通信用240 V直流供电安全性分析

王冬红

（中国电信江苏泰州分公司）

1 研究背景

IDC业务是中国电信近年来快速发展的重要业务，但由于前期建设及维护经验不足，目前已暴露出很多严重威胁到安全运行的问题，尤其是供电安全直接关系到业务全局。为此，中国电信集团公司、江苏省电信公司多次开展全网IDC机房和IT系统的供电和环境安全专项检查。UPS供电系统稳定性、可靠性上存在不足增加了维护人员的工作压力，引起各级维护人员的高度重视，迫切需要运行稳定可靠的供电系统代替UPS供电。

2 UPS不间断电源系统存在问题分析

UPS供电系统采用1＋1并联输出供电，UPS输出由逆变器、市电旁路和维修旁路组成。一般称UPS供电为不间断电源，主要是市电停电后后备蓄电池组经逆变器逆变输出给负载供电。正常情况下，主用或备用UPS发生故障自动退出系统并报警，后备电池电压低或系统有故障自动转市电旁路。但在实际运行中会发生UPS设备本身发生故障后，主用或备用故障不能自动退出，而是输出电压闪断后转旁路供电，从而造成设备断电。主要原因机组在故障瞬间无法与市电同步，故障机组转旁路而非故障机组在逆变状态下工作发生电压频率初相不同步引起闪断。

UPS交流供电系统存在相位差、频率、初相的要求，多数割接施工时需停电作业。

能效低：UPS供电系统采用1＋1并联输出供电，总输出不能大于单台的额定容量，则每台整流系统和逆变系统输出工作在50%以下，能效比在较低范围内。UPS主电路中各部分能耗如图1所示。

图1 UPS主电路中各部分能耗

3 通信用240V直流供电系统技术创新

通信用240 V直流供电系统由交流配电屏（单系统可省略）、整流架、直流配电屏、蓄电池组组成（见图2）。市电220 V交流电源输入到各台高频开关电源模块后，整流成高压直流并联输出至直流配电屏母排上，蓄电池组经熔断器并联连接在直流配电屏母排上，直流配电控制后再分別输出供IT设备电源模块（简称电源板）上。通信用240V直流供电系统除了供电电压值不同外和传统－48 V直流供电系统结构相同，系统整流变换比－48 V直流整流变换电路简单。

图2 高压直流供电系统原理框图

IT设备内部工作电源模块（简称电源板）采用高频开关型稳压电源，输入交流220 V电压（AC85 V～265V），高频开关整流电路首先将输入交流经全桥整流电路或半桥整流电路转变成直流电压（DC120 V～373V），再通过直流／直流变换、功率因素校正等，最后整流变换成12 V、5 V或3.3 V等低压直流给IT设备使用。而全桥整流电路或半桥整流电路（半桥需注意极性）对直流电可以直接输入，只要直流电压能够达到工作电压范围就可以使用，省略交流整流成直流电路（见图3）。

图3 IT设备的基本原理框图

通信用240 V直流电源代替交流电源供电时，由于IT设备内部电源整流模块没有工频变压器而直接通过高频开关整流滤波电路，这就使得IT设备内部电源模块的工作原理与交流电源供电原理相同。高频开关电源的特点是宽电压输入，现在IT设备电源交流输入一般是AC85 V～264 V（有效值），经过整流之后为DC120 V～373 V，也就是说，只要在输入端加DC120 V～373 V之间的一个直流电压，设备都可以正常合理设置通信用240 V直流电源系统的浮、均充电压值，保证电源模块的安全工作（见图4）。

图4 服务器电源模块直流电源代替交流供电

4 通信用240V直流供电系统与UPS不间断电源安全性比较

4.1 供电可靠性

1）UPS不间断电源系统组成：AC380 V／220 V→整流电路（半波或全波整流）→DC470V／280 V母排上并联470 V／280 V蓄电池组→逆变电路→AC380 V／220 V→静态开关电路→负载断路器。

2）通信用240 V高频开关电源：AC380 V／220 V→整流电路（半波或全波整流）→DC470 V／240 V母排上并联DC470V／240 V蓄电池组→DC470V／240V→负载断路器。

结论：

通信用240 V高频开关电源比UPS电源省略逆变电路和静态开关电路，减少故障点，所以通信用240 V高频开关电源系统更简单，供电更可靠。

4.2 耐压性能

1）交流标称220 V电压有效值：额定值为220 V，范围－15%到＋10%，即187 V到242 V（有效值）。

2）交流标称220 V电压最大值：最大值为1.414×220 V＝310 V，范围－15%到＋10%，即263.5 V～341 V（最大值）。

3）通信用240 V直流标称电压：浮充电压120×2.25＝270 V，充电电压120×2.35＝282V，终止电压120×1.90＝228 V。

4）耐压比较

交流220 V标称电压供电，系统耐压要求是187 V到341 V。

通信用240 V直流电压供电，系统耐压要求是228 V到282V。

结论：

交流220 V电压供电系统耐压要求高于直流240V电压供电。即通信用240V直流供电系统耐压要求完全满足交流供电系统，通信用240V直流供电系统完全可以在原交流供电高阻负载上使用（原交流供电低阻感性负载不能替代）。

4.3 供电系统比较

1）通信用240 V直流整流模块采用N＋1配置，单个模块故障自动退出系统并报警，和48 V直流具有相同安全特性。

2）通信用240 V直流整流模块输出到直流母排上，母排上并联DC470 V／240 V蓄电池组。当市电停电时，由蓄电池直接向负载供电，无瞬间中断，供电可靠性最高。

3）通信用240 V直流供电系统没有交流供电系统中相位差、频率、初相的要求，割接施工时只需将二套系统中电压差调整到1 V以下就行，施工简单。

4）通信用240V直流供电系统中正负极均不接地，人体碰到单极时不会发生触电事故。人体误碰正负极时，触电后果远小于交流。

5）通信用240V直流供电系统分合闸操作时没有交流供电系统中过零点产生操作过电压，使负载受过电压易损坏。

4.4 负载电源板（机架电源）输出能力比较

1）交流供电时电源板（机架电源模抉）输出功率为额定功率。

2）采用高压直流时全波整流电路只有一半功率管工作，输出功率为额定功率的50%（此时功率管在满载状态下运行，关注温升）。

4.5 负载电源板（机架电源）发生故障后比较

1）交流供电时电源板（机架电源模抉）发生故障中，一半功率管断路时为半波工作，全波功率管断路时机架负载断电停止工作；功率管为短路时，滤波电容器将交流供电电压短路（滤波电容器隔直通交），输入熔断器或断路器跳闸保护，机架负载断电停止工作。

2）高压直流供电时电源板（机架电源模抉）发生故障中，功率管断路时机架负载断电停止工作；功率管为短路时，滤波电容器对直流供电电压处于开路状态，高压直流串到机架负载上，机架负载在高压直流电压下绝缘被击穿，服务器等机架负载被烧毁。

5 通信用240V直流供电系统使用中注意事项

5.1 负载要求

1）低阻感性负载（电动机、风扇存在绕组等）一定要接交流电压（AC380 V／220 V）。

2）电源板（机架电源模抉）带降压变压器（属感性负载范围）一定要接交流（AC380 V／220 V）。

3）电源板（机架电源模抉）直接采用高频整流变流，可釆用高压直流，采用高压直流时对高频半波整流电路需考虑极性，全波只有一半功率管工作。电源板输出功率控制在额定输出功率25%以下。电信使用IT设备是从安全考虑，电源板输出功率冗余高，使用高压直流供电时，功率管在低负载下工作。托管服务器电源板输出功率冗余小，如果使用高压直流供电时，功率管在满负载下工作，功率管温升高，建议采用UPS不间断电源供电。

4）感性负载判定方法：将设备电源插头用万用表电阻档高阻测量时，二次电源采用感性负载测量时电阻值低，二次电源采用高频开关电源高阻档测量时电阻值显示高阻特性（2 M电阻档显示无穷大）。

5.2 配电要求

1）直流供电系统采用熔断器控制，熔断器安装固定背板必须采用绝缘材料，防止熔断器上带电部分上灰尘与金属机架发生短路。

2）直流供电系统采用空气断路器，断路器安装固定背板必须采用绝缘材料，小型断路器安装固定采用金属卡条。

3）直流供电系统正负极不接地，总直流配电屏上各主路输出负载必须进行漏电测量。

4）－48 V蓄电池组端电压为每节监控测量，通信用240 V直流使用2 V蓄电池组时，监控测量端电压采用每5节做一点测量。

5）增加蓄电池组在非市电停电放电后充电、非定期均充等异常充电电流告警，防止单体电池落后、充电电流增大、蓄电池组温度过高。

6）做好电缆、机架上高压直流标记，机架上多余插座上插孔进行封贴。

5.3 维护要求

负载电源板（机架电源模抉）散热风扇运行正常，过滤网保证清洁，使用环境温度符合要求。

6 总 结

通信用240 V直流供电系统中蓄电池组并联在输出母排上，输出由熔断器或空气断路器控制，系统电压无闪断或突变发生，提高了供电系统的稳定性；240 V直流输出电源由多台高频开关电源整流模块并联均流输出，提高了供电系统的可靠性；高频开关电源整流模块生产使用已经有几十年历史，技术成熟；高频开关电源维护简单，维护人员有多年维护经验。通信用240 V高频开关电源生产、设计、维护、使用相关规范的出台，使得通信用240 V直流供电系统更加安全可靠。通信用240 V直流供电重点控制电源板（机架电源模抉）输出功率在25%额定容量以下，防止功率开关管超负载、温升过高以及短路故障的发生。

［1］ 《中国电信电源、空调维护规程（试行）》.

［2］ 《中国电信集团IDC维护规范（暂行）》.

［3］ 中国电信股份有限公司江苏省分公司（2010－2）《通信用240 V直流供电系统维护规范》.