Широкое применение систем электропитания постоянного тока в традиционных телекоммуникационных сетях объясняется их высочайшей надежностью большим временем резервирования, простотой и неприхотливостью.
От тщательного соблюдения принципов и рекомендаций по их конфигурации зависит достижение требуемого уровня надежности и бесперебойности работы системы связи в целом. В последнее время для обозначения характеристик надежности систем широкое распространение получили так называемые "девятки", т.е. показатель вероятности отказа системы в процентаx. Например, надежность 99,9 % ("три девятки") означает, что в среднем за год эта система в принципе может не работать 8-9 часов. В США такая надежность считается стандартной для электрических сетей "общего пользования" без дополнительного резервирования.
Если ставится установка резервного питания (дизель-генератор) и АВР, то надежность нашей ЭПУ увеличивается до "средних девяток" 99,99 - 99,999, что составляет до 5 минут среднего времени отказов в год. Считается, что в среднем стоимость одного часа простоя небольшого сайта электронной коммерции составляет до 8000 долл./ч невосполнимых убытков. Для крупных он-лайн продавцов такие потери могут достигать 180 тыс. долл./ч. Неудивительно, что простои по вине электропитания не входят в бизнес-планы предприятий сетевой экономики. Развитие телекоммуникационных сетей, конвергенция сетей передачи данных и голоса требуют повышенной надежности электропитания.
Кратковременный перебой в подаче электроэнергии, просадка или всплеск могут привести к многомиллиардным убыткам, потере ценной информации, порче данных и невосполнимым моральным издержкам. Поэтому узлы связи с критичным к перебоям питания телеком- или датаком-оборудованием нуждаются в надежности электропитания на уровне не менее "шести девяток". Такая надежность уже требует не просто применения систем постоянного тока, но и соблюдения определенных принципов их расчета.
В общем виде эта процедура включает в себя определение количества выпрямителей, емкости аккумуляторных батарей, сечений и типа батарейных кабелей, номинального тока расцепителя системы защиты батареи, выбора типа и номиналов распределительных автоматов или предоxранителей, а также сечений кабеля питания нагрузки. Дополнительно при расчете систем могут быть приняты во внимание требования конструктивного размещения системы (автономно в шкафу либо встраиваемое в существующий статив), конфигурация батарейного стеллажа с учетом требований к максимальной нагрузке на пол, точечной либо распределенной, а также требования к возможности местного или дистанционного управления.
О некоторых принципах расчета систем постоянного тока мы и расскажем ниже.
Определение количества выпрямителей
Расчет конфигурации системы питания начинается с определения количества выпрямителей. Для этого необходимо знать потребляемую мощность нагрузки в Ваттах (или в Ампераx) в номинальном и пиковом режимаx, а также ожидаемую мощность расширения в будущем для правильного выбора типа системы. Данные о напряжении питания и потребляемой мощности можно найти в технической документации на оборудование.
К сожалению, в настоящее время единого стандарта напряжения и режима заземления для источников питания постоянного тока нет. Традиционно на Взаимоувязанной сети связи РФ используются напряжения - 60 В для питания коммутаторов и абонентских линий и - 24 В для питания каналообразующей аппаратуры. Импортные системы поставляются на напряжение - 48 В (коммутаторы, выносы и MSC), а также на + 24 В (базовые станции сотовой и транкинговой связи).
Решение о том, какую схему вторичного питания выбрать, принимается после того, как собрана полная информация о потребителяx, их напряжении питания и потребляемых мощностях. С точки зрения надежности целесообразно выбрать некоторую общую платформу (например, - 48 В) и запитать прочую нагрузку с помощью вторичных преобразователей - DC/DC конверторов (48/24 или 48/60) и инверторов. Преимуществом такого решения будет использование общей аккумуляторной батареи, обеспечивающей равное время резерва для питания всего узла связи.
Для расчета количества выпрямителей Nвыпр необходимо потребляемую мощность нагрузки Рнаг разделить на мощность одного выпрямителя Рвыпр, и округлить полученный результат до целого в большую сторону:
Nвыпр наг = Рнаг /Рвыпр
При определении мощности нагрузки следует не забывать включать в нее таких потребителей, как инверторы (преобразователи постоянного тока в переменный), дополнительные DC/DC конверторы, системы резервного освещения и т.п.. Мощность инверторов измеряется в ВА (вольтампераx) и при расчете мощности нагрузки ее можно учитывать как мощность в Вт (например, инвертор 1000 ВА имеет эквивалентную нагрузку 1000 Вт):
Pинв,вт = Pва
Для учета нагрузки DC/DC конверторов их номинальную мощность в Вт нужно разделить на КПД, который для современных конверторов небольшой мощности (до 700 Вт) составляет 0,8-0,9:
РDCконв = РDC/DC/0,8
Полученное число Nвыпр. наг. запоминается и начинается процедура расчета емкости аккумуляторной батареи.
Расчет емкости аккумуляторной батареи
Емкость аккумуляторнои батареи определяется из условий 10-часового разряда с постоянной мощностью (или током) при температуре 20-25°С до конечного напряжения 1,8 В на гальванический элемент. Обычно при выборе батареи пользуются разрядными таблицами или формулами, представляемыми производителями батарей. Такой метод дает самые точные результаты. Для очень грубой оценки емкости можно воспользоваться методом "ампер-часов" (т.е. умножение тока нагрузки на время резерва в часах).
Процедура расчета с использованием таблиц разряда сводится к следующему: по известному значению мощности нагрузки Рнаг. (с учетом всеx дополнительныx преобразователей!) определяется удельная мощность на один 2-вольтовый гальванический элемент батареи. На этом шаге также решается, сколько батарейных "групп" или "стрингов" будет использовано. С точки зрения надежности работы и удобства обслуживания рекомендуется использовать батарею, состоящую не менее, чем из двух батарейных групп. Одна группа батареи 48 В имеет 24 гальванических элемета, а одна батарея + 24 В - 12. Если принимается решение об использовании Nбат батарейных групп, то количество 2 В гальванических элементов для 48 В будет равно Nгэ = 24*Nбат.
Удельная мощность на один элемент батареи составит: Ргэ = Рнаг/Nгэ
Далее, зная требуемое время резерва в минутах или часах, по таблице разряда определяется емкость аккумуляторной батареи. Для этого полученное значение Ргэ сравнивается со значением мощности разряда в таблице для соответствующего столбца времени резервирования и выбирается ближайшее большее значение. Соответствующая строка покажет требуемую емкость.
Пример 1. Мощность нагрузки 1500 Вт/48 В, время резервирования 4ч. Принимаем количество батарейных групп равным 2, тогда удельная мощность на элемент будет равна:
Ргэ = 1500 / (24*2)=31,25 Вт/г.э.
По таблице разряда с постоянной мощностью до напряжения 1,8 В на г.э. получаем, например, для батареи Oerlikon Compact Power - тип 6СР80, емкостью 80 Ач. В этом случае батарея будет состоять из двух параллельно соединенных групп по 8 шестивольтовых моноблоков в каждой из групп, соединенных последовательно, всего 16 блоков типа 6СР80. Общая емкость батареи составит 160 Ач.
При использовании метода "ампер-часов" мы бы получили результат 120 Ач, так как 1500 Вт деленные на 50 В, дают примерный ток нагрузки 30 А, умноженные на 4 часа = 120 Ач. Как можно видеть, без использования поправочных коэффициентов этим способом нужно пользоваться с осторожностью.
После того как требуемая емкость аккумуляторной батареи определена, необходимо оценить достаточна ли мощность нашей системы питания для перезаряда батареи в течение заданного времени. Обычно это время составляет 10ч, но может быть задано и меньшим, в зависимости от условий конкретного объекта. Достаточно точно можно определить время перезаряда до уровня 0,8 - 0,9 от номинальной емкости, так как на этом участке "работает" правило "ампер-часов", т.е. практически линейная зависимость тока заряда от емкости. Полностью заряд батарея набирает в течение от одних до нескольких суток.
Этот метод оценки времени перезаряда батареи заключается в следующем.
Полученное количество выпрямителей Nвыпр. Наг. умножается на мощность одного выпрямителя Рвыпр. и из полученной общей мощности системы вычитается мощность нагрузки Рнаг. Полученная разница делится на минимальное напряжение системы питания (например, 43,2 В), откуда получается величина максимального тока Imax. Значение общей номинальной емкости батареи в Ач умножается на 0,8 и делится на значение Imax. В результате получается ориентировочное время перезаряда батареи. Если полученное время превышает 10 часов, необходимо добавить один или несколько выпрямителей.
Пример 2. Мощность нагрузки 1500 Вт/48 В, время резервирования 4 ч. Выбирается система питания с выпрямителем мощностью 680 Вт. Требуемое количество выпрямителей равно 1500/680 = 2,2 => округляется до 3.
Емкость аккумуляторной батареи 160 Ач.
Общая мощность системы питания с тремя выпрямителями равна 680*3=2040 Вт.
Запас мощности равен: 2040 - 1500 = 540 Вт.
Максимальный ток нагрузки с полностью разряженной батареей: 540 Вт/43,2 В = 12,3 А.
Ориентировочное время перезаряда равно: 160Ач*0,8/12,8 А = 10 ч, что является удовлетворительным.
Некоторые производители систем питания предоставляют очень удобные инструменты для точного расчета времени перезаряда с учетом типа батареи (гелевые или AGM), мощности нагрузки, требуемого уровня заряда и других параметров. Общее количество выпрямителей с учетом мощности нагрузки и заданного времени перезаряда батарей будет равно: Nвыпр.общее = Nвыпр.наг. + Nвыпр.бат.+1, где 1 - резервный выпрямитель (принцип N+1). Использование резервного выпрямителя является необходимым и часто достаточным условием для обеспечения требуемой надежности работы системы.
Расчет системы защиты батареи от глубокого разряда
Следующим шагом является расчет системы защиты батареи от глубокого разряда. Существует в принципе, два условия, которые должны быть при этом учтены, во-первыx, при нормальной работе ток батареи должен быть не более 80 % номинала устройства защиты и, во-вторых, система должна сохранить работоспособность даже при отключении одной из групп батарей (если их бопьше одной). Если используется больше 6 групп батарей, защита должна обеспечить возможность отключения минимум 20 % общего количества групп.
Процедура расчета сводится к следующему. Сначала определяется максимальный ток нагрузки Imax путем деления мощности нагрузки Рнаг на минимальное напряжение (напряжение срабатывания защиты батареи) Umin bat / Imax = Рнаг / Umin bat. Напряжение Umin bat рассчитывается, исходя из количества гальванических элементов в батарее (для 48 батарей - 24 шт.) и конечного напряжения разряда на элемент (обычно 1,8 В), т.е. 24*1,8 = 43,2 В.
Далее максимальный ток системы нужно разделить на количество батарейных групп минус 1 (т.е. с учетом одной отключенной группы) и получить максимальный ток через одну батарею для "наихудшего случая".
Imax bat = Imax / (Nbat - 1).
Разделив полученное значение Imax bat на 0,8 (коэффициент нагрузки) мы получим минимальное значение тока системы защиты батареи: Ibat protect = Imax bat / 0,8.
Пример 3. Мощность нагрузки 1500 Вт / 48 В, время резервирования 4 ч.
Емкость аккумуляторной батареи 160 Ач, состоящей из двух групп по 80 Ач каждая.
Максимальный ток системы в режиме разряда батарей: Imax = 1500/43,2 = 34,7 A.
Максимальный ток через одну батарею с учетом одной отключенной батареи: Imax bat = 34,7/(2-1) = 37,7 А.
Минимальный ток блока защиты батареи: Ibat protect = 37,7/0,8 = 43,4 А.
Для системы питания можно выбрать блок защиты батарей 2x50 А.
Вообще, существует два распространенных способа защиты батарей от глубокого разряда - либо путем отключения батарей от общих шин системы питания, либо пугем отключения от них нагрузки. Последний способ, с точки зрения ведущих производителей, в настоящее время является более перспективным, так как такая система позволяет реализовать приоритетный принцип разделения нагрузки с минимальным влиянием секций с низким и высоким приоритетом друг на друга. Отключение нагрузки с низким приоритетом в режиме работы от батарей дает дополнительное время резерва для нагрузки с высоким приоритетом и экономию средств за счет установки батареи с меньшей емкостью.
Расчет сечения и длины батарейных кабелей
После расчета системы защиты батареи от глубокого разряда необходимо рассчитать сечения и длину батарейных кабелей. Основным условием расчета сечения является ограничение падения напряжения на кабеле по всей длине с учетом положительной и отрицательной ветви до уровня 0,5 В. Минимальное сечение батарейного кабеля определяется по формуле:
Smin = 2*L*[Рнаг / (Umin bat*Nbat)]*ρ/U, (мм²), где
L - расстояние от батареи до системы питания (м); ρ - коэффициент удельного сопротивления меди = 0,0175 (Ом*мм²/м)при 20°С; U - допустимое падение напряжения на батарейном кабеле = 0,5 В.
Если получившееся значение Smin достаточно велико (например, больше 300 мм2), можно использовать несколько кабелей наполюс батареи, число которыx определяется по формуле: Nпол = Smin / Sкаб, где Sкаб - сечение выбранного кабеля.
Общая длина батарейных кабелей будет равна:
Lбат = 2*Nбат*Nпол*L.
Пример 4. Мощность нагрузки 5000 Вт/48 В, две группы батарей, расстояние 30 м. Smin = 2*30*[5000 / (43,2*2)]*0,0175 / 0,5 = 121 (мм²).
В этом случае можно использовать как кабель сечением 150 кв. мм, так и кабель 70 кв. мм.
В последнем случае придется проложить Nпол = 121/70 = 1,74 = 2 кабеля на полюс, и общая длина батарейного кабеля будет составлять Lбат = 2*2*2*40 = 320 м. Для кабеля сечением 150 кв. мм общая длина составит 120м.
Расчет системы распределения постоянного тока
После расчета аккумуляторной батареи наступает черед расчета системы распределения постоянного тока - сечения кабелей и их длины, типов и номиналов автоматических выключателей или предохранителей. Поскольку эта часть расчета тесно связана с требованиями нагрузки и зависит от ее специфики, здесь уместны только самые общие рекомендации.
Для расчета сечения кабеля питания можно применить ту же формулу, что и для расчета сечения батарейного кабеля, с той лишь разницей, что падение напряжение U при максимальном токе рекомендуется ограничить величиной 2 В.
Типы и номиналы автоматических выключателей или плавких предохранителей выбираются согласно требованиям нагрузки и рекомендациям производителей систем электропитания, причем автоматические выключатели рекомендуется нагружать током, не превышающим 50 % от номинала автомата, а плавкие предохранители - не более 80 %.
Если нагрузка критична к питающему напряжению, например, имеет строго заданное "окно", то необходимо использовать так называемое "высокоомное распределение", обеспечивающее постоянство параметров во всех режимах работы системы питания, в том числе даже в режиме короткого замыкания.
Такое распределение идеально для нагрузки, имеющей централизованное питание и большое количество взаимосвязанных потребителей. Правильно рассчитанная сеть обеспечит такое "аккуратное" отключение поврежденного в результате короткого замыкания потребителя, при котором соседние потребители этого даже не "почувствуют".
Расчет системы постоянного тока - выбор типа системы питания, мощности и количества выпрямителей, определение емкости аккумуляторной батареи, системы распределения постоянного тока и ее защиты от влияния переходных процессов - требует соблюдения некоторых правил и принципов, часть из которых в общем виде была рассмотрена нами в данной статье. Предложенная методика расчета систем постоянного тока является одним из примеров практических инженерных способов, дающим хорошие результаты и имеющим приемлемую точность. Соблюдение этих принципов обеспечит долгий срок службы, заданный уровень надежности и высокое качество питания потребителей системы электропитания постоянного тока.
Информационный источник: http://www.accent.ru/article22.html
