + 20% от номинального значения. Если же аппаратура рассчитана на более узкие допуски, то применяются дополнительные стабилизаторы напряжения, что также ведет к снижению КПД и  надежности УБП.

Установки бесперебойного питания переменного тока. УБП переменного тока, выполненные по схеме on-line с двойным преобразованием электроэнергии, обеспечивают на питаемых средствах связи бесперебойное высококачественное синусоидальное напряжение. Оно свободно от помех и импульсов, которые могут появляться в сетях переменного тока. То же относиться и к форме синусоиды выходного напряжения. Такие УБП обладают широким диапазоном мощностей и высокой надежностью, что достигается путем параллельной работы силовых модулей и наличием обходной цепи (байпас), входящей в состав установки. Помимо основной функции байпаса, заключающейся в резервировании инверторов УБП, он также защищает инверторы от перегрузок в пусковом режиме работы.

Установки гарантированного питания переменного тока. Для питания средств связи, некритичных к кратковременным перерывам в подаче электроэнергии и (или) к ее качеству, применяются УГП, выполненные по схемам of-line и line-interactive. В нормальном режиме работы сети переменного тока питание средств связи осуществляется либо через фильтры (of-line), либо через фильтры и автотрансформатор (line-interactive). При отключении сети или выходе ее параметров за заданные пределы питание средств связи переводится на инвертор, получающий электроэнергию от АБ, при этом появляется кратковременный перерыв напряжения на нагрузке. В схеме of-line возникает также перерыв при пере­воде питания на сеть переменного тока при ее восстановлении и скачки напряжения на нагрузке. Качество напряжения на выходе УГП по схеме line-interactive заметно выше, чем в УГП of-line. В обеих схемах при работе от А Б нагрузка получает напряжение прямоугольной или ступенчатой (line-interactive) формы.

Универсальная УБП. Отличительными особенностями универсальных УБП являются, во-первых, возможность питания с высоким КПД средств связи постоянным и пере­менным током с различными номинальными напряжениями при использовании одной АБ, и, во-вторых, обеспечение стабилизации выходных напряжений.

Следует подчеркнуть отличие универсальных УБП от установок, использующих для получения различных напряжений преобразователи постоянного тока в постоянный, поско­льку в последнем случае появляется дополнительная ступень преобразования, что ведет к увеличению потерь в системе питания.

При' наличии на входе переменного напряжения сети, универсальная УБП обеспечивает на выходе стабильные напряжения постоянного и переменного тока различных номинальных значений независимо от напряжения АБ. В случае отключения сети переменного тока средства связи получают электроэнергию от АБ.

К другим достоинствам универсальной УБП следует отнести хорошие динамические характеристики выходного напряжения при коммутациях в сети переменного тока, а также сбросах и набросах нагрузки. Подробно построение и характеристики универсальной УБП изложены в [2, 3].

Технические требования к оборудованию установок питания. Общие требования. Электрические требования. Электроснабжение оборудо­вания осуществляется от промышленной сети переменного тока и автономных источников электрической энергии с параметрами, приведенными в табл. 1 и 2. Требования к электромагнитной совместимости приведе­ны в табл. 3-5. Допускаемые величины радиопомех, создавае­мых при работе оборудования питания, на сетевых выводах не превышают значений, указанных в табл. 3, а на выводах постоянного тока, - значений, приведенных в табл. 4. Квазипиковое значение напряженности поля радиопомех от оборудования питания на расстоянии R не превышают значений, указанных в табл. 5. К классу А относятся средства связи, эксплуатируемые вне жилых домов и не подключаемые к их электрическим сетям; к классу В - средства связи, эксплуатируемые в жилых домах или подключаемые к электрическим сетям жилых домов. Оборудование класса В допускается применять в условиях, установленных для оборудования класса А. Требования к надежности оборудования электропита­ния. Установки питания постоянного и переменного тока, оборудование, входящее в их состав, а также устройства ввода, защиты и коммутации с учетом резервирования обес­печивают наработку на отказ не менее 150 000 ч, среднее время восстановления - не более 1 ч, срок службы - не менее 20 лет. Требования по безопасности оборудования электропитания. Изоляция электрических цепей относительно корпуса и цепей, электрически не связанных между собой, выдерживает в течение 1 мин следующее испытательное напряжение пере­менного тока частотой 50 Гц: цепи переменного напряжения 380 В: в нормальных климатических условиях - 2,0 кВ; при повышенной влажности - 1,5 кВ; при пониженном давлении - 1,0 кВ; цепи переменного напряжения до 220 В: в нормальных климатических условиях - 1,5 кВ; при пониженном давлении -0,5 кВ; цепи постоянного напряжения до 100 В: в нормальных климатических условиях - 0,5 кВ. Электрическое сопротивление изоляции цепей составляет не менее: в нормальных климатических условиях - 20 МОм, при температуре + 40°С - 5 Мом; при влажности 95 %, температуре + 30°С - 1 МОм. Сопротивление между корпусом и каждой металлической нетоковедущей частью, которая может оказаться под напряжением, не превышает 0,10 Ом. Конструкция оборудования электропитания предусматривает наличие болта (винта) заземления. Эквивалентный уровень акустических шумов, создаваемых оборудованием электропитания на расстоянии 1 м, не превышает 65 дБ для оборудования, устанавливаемого в одном помещении со средствами связи, и 80 дБА - для оборудова­ния, размещаемого в отдельном помещении. Материалы конструкции не оказывают опасного и вредного воздействия на организм человека и окружающую среду во всех заданных режимах работы, предусмотренных усло­виями эксплуатации. При аварийных ситуациях материалы не выделяют в атмосферу токсичных веществ. Требования по устойчивости оборудования электропитания к воздействию климатических и механических факто­ров. Оборудование, входящее в состав установок, обеспечи­вает нормальную работу и сохранение параметров: при воздействии климатических факторов, указанных в табл. 6; после воздействия синусоидальных вибраций с амплитудой виброускорения 19 M/c2(2g) на частоте 25 Гц в течение 30 мин; после транспортирования железнодорожным, автомобильным, морским и авиационным транспортом. Кислотные аккумуляторы должны обеспечивать заданные параметры при изменении температуры окружающей среды от + 5 до + 40°С; влажности воздуха до 80 % при температуре + 25°С; атмосферном давлении 450-800 мм.рт.ст. и после пребывания при температуре окружающей среды от -40 до + 50°С. Требования к конструкции оборудования электропитания: взрыво- и пожаробезопасность, механическая прочность в процессе транспортирования и эксплуатации, возможность механизированного перемещения; доступность осмотра и подтяжки мест крепления контактных соединений и составных частей; возможность снятия и замены составных частей и элементов, вышедших из строя, без демонтажа других составных частей; доступность к элементам, подлежащим регулированию и настройке; доступность к контрольно-измерительным приборам для их замены и проверки; наличие защитных покрытий металлических деталей. Кроме того, конструкция оборудования рассчитана на подключение к одной из следующих систем токоведущих проводников: к входным и выходным выводам переменного тока (однофазные трехпроводные, трехфазные четырехпроводные, трехфазные пятипроводные); к выходным выводам постоянного тока (двухпроводные). Требования к защите и сигнализации: защита цепей от токовых перегрузок и перенапряжений; защита АБ от глубокого разряда; нормальная работа установки при повреждении устройств контроля и сигнализации, а также местная и (или) дистанционная сигнализация нормального и аварийного состояния оборудования. Требования к устройствам непрерывного контроля (мониторинга) и управления оборудованием: непрерывный контроль и управление оборудованием; сбор, хранение и обмен информацией о состоянии оборудования с удаленным центром сбора и управления; запись и хранение получаемой информации в энергоне­зависимую память; отсутствие сбоев или отказов в контролируемом оборудовании установки неисправности устройства; работа оборудования установки без постоянного присутствия обслуживающего персонала, в том числе регулиро­вание напряжения на батарее в зависимости от ее температуры. Требования к УБП постоянного тока. Номинальные значения, установившиеся отклонения и пульсации выходного напряжения в точках подключения средств связи соот­ветствуют параметрам, приведенным в табл. 7, при изменении выходного тока от нуля до 100 % номинального значения. Диапазон изменения выходного напряжения (уставка) составляет не менее ±5% от установленного значения. Установившееся отклонение выходного напряжения в точках подключения АБ не превышает + 1 % от установлен­ного значения. Переходное отклонение выходного напряжения не превы­шает ±20% на время до 0,1 с при скачкообразном изменении выходного тока от 100 до 5% номинального значения и обратно. В УБП обеспечивается: параллельная работа одноименного оборудования, вхо­дящего в состав установки, и селективное отключение неис­правного; бесперебойность выходного напряжения при отклонении входного напряжения за допустимые пределы; электропитание средств связи с одновременным зарядом (подзарядом) А Б. Требования к УБП переменного тока. Номинальное вы­ходное напряжение и частота соответствуют значениям, приведенным в табл. 2. Установившееся отклонение выходного напряжения в точках подключения средств связи не превышает ±3% от установленного значения, а переходное отклонение - ±20% на время до 0,1 с при скачкообразном изменении выходного тока (сброс-наброс нагрузки) от 100 до 5 % номинального значения и обратно. Коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения не превышает 10%, а коэффициент небаланса трехфазного напряжения при симметричной нагрузке - ±5%.

В УБП обеспечивается:

Требования к УГП. Средства связи при питании от УГП (of-line, interactive-line) должны в полной мере отвечать общим требованиям, изложенным в табл. 1. Что касается выходных электрических параметров и времени переключения нагрузки на резервную цепь, то здесь нужно в каждом отдельном случае согласовывать возможности питаемых средств связи и выби­раемых УГП, имея в виду известные основные недостатки.
В схеме of-line:

В схеме line-interactive

Заключение. В ближайшем будущем средства связи, в основном, будут получать электропитание постоянным то­ком, поэтому актуальными остаются вопросы дальнейшего совершенствования системы электропитания аппаратуры. Се­годня ясно, что оборудование с непрерывным подзарядом АБ исчерпали возможности роста КПД, так как КПД основного элемента оборудования - выпрямителя практически достиг своего максимума, и речь может идти об увеличении его на доли процентов. Следовательно, улучшение показателей нуж­но вести за счет как отдельных элементов (что в общем смысле тоже полезно), так и уменьшения количества ступеней преобразования электроэнергии в применяемой системе элект­ропитания аппаратуры связи.

Определенные положительные сдвиги в указанном направ­лении дает универсальная система. На первом этапе ее внедрение позволит отказаться от применения нескольких АБ и получить стабильные выходные напряжения без испо­льзования дополнительных преобразователей, как это делает­ся в настоящее время.

На последующих этапах внедрения универсальной систе­мы за счет интеграции устройств электропитания можно ожидать дальнейшего увеличения КПД системы питания аппаратуры связи при сохранении других положительных свойств универсальной системы.

При электропитании средств связи переменным током предпочтение следует отдать системе с двойным преобразо­ванием электроэнергии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Правила применения оборудования электропитания средств связи. - М.: Мининформсвязи, 2006.
2. Патент 2221329 РФ. Устройство бесперебойного электропитания многоканальное стабилизированное/ Никитин И.Е., Бушуев В.М.
3. Бушуев В.М., Никитин И.Е. Универсальное устройство беспере­бойного электропитания// Электросвязь. - 2005. - № 10.

Свяжитесь с нами:

+7 (495) 120-24-28

Онлайн запрос

E-mail: com@oc.ru