现代通信电源系统

现代通信电源系统 第一章 概述 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4 第一节 电源在通信中的地位与组成 „„„„„„„„„„„„ 4 第二节 通信设备对电源的要求 „„„„„„„„„„„„„„ 4 第三节 通信电源供电系统方框图 „„„„„„„„„„„„„„ 6 第四节 通信电源供电系统的技术指标 „„„„„„„„„„„„ 7 第二章 贮能设备 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 9 每一节 铅酸蓄电池 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 9 第二节 铅酸蓄电池 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 11 第三节 铅酸蓄电池的工作特性 „„„„„„„„„„„„„„„ 16 第四节 现代贮能设备 „„„„„„„„„„„„„„„„„„ 20 第五节 蓄电池的维护 „„„„„„„„„„„„„„„„„„ 24 第三章 开关型整流器 „„„„„„„„„„„„„„„„„„ 27 第一节 脉宽调制技术 „„„„„„„„„„„„„„„„„„ 28 第二节 脉宽调制(PWM)型稳压电源 „„„„„„„„„„„ 31 第三节 功率转换电路 „„„„„„„„„„„„„„„„„„ 33 第四节 输出整流滤波电路 „„„„„„„„„„„„„„„„ 37 第四章 不间断电源(UPS) „„„„„„„„„„„„„„„„ 38 第一节 UPS的工作原理 „„„„„„„„„„„„„„„„„ 38 第五章 自备交流电源(油机发电机组) „„„„„„„„„„„ 43 第一节 油机的基本类型 „„„„„„„„„„„„„„„„„„ 43 第二节 油机的基本结构 „„„„„„„„„„„„„„„„„„ 43 第三节 内燃机的工作原理 „„„„„„„„„„„„„„„„„ 49 第四节 同步发电机 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 51 1 第五节 油机发电机组的维护 „„„„„„„„„„„„„„„ 57 第六章 通信配电 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 58 第一节 通信系统低压交流供电原则和 „„„„„„„„„ 58 第二节 通信接地 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 59 第三节 变配电设备的维护 „„„„„„„„„„„„„„„„ 64 第七章 现代通信供电系统 „„„„„„„„„„„„„„„„ 66 第一节 通信供电系统的改革 „„„„„„„„„„„„„„„ 66 第八章 用电安全技术 „„„„„„„„„„„„„„„„„„ 69 第一节 电气事故 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 69 第二节 电流对人体的作用 „„„„„„„„„„„„„„„„„ 70 第三节 安全电压 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 72 第四节 对直接和间接接触电的防护 „„„„„„„„„„„„ 74 第五节 直接接触触电防护 „„„„„„„„„„„„„„„„„ 75 第六节 间接接触触电防护 „„„„„„„„„„„„„„„„„ 77 2 第一章 概述 第一节 电源在通信中的地位与组成 众所周知，通信电源在通信工作中占有极为重要的位置，一旦通信电源发生故障而停止供电，必将造成通信中断。同时，随着通信技术的发展，通信设备的不断更新，现代通信对通信电源的要求也越来越高。 通信电源是整个通信设备的重要组成部分，就像人体的心脏一样，电源设备的质量及供电的可靠性，将直接影响整个通信及其质量，电源设备如发生故障，就会阻断通信或降低通信质量。从而影响国家的经济建设和人民生活，以及国际交往。 因此，通信电源设备的作用是供给各种通信设备和机房可靠的交、直流电源，保证通信畅通。同时要求电源工作人员全面掌握电源设备的基本性能，工作原理和运用方法，做好电源设备的维护工作。 通信电源设备和设施主要包括:交流市电引入线路，高低压局内变电站设备，柴油发电机组、整流设备、蓄电池、直流变换器和交流逆变器设备，以及各种交直流配电设备等。 第二节 通信设备对电源的要求 为了保证通信可靠、准确、安全、迅速，根据目前通信设备状况，供电设备应满足以下要求: 一(保障供电可靠 一般通信设备发生的故障影响面较小，是局部性的。如果电源系统发生故障常会造成整个电话局枢纽通信的全部通信中断。因此，平时应建立起对电源故障的应急措施，保证供电可靠。 为了保证通信可靠，必须有可靠的电源，电源设备的故障停电，或瞬间断电都是不允许的。例如市话局直流电源瞬间停电，将使机件全部复原，所有通话中断。又如，常常由于电源瞬间停电早成传真机所传画面出现缺损，电码数字通信错乱丢失。 保证供电可靠，要在和维护两方面来宾实现。其一是要求市电可靠，尽量采用两路供电，一路主用电与一路备用电。其二是交流和直流供电都应有备用设备。从维护方面来讲，操作和使用必须正常无误，经常检修预防故障，确保可靠供电。 3 二(保证供电电压稳定 各种通信设备都要求电源电压稳定，不允许超过容许的变化范围。尤其是计算机控制的通信设备，数字电路工作速度高，集成电路的工作电压较低，对电压波动，杂音电压，瞬变电压等非常敏感。对于普通的通信设备，如果电源电压过低，通信设备不能正常工作;电源电压过高，会损害通信设备中的电子元器件。特别的直流电源电压中的脉动杂音必须低于允许值，否则，对长话、市话、微波及传真通信质量影响很大。 交流电源应该具有良好的正弦波形，市电的谐波成分应不超过1%，而对柴油发电则要求谐波成分不超过10%，否则影响整流器输出稳定度及其他设备的稳定工作。交流频率的变动范围:市电为50HZ?1HZ，柴油发电机则应小于50HZ?2~3HZ。 三(提高电源设备的效率 为了节约电能，必须提高电源设备的效率。在保证供电质量的前提下，要尽量降低设备的费用，近年来，出现了各种类型的开关稳压电源，大大提高了设备的效率;另外，在高层通信大楼中，直流电源开始采用分散供电方案分层供给，这样，不仅可以节省大量的馈电线，而且还可以节约大量的电能。 四(要求设备小型化 随着集成电路的迅速发展和运用，通信设备向小型化、集成化方向发展，电源装置也必须实现小型化、集成化，以便适应现代通信供电系统的改革。此外，为适应移动通信、卫星通信、航天通信、系统的电源只能体积小、重量轻。 另外，在通信电源系统中，电信时直流电源需求的基础电压常见的有:24V、60V，48V等。对这些基础电压指标如下: 1(-24V:电压范围21.6~26.4V;脉动电压为2.4(mv)。 2(-60V:55~66(V);脉动电压2.4(mv)。 3(程控数字交换机的基础电压，各国都统一在-48V，但电压范围不同 。大多数国家基础电压范围较宽，不用调压装置即可。部分程控交换机的直流电压指标为: (1)S-1240:38.4~56.5(V)允许误差系数0.19。 (2)ESWD:44~58V。允许误差系数 0.14。 (3)AXE—10:41.5~54(V)，允许误差系数0.13。 (4)NEAX-61E:43~58(V)，允许误差系数0.15。 (5)FETEX—150:45~53(V)，允许误差系数0.08。 (6)SESS(美国):42.75~53.5(V)，允许误差系数0.10。 (7)ELOB(法国):41.7~54.4(V)，允许误差系数0.13。 (8)DX200(芬兰):40~58(V)，允许误差系数0.13。 第三节 通信电源供电系统方框图 4 通信电源的供电系统方框图如图1-1所示。通信局、站电源设备的交流电源，是由电网上的交流市电供给的。为了减少电能的损耗，交流电都采用高压输送输入电信局、站时，必须建立降压变电站，一般将10KV高压降至380/220V低压。 由于各局、站的等级不一样。一般较大的局、站有两个或两个以上的电网引入，其中通信设备及保证供电设备，接入可靠程度较高的电网系统;一般办公楼，生活用电等非保证供电。可接在可靠性较差的供电系统上。用电量较少的局、站，如市电稳定可靠，可不设置降压变电站，直接以380/220V低压进线。如果局、站一路高压进线，一路低压进线，则高压进线为主用电源，低压进线为备用电源。 图1-1 通信供电系统图 油机发电机组是一种备用电源。安装在油机室内，在市电停电时启动工作，保证交流电不中断。一般电力室都配备两台或两台以上的油机发电机组。 通信设备所需直流电源，通常是通过换流设备(整流器)供给的。常用各类换流设备一般不少于两台，以便轮换使用。 电力室除设有换流设备以外，还有交直流配电屏，进行交、直流电源的配电，集中控制、测量、保护、告警等。 电力室还必须配备蓄电池，安装在电池室内。它一方面可以和整流设备并联供电，起到平滑滤波作用，另一方面市电停电时，油机发电机组还没供电以前，保证向负载供电。一般每一组电压配备二组蓄电池。对于电压高、容量小的直流电源，为了减少电池种类和维护量，采用直流—直流变换器获得。 以上电源设备，用符合规定容量的导线把它们依次连起来，组成通信电源供电系统。 5 第四节 通信电源供电系统的技术指标 一(基础电压指标 决大多数数字通信供电系统的基础电压为-48V，也有少量的-24V等。这种负性基础电压，是指电源正馈线接地，做为参考电位零伏，负馈线接地熔断器后，与机架电源连接。 基础电压范围内的工作电压三种:浮充电压、均充电压和终止电压。在通信电源供电系统中整流器和蓄电池并接于电力馈线上，当市电正常时，由整流器供电，同时给蓄电池微小的补充电流。这种充电方式称为浮充，这一过程中整流器输出的电压称为浮充电压。为了使蓄电池储存足够的容量，按需要升高浮充电压，使流入电池的补充电流增加，称为均充工作过程， 这一过程整流器输出的电压为均充电压。 一旦市电中断，整流器不工作，蓄电池单独向负载供电，蓄电池放电允许最低值，称为终止电压。基础电压的下限是蓄电池的终止电压。 二(杂音电压指标 由于数字通令设备，采用了大量集成电路，它们对各种频率的干扰信号比较敏感，加之整流电压的脉动分量，三相交流电源的不对称性及其他用电设备对电网的干扰，使整流设备输出的直流电压不可能很纯净，必然包含有杂音电压(即直流电压中的脉动成分)。所以对整流设备提出了如下几种杂音电压要求: 1(电话衡重杂音电压 对于电话通信来说，需应用电话衡重杂音的概念，这是因为脉动电压的各次谐波必须通过耳机或人耳者能构成可听杂音，而耳机和人耳对不同频率声波的响应(或灵敏度)是不同的。例如人耳对800—1200HZ的声音最敏感，而对其他频率则较为迟钝。为了反映人耳对 不同频率所感觉的响试的差别，国际上统一将800HZ杂音电压为标准值，其他频率的杂音电压值等值为800HZ的电压值后，取其均方根值。60V整流器的电话衡重杂音为小于2MV。 2(峰—峰值杂音电压 它是指叠加在直流输出上的交流分量峰值。如市频开头电路中幅度较大的针状脉冲，能使逻辑电路误动作。国际规定，在0—300HZ范围内峰-峰值杂音电压小于400MV。 3(宽频杂音电压 不同频率的杂音电压有效值的均方根。分为两个频段，3.4-150HZ，宽频率杂音电压小于100MV，0.15-300MHZ，宽频杂音电压小于30MV。 4(离散频率杂音电压 6 指3.4—30HZ频段中任一频率的杂音电压有效值分为4个频段，3.4HZ-150HZ范围内杂音电压小于5MV，150-200KHZ范围内杂音电压小于3MV，200-500KHZ范围内杂音电压小于2MV，0.5-30MHZ范围内杂音电压小于1MV。 第二章 贮能设备 7 第一节 铅酸蓄电池 一(蓄电池的用途和分类 (一)用途 蓄电池是通信电源系统中，直流供电系统的重要组成部分。由于它是一种电压稳定、安全方便，不受市电突然中断影响，安全可靠的直流电源，因此，一直在通信系统得到了十分广泛的应用。浮充供电、直流升压、事故照明、信号指示、遥控、遥供、油机发电机组和汽车等的启动点火等都离不开蓄电池。近年来，更因为交流不间断电源和太阳能电池供电系统在通信部门中的推广使用，作为储能装置的各种蓄电池在通信电源中的地位日益提高。蓄电池在邮电企业中的重要性越加显明。 (二)分类 1(按不同用途和外型结构分有: (1)固定型蓄电池，它又分为开口式、封闭式、防酸隔爆式、消氢式等。 (2)移动型，它有分为汽车启动用、火车用、摩托车用、船舶用、电瓶车用等。 2(按极板结构分为涂膏式(或涂浆式)、化成式(又称形成式)、半化成式(或半形成式)、玻璃丝管式(或叫管式)。 3(按电解质的不同分为: (1)铅酸蓄电池:以酸性物质作为电解质，如现在邮电企业广泛采用的蓄电池，大都属这类。 (2)碱性电解质电池:以碱性物质作电解质，但电解质并不消耗，仅完成导电的作用。实用的有铁镍蓄电池、铬镍蓄电池和银锌蓄电池等，都适应大电流放电，特性优于铅蓄电池。 二(蓄电池常用的几项技术指标: (一)电动势与端电压 当为电路断开即没有电流通过电池时，在正、负极间的电位差，叫做电池的电动势。电动势是引电池内外电路中产生电流的原动力。 电动势以伏特计，可用具有较大内阻的直流电压表测定而达到一定的精确度，如需要更准确的数据，需用电位计测定。 电路闭合时，电池两极的电位差叫做电池的电压，或叫做端电压。蓄电池的端电压在充电和放电过程中，由于电流通过的方向不同，蓄电池内阻(r)上降 )低于蓄电池的电压的方向不同，因此端电压也不同。在放电时，端电压(U放 动势(E)。充电时，端电压()高于蓄电池的电动势(E)，其关系是: U充 8 U,E,IR,放放 ,U,E，IR充充, (二)安时容量 蓄电池的容量就是指蓄电池的蓄电能力，通常以充足电后的蓄电池放电到规定终了电压所能供应的电量叫做电池的容量。蓄电池都采用一定电流连续放电，电池容量C(安时)用下式计算: C,I,t(A,h)放放 式中，为放电电流，为放电时间( h)。 tI放放 如果放电电源不是常量是，那么蓄电池的容量为不同的放电电流与时间的乘积之和，即 C,It，It，It，？？112233 t,(I，I，I，....，I)dt13n,0 (三)蓄电池的效率 1(电量效率(安时效率) 输出电量与输入电量之比，叫做蓄电池的电量效率，也称为安时效率。 CIt放放放 电量效率(,),，100,,，100,CIt充充充 式中和分别为放电和充电容量(安时)。 CC充放 2(电能效率(瓦时效率) 输出电能与输入电能之比 ，叫做蓄电池的能量效率，也称瓦时效率。 UCIt放放放放 电能效率(,),，100,,，100,UCIt充充充充 式中，和分别为平均放电和充电电压(伏)。 UU充放 (四)蓄电池的自放电率 蓄电池充电后在断路状态和指定的环境温度下搁置，由于电池的局部作用而造成电池容量的消耗，容量损失与搁置前的容量之比，叫做蓄电池的自放电率。 C,C12 P,，100,C1 式中，C为搁置前放电容量(安时)， 1 为搁置后放电容量(安时)， C2 P为自放电率(%)，即在指定的温度下，每若干昼夜的自放电率为多少(%)。温度较高时，因为局部作用所消耗的容量较快，所以自放电率百分数要 9 大一些;在充电后搁置第一第二昼夜的自放电率最大，以后逐渐减少。 (五)蓄电池的使用寿命 蓄电池每充电、放电一次，叫做一次充放循环。蓄电池在保持输出一定容量的情况下所能进行的充放循环次数，叫做蓄电池的使用寿命，这是蓄电池的主要性能指标之一。 第二节 铅酸蓄电池的工作特性 铅酸蓄电池充电时，要加多大电压才能是电极上反应顺利进行,理论上认为只要电源电压稍大于电动势即可。实际上所需外加电压总是较大的。其原因是由于极化作用。极化作用产生的因素主要是浓差极化、化学极化和电液的内阻。一般把由于电流流过使电池电极电位偏离电极电位的现象，称为电池的极化，此时的电极电位称为过电位。 另外，铅酸蓄电池在充电是，特别是过充电时，有大量的氢气和氧气析出来。铅酸蓄电池在静置不工作时，由于电池中杂质的存在，也会产生氢气和氧气。 本节主要讲述铅酸蓄电池的端电压和容量的特性。 一(铅酸蓄电池的端电压 (一)放电率与充电率 一般常用时间的长短，来表示放电电流的大小(即放电速度)称放电率。例如10小时放电率就表示，用这样的电流放电，10小时可以放出的额定容量。通常额定容量用字母“C”表示，因而10小时放电率表示为，10小时率的放电C10 电流是: Ifd C I,,0.1Cfd10 固定型铅酸蓄电池的额定容量是按10小时率设计的。同样，20小时率表示， C用这样的电流放电20小时可以放出的额定容量，表示20小时放电率，即C2020或表示20小时率的放电电流值。 0.05C10 常用充电时间的长短来表示充电电流的大小，称为充电率。例如10小时充电率，即用该电流充电，10小时使电池达到的额定容量。如用5小时率充电，即充电5小时，电池达到的额定容量，当缩短时间时，充电电流必须增大。 (二)充电过程中端电压的变化 铅酸蓄电池充电电路如图2―1所示。 10 以一定的充电电流，对电池充电，每隔一段时间，将每个电池的端电压测量 -2是一出来，绘制成曲线，就能看出，每个电池端电压与时间变化的关系。图2只良好的铅酸蓄电池，以值充电，端电压变化的曲线。 0.1C10 曲线oa段为充电前期。在一段很短的时间里，端电压陡升，约从2.06伏增至2.18伏。此时，正处于充电前期，浓度极化作用和电化学极化作用都比较大，因而电池正极电位迅速往正方向移动，电池负极电位迅速往负方向增加，所以电池端电压迅速升高。同时，电流通过电池后，由于内阻极化作用，还要近一步升高电池端电压，由于以上因素，导致OA段曲线坡度变化大。 曲线ab段为充电中期。在这一段很大的时间里，端电压上升是很缓慢的，约从2.2伏升高到2.3伏。此端电压的变化从浓度极化的影响来看，曲线是在恒定电流的情况下作出来的。因此，电极反应速度及电迁移速度是一定的，只须考虑扩散速度的影响。充电初期，随着电极附近电液浓度的增加，扩散速度增大(但总是小于电极反应与电迁移的综合速度)。到充电中期，离子扩散速度增加到与电极反应，电迁移的综合速度相等之后，电极表面附近的电液浓度与大体溶液浓度约相等，此时浓度差很小，因而浓差过电位小。此端电压变化从电化学极化影响看:正极活性物质不断从变成，而二氧化铅表面积是大于硫酸铅的pbsopbo42 表面积的，因而增大了电极反应的真实表面积。同样，负极由于有效物质pb不 11 断增多，也增大了反应的真实表面积。结果使电化学极化作用只略有增加。从电池内阻变化极小。所以内阻极化的影响变化不大。综合以上诸原因得出:ab段内变化是平坦的。 曲线bc段，为充电的后期。在不长的时间内，电池端电压变化快，从2.3伏增为2.7伏左右。在这段时间里，虽然由于电极表面反应，已使电极孔内外电液比重增加到接近了额定值，离子扩散速度已不发生影响，所以此时浓差极化电位可以看作定值，而电化学极化，与电池内阻极化电位也几乎没有变化，但是由于电池充电到2.3伏以后，氢气和氧气的数量猛增。由于此种影响，将使电池端电压陡增。氢气是在电池负极产生的，氧气是在电池正极发生的，实验证明:氢气在负极发生的过电压，使负极电位向负方向增加;氧气在正极上发生的过电位，使正极电位向正方向增加。因而电池端电压迅速升高。当端电压升高到2.6伏之后(曲线中C点之后)，电极有效物质已完全恢复，电池电流全部用来作为水的电解。氢气和氧气在电极反应的速度近一步增大，其过电位的影响也进一步变大，所以电池端电压继续升高。当电池端电压到达2.7伏之后，由于氢氧气体在电极反应的速度已到达稳定值，则其过电位不在升高，因而若继续再充电，电池端电压不再变化。 曲线中d点之后一段，表示充电停止，中断充电电源，端电压很快下降，直降到2.06伏左右。原因在于，电流中断，极化作用已不存在，各种极化过电位要降为零，此时电池的端电压即为开路电压。 充电率的改变，即充电电流的不同，铅酸蓄电池开始电压(指曲线中ab 段)，终了电压(指曲线中cd段)都会不同。这是由于各种极化作用产生的过电位。都与电池电流密度有关。如用大电流充电，充电终了提前到达，所以端电压比正常充电电流时要高;若用小电流充电，充电是端电压要比正常充电电流时的端电压小。 (三)放电过程中端电压变化曲线 铅蓄电池放电电路如图2—3所示。 规定一定的放电电流进行放电，在每一段时间里，将每一个电池的端电压测试记录下来，绘制成曲线，就能看出放电过程中，端电压与时间变化的关系。图 12 2-4是一只良好的铅酸蓄电池，按10小时率放电绘制成的端电压变换曲线。 图2-4 铅酸蓄电池放电时端电压变化曲线 图中oa段，时间短，电压降低快，其原因仍然属于浓度极化，电化学极化，及电池内阻所产生的过电位所造成的影响。在放电初期，放电时间还很短，电极外边电液浓度迅速增加，但总是小与电极反应与电迁移的综合速度。所以电极表面附近电液浓度仍然继续降低。使负极电位往正方向变化。而正极电位往负方向变化。自然降低电池电动势。从电化学极化来看。放电开始。由于负极氧化反应速度逐渐增大，而使电极电位往正方向移动。由于正极还原速度增大，而使正极电位往负方向移动，结果又降低。 曲线ab段，表示在一段很长的时间里，端电压降低不快，(从2-1.9伏)，曲线平坦。放电中期，从浓度极化来看，由于电极反应速度及电迁移速度是一定的。因此电压变化的快慢，仅决定与硫酸量补充的快慢，即扩散速度的大小。随着放电的进行，电极表面附近的电液浓度继续降低，使扩散速度继续增大。当扩散速度等于电极反应与电迁移的综合速度是，消耗了多少硫酸分子，就会有多少硫酸分子从大体溶液中补充过来。这样，电极细孔中的电液浓度，暂时维持不变，因而电极电位在这段时间内保持不变，从电化学极化来看，随着反应的进行，负极氧化速度越来越大，还原速度愈来愈小。最后负极将有净氧化速度进行作用，正极将由净的还原速度进行，使电极电位也无多大变化。次过程中电池内阻也近似与定值。综合上述各点，于是电池端电压变化平稳。 曲线bc段，表示放电后期。端电压降低很快(从1.9~1.8V)，因充电后期，电极附近电液浓度降低到最小的数值，扩散速度已不起作用，因而使有效物质细孔内的硫酸分子突然减少，使负极电位往正方向迅速变化，正极电位往负方向迅速变化。另外，在放电后期，由于正、负极都产生了大量的硫酸铅，由于其表面积小与二氧化铅与铅的表面积，所以使正、负极电极反应的表面积减小。同时使扩散截面也变小，反过来也加剧了浓度极化。结果使负极电位往正方向迅速变化，而正极电位从负方向迅速变化。 所以，放电后期化学极化的影响是很大的。此外，放电后期，由于电极数量增多，而增大了电池内阻，使内阻极化作用pbso4 13 也加大。基于以上各点，所以电池端电压降低很快。 电池放电到d点之后，若继续放电，电池端电压便急降。电池的这种使用是不允许的，它将影响电池的使用寿命，因为放电后期，由于数量已很多，pbso4使电极反应表面积减小很多，如果还要放电，生成的数量更多，电极反应pbso4 的表面积更小，细孔内的硫酸已经更难补充，当然电极电位变化加大，致使电压骤降。最后，到有效物质细孔被堵住后，电池的硫酸无法进入细孔，使电极反应终止，电池端电压也降到了最低数值。 所以通常把10小时率放电电压到1.8伏作为终止电压。越过1.8伏之后，电池的端电压变化幅度很大，很易造成深放电。 放电率改变时，蓄电池的端电压与终了电压都要改变。终了电压是指铅酸蓄电池以某一放电率放电，允许的最低电压值。以大电流放电，电池开始电压和终了电压都相应地低于小电流放电时的数值。其原因是浓度极化。化学极化和电池的内阻作用变大，是电极电位改变的幅度增大。增大电流，电极反应速度加快，硫酸分子消耗变快，往往使扩散作用跟不上。又由于此过程中生成的体积pbso4比正常时大，使得反应面积较正常的为小。 放电终了切断电路，电池端电压又将恢复到2.06伏左右，因为各种极化作用是随着电流的中断而终止的。 二(铅酸蓄电池的容量特性 “容量”是指电池蓄电的能力:以该电池放电至终了电压放出的电量大小来表示其大小，铅酸蓄电池的容量与电池结构材料，与使用中的工作条件都有关系。 影响铅酸蓄电池的容量有下面几个因素。 (一)活性物质质量的影响 电池实际放出的电量要小于理论容量。因为它与有效物质的利用率有关。因为活性物质不可能全部反应。“利用率”是指已反应部分占全部之百分比。因此，实际放出的容量是理论容量与利用率的乘积。活性物质确定之后，其他因素对容量的影响，就是对利用率的影响。 活性物质的利用率，随极板减薄而增大。因为对相同重量的活性物质，需要的极板片数要增多。这相当于扩大扩散面积，缩短扩散距离。因而扩散速度加快，浓度极化减轻。同时因为反应面积增大，电化学极化也减少，所以端电压下降速度减慢，容量增加。 活性物质的利用率还与孔率有关:一方面孔率大，扩散容易，容量提高。但另一方面孔率过大，将是活性物质数量减少，容量会相反下降。所以合理的孔率，在正极板通常为55%，而负极板通常为60%左右。 活性物质的利用率，与活性物质真实表面积也是有关的。因为，有效物质颗粒愈小，表面积就愈大，则离子扩散截面积与电极反应面积都增加，浓度极化与电化学极化都会减少。 (二)放电电压的影响 铅酸蓄电池放电时，电池端电压要降低。当降到终止电压时，放电即终了。 14 因此，电池的容量与端电压降低的快慢有密切关系。因而若能做到浓度极化小，点化学极化小，端电压降低就慢，从而电池容量相应会增高。 终止电压系按实际情况规定。小电流放电时，终止电压高些;而大电流放电时，终止电压低些。因为小电流放电，极化作用影响小，曲线平坦部分延伸很长。到终止电压后，如果还继续放电，则电压急剧下降。 (三)放电电流密度的影响 固定式铅酸蓄电池，额定容量采用10小时率电流值，若放电电流值大于此规定值，则电化学极化与浓差极化都增大，消耗溶液中硫酸速度加快，使电极表面溶液浓度降低。由于扩散速度跟不上，又使浓度极化增加，所以电池电压很快降低，容量不能正常发挥。另外，由于硫酸不能及时扩散引有效物质细孔中去，是硫酸铅堵塞孔道，减少有效物质的得利用率。 (四)电解液温度的影响 铅酸蓄电池若在低温环境中工作，电液扩散能力变差，粘度增加，电池内阻也增加。因而使得电池容量降低。相应的提高电池工作温度，将减少极化的作用，而使得电池容量相应增加。 制造厂家所规定的电池容量，称为保证容量，是以25?时的电液为标准，从实验测出，当电解液的温度在10~35C范围内，每升高或降低1?时，电池容量将增大或减少其保证容量的0.8%。 (五)电解液浓度的影响 铅酸蓄电池的容量，通常系随着硫酸电解液浓度的变化而变化。极板细孔中的电解液浓度，确定铅酸蓄电池的工作电压和输出容量。因为电解液的浓度，决定电极电位的变化，影响着电液扩散速度和铅酸蓄电池的内阻。实验证明，铅酸蓄电池的容量系随硫酸电解液浓度增加而增大，且成直线关系。然而，若电解液浓度过大，将使电解液粘度增加，反而增加了电解液的扩散，降低了铅酸电池容量的输出。 第三节 铅酸蓄电池充电和放电方法 一(恒流充电 充电过程中，充电电流自始至终不变，叫做恒流充电。 恒流充电的优点是在条件许可下，可以采用较大电流充电，从而缩短充电时间，但是在充电后期，冒气多，耗费电力多。同时极板活性物质要变得疏松，对电池寿命不利。 常用的是改进恒流充电法，即蓄电池在充电初期用较大电流充电;当蓄电池端电压上升到2.4~2.5伏时，改用较小的电流充电.正常充电的电流及充入的电量列表于2-1，也可以使用厂家规定的数据。 15 铅酸蓄电池正常充电和充入电量 -1 表2 充电电流 充入电量为上次 电池类型 放电量的倍数 第一阶段 第二阶段 0.1C0.05C固定型电池 1.3,1.4倍 1010 0.1C0.05C起动型电池 1.2,1.3倍 1010 0.14C0.07C蓄电池车电池 1.3,1.4倍 55 铅酸蓄电池充电终了，可按下列几个指标判定: 1(固定型铅酸蓄电池充电终了端电压为: 2.6~2.75V(管式为2.6~2.8v)三小时以上不变，移动式铅酸蓄电池充电终了端电压在2.4~2.6伏三小时以上不变。 2(固定型铅酸蓄电池比重到1.215~1.220(15?)连续3小时不变。内燃机启动用电池比重到1.26~1.28(15?)三小时以上稳定不变。 3(极板上下均匀发生气泡，停充一小时后用0.1C10再充时，10分钟内剧烈冒泡。 4(充入电量为上次放出容量的1.25~1.43倍。管式正极板，因其有效物质比额定容量所需的有效物质多，所以充电时间要适当延长。 二(恒压充电法 铅酸蓄电池在充电过程中，充电电源电压始终保持一定，叫做恒压充电法。 电池利用恒压法充电时，其电流。 U,E I, R 其中 U——被测电池的端电压 E——被测电池的电动势 R——充电电路中内阻。 以上式中可看出:充电开始时，由于电动势小，所以充电电流很大;充电中期和后期，由于电池极化作用的影响，正极电位变得更高，负极电位变得更低，所以电动势增大，故充电电流减少。 这种充电方法优点在于，一是电解水很少，二是可避免充电后期的过充电。其缺点是:充电开始时，电流很大，正极活性物质由变成或pb时体pbSOpbO42积变化收缩太快，影响活性物质的机械强度。此外，充电末期，由于电流过小，使极板深处的不易反应，形成长期充电不足，影响电池的使用寿命。 pbSO4 三(低压恒压充电技术 (1)蓄电池的寿命 根据蓄电池充放电的化学方程式 16 可逆原理，电池是用之不尽的，但实际电池是有寿命的。 a. 充放电循环次数与寿命的关系 从方程式可以看出在放电过程中正负极板分别由和pb变成，对于每pbOpbSO24个分子是膨胀的过程，也是多孔性被堵塞的过程;反之，在充电时，是缩小的过程。这就电池经过一次充放电，极板体积就经过一次膨胀与收缩的动态变化，就会使一些有效物质从极板栅中跌入槽内，极板有效面积因而减少，电池容量相应减低，从而说明电池的寿命与充放电循环周期有关。 b. 硫化与寿命的关系 由于电池放电后不及时充电，使一部分有效物质不能用一般充电方法使其还原，而形成硬化的硫酸铅(硫化)，减少了电池的容量，当硫化达到一定程度时，电池寿命也就告终。 总之，如果维护工作正常，电池的寿命主要决定于充放电循环周期。 (2)浮充制 浮充制是指整流器与蓄电池并联供电与负载，如图2-5所示 当交流电正常供应时，负载电流由交流电经整流后直接供电于负载，蓄电池处于微电流(补充其自放电所耗电能)充电状态;当交流停供时才由蓄电池单独供电于负载，故蓄电池经常处于充足状态，大大减少了充放电循环周期，延长了电池寿命。 (3)低压恒压充电技术 所谓低压恒压充电，即过去传统的恒压充电法，但其不同点是，将蓄电池电压降低在2.3v/只左右。它的主要优点是因充电电压恒定不变，充电电流随着电 17 池反电势上升而下降，故到充电终期电流非常小，因而被分解的氢氧气体和酸雾较少，节省蒸馏水和电能，减少维护工作量，改善了工作环境。 目前国内外所指的低压恒压充电，实际上是低压恒压浮充电，因为它的最高电压限制在2.3V/只左右，所以可以带负载在线充电。关于低压恒压充电端电压的选择，各国并不一样，见表2-2。 各国交换机电源的浮充及充电电压 表2-2 国家 法国 美国 日本 英国 德国 澳大利亚 瑞典 比利时 浮充(V/只) 2.2 2.17 2.16 2.27 2.23 2.17,2.2 2.18,2.22 2.23 均充(V/只) 2.25 2.26 2.26 2.27 2.33 2.33 2.35 2.35 (4)关于浮充电压的选择 蓄电池浮充电压的选择是对电池维护得好坏的关键。如果选择得太高，会使浮充电流太大，不仅增加能耗，对于密封电池来说，还会因剧烈分解出氢氧气体而使电池爆炸。如果选择太低，则会使电池经常充电不足而导致电池加速报废。 图2-12中，是蓄电池的浮充电压，由整流器稳压方式提供(稳压精度UAB 必须达到,1%);为蓄电池充电电流，主要是补充蓄电池的自放电;由于蓄电Ic 池处于浮充(充足)状态，和基本不变，对于开口型电池，因电解液由各rE2o2 使用单位自行配制，故充电开始有所差异。对于阀控式密封铅酸蓄电池，出厂时已成定值，为此 6%U,EC，2ABH I,,c24r2o 式中，为蓄电池组额定容量;6,为电池一昼夜自放电占额定容量的百分比，CH 则 6%C，H U,E，Ir,E，rAB2co22p224 由此可见，浮充电压应按电池的容量，质量(自放电的多少)而定，而不应千篇一律，照抄国外或沿用老资料，特别是阀控式密封铅酸蓄电池起自放电很小，故可降低浮充电压。 对于阀控式铅酸密封蓄电池，因电解液，隔离极板均由厂家出厂时密封为定值，故应增加一个自放电的指标。 四(铅酸蓄电池的放电 铅酸蓄电池的放电方法有两种，一是对负荷实际供电。供电时间，供电电流都随负荷变化而变化，二是人工负荷法。这种放电往往是用来检验电池特性而使用的，通常以恒流方式进行。人工负荷放电的方法常见的有:电阻法、水阻法、放电机放电法。不管负荷放电，或人工放电，都不能过放电，过量的放电，对电池质量影响很大。放电终了的判定，可以从下面几点为指标: 18 1(输出的容量相当于该电池在这种放电小时率的保证容量。 (电压已达到相当于这种放电小时率的规定值，即终了电压值。 2 3(固定型铅酸蓄电池，放电终了电压比重，应不低于1.170(15?)。 放电后期，端电压测量应改为数分钟一次，以防止电池过放电。 第四节 现代储能设备 一(阀控式密封铅酸蓄电池 阀控式铅酸蓄电池(VRLA)是70年代末国外首先研制生产的一种新型的蓄电池，目前在国外应用较广泛。VRLA主要有吸附式(AGM)和胶体式(GEL)两种类型。与普通的铅酸蓄电池比较，VRLA具有很多优点，例如:体积小，占用机房面积小;无可流动的电液，可以倒置，运输和安装方便;使用中不产生酸雾，气体，可以安装于通信机房;运行中无需维护。可以远距离监视蓄电池运行状态等等。因此，VRLA一投放市场就深受用户欢迎，其使用量逐年增加。据美国GNB公司报道，目前VRLA 每年销量占蓄电池总销量的60%。 传统的开口型电池，平时由于水的蒸发和充电终期的分解，需要经常补充蒸馏水。此外在充电终期，氢氧从负正极板冒出时将稀硫酸带出形成酸雾，污染环境，必须及时冲洗。这就给维护人员带来很大的工作量。阀控式密封铅酸蓄电池的正负极板与电解液和一般铅酸电池一样，但其具有如下特点 1(密封程度高，电解液呈凝胶状或被吸收在高孔率的隔离板内，不象开口型电池中的电解液那样可以自由流动，所以阀控式密封铅酸蓄电池可以横放。 2(极板栅采用少锑或无锑铝合金，自放电小。 3(正、负极板全被隔离板包围，有效物质不易脱落，使用寿命长。 4(由密封好，水分不易蒸发，加之采用阴极吸收法抑制气体产生，利用负极容量相对于正极容量过剩来吸收氧气，而氢气发生量也甚微，故毋需增添蒸馏水。 由于阀控式密封铅酸蓄电池具有以上特点，大大减少了工作人员对电池的维护工作量，故也被称之为“免维护蓄电池”。 但是，近几年人们逐渐发现VRLA的一些严重缺点，其中最突出的问是使用寿命 达不到广告寿命时间 。据国外专家分析，影响VRLA 寿命的主要原因是?正极板腐蚀，厂家一般按正极板腐蚀的速度估算VRLA 寿命，但实际腐蚀速度比设计速度快。?水分损失:按照VRLA 设计理论，VRLA不会有水分损耗，但实际上由安全阀开启时少量水分溢出，水蒸汽可以通过蓄电池壳体渗透溢出，正极板在腐蚀反应中也消耗水分，因此在目前的技术水平上，VRLA 电池水分损失是不可避免的，而水分损失后又无法补充， 19 VRLA 寿命问题已引起广大用户和有关厂家的关注，许多厂家致力于VRLA改进设计研究，采取了相应的措施，并宣布20年的寿命是可以达到的。但不少用户对VRLA 的信任度减弱。 据国外有关人士预测，今后五年内VRLA的使用量必将减少，但很少有用户愿意再继续使用普通的铅酸蓄电池。 我国电信部门使用VRLA 的时间不长，但近年来使用突增。我们认为，使用VRLA 要避免盲目性，对VRLA潜在的某些缺点要有足够的认识，做到心中有数，理智地应用VRLA，尤其要重视VRLA 的寿命问题，要充分考虑由于上述寿命问题引起的VRLA 有效容量降低的因素，选择蓄电池要留有一定富裕量，以确保供电安全可靠。 二(太阳能电池 利用太阳能作光源的电池，称为太阳能电池(光电池)。太阳辐射的大部分是光能。这种光能可以用光电转换器变成电能。光电转换器有二种:一种叫做伽伐尼电池，即光化学电池，这种电池目前正在研究中，它可以同时解决能量转换和储存两个问题;另外一种是光生伏打电池简称太阳电池。太阳电池最初用于人造卫星，宇宙飞船，星际站，天空实验室以及军事通讯等装置的电源。随着太阳电池成本逐渐降低，应用范围日益扩大，目前已用于收音机，电视机，无线电收发报机，电视差转机，气象观测，通讯中断装置以及航标灯、铁路信号灯等方面。 太阳电池的材料有硅、硫化镉、砷化锡、碲化镉等。其中硅太阳能电池已作为人造卫星的主要能源。硅太阳能电池的生产技术较为成熟，光电转换效率较高，是太阳能电池中生产量最大的一种。 (一)硅太阳能电池的结构和工作原理 硅太阳能电池是,―,结型半导体器件结构如图,,,。 20 ,,,结位于与受光表面平行的平面内，,,,结越薄，复合损失越小。为了提高太阳能电池的效率，上电极(负极)采用栅状结构，以缩短载流子经过,层的距离，减少,层电阻。另外，在受光面上，还蒸发或溅射了一层很薄的天蓝色一氧化硅膜。该膜具有反射作用，因此通常称为减反射膜。此外，一氧化硅膜还能增加光的透射率，所以有称为增透射膜。增透射膜能使电池对有效入射光的吸率达,,,以上，使太阳电池的短路电流以增加,,,,,,,。 众所周知，,,,结在光照射会产生电动势，这种效应叫做光生伏特效应。硅太阳能电池就是根据这一效应制成的，如图,,,所示。 21 当P-N结处于平衡状态时，在P-N结处有一个耗尽层(又叫空间电荷区)，其中存在势垒电场，该电场的方向由N区指向P区。当阳光射到P-N结区时，硅原子受光激发正电子——空穴对，在势垒电场的作用下，空穴流向P型区，电子流向N型区，因此N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，结果P-N结附近形成与势垒电场方向相反的光生电支势。光生电动势的一部分抵消了势垒电场，另一部分使P区带正电，N区带负电，因P区与N区产生伏特电动势当外电Voc 即为光照时的短路电压;当外电路短路时，太阳能路开路时，光生伏特电势Voc 电池就会产生与入射光强成正比的短路电流。 (二)太阳能电池供电系统 根据负载不同，太阳能电池供电系统可分为直流、交流、直交混合供电系统三种。 (太阳能电池直流供电系统 1 太阳能电池直流供电系统由太阳能电池阵列、配电盘、储能装置和负载组成，如图2-8所示。 22 第五节 蓄电池的维护 一(蓄电池室的要求 阀控式密封蓄电池(以下简称密封电池)宜放置在有空调的机房(房间有定 ?，可不专设电池室。以下的要求是对防酸期通风装置)，机房温度不宜超过30 隔爆铅酸蓄电池(以下简称防酸式电池)室而提出的 1(室内同风良好，应有通风换气装置。 2(室内应有足够的照明。照明应采用密封防爆灯具，开关设在室外。室内地面，墙壁，天花板，门窗，通风设备等均应做防酸处理。 3(临街窗户应有安全保护设施。 4(室内应有上、下水设施和储酸间。 5(防酸是电池的室内温度应保持在5~35?，电池应避免受到阳光直射。 二(蓄电池的一般维护 (一)每组至少选2只标示电池，作为了解全组工作情况的参考。 (二)防酸式电池需经常检查的项目如下: 1(端电压，电解液的密度和温度。 2(极板有无弯曲、断离、短路损坏、脱粉、硫化。 3(电池槽有无渗漏，液面是否在规定的高度。 4(连接处有无松动，腐蚀现象。 5(电池架及防震架防酸漆有无脱落。 如具备电源集中监控系统，应通过电源集中监控系统对电池组的总电压，电流，标示电池的单体电压，温度进行监测，并定期对蓄电池组进行。通过电池监测装置了解电池充放电曲线及性能，发生故障及时处理。 (三)密封电池需经常检查的项目如下: 1(端电压。 2(连接处有无松动、腐蚀现象。 3(电池壳体有无渗漏和变形。 4(极柱、安全阀周围是否有酸雾酸液逸出。 如具备电源集中控制系统，应通过电源集中监控系统对电池组的总电压，电流，标示电池的单体电压，温度进行监控，并定期对蓄电池组进行检测。通过电池检测仪了解电池充放电曲线及性能，发现故障及时处理。 (四)防酸式电池和密封电池禁止混合使用在一个供电系统中，不同规格的电池禁止在同一直流供电系统中使用;不同年限的电池不宜在同一直流供电系统中使用。 (五)密封电池和防酸式电池不宜安放在同一房间内。 (六)防酸式电池的液面应高出极板上缘10~20mm，有液面上，下限刻度 23 的应保持在上，下先限之间，当低于上面要求应及时补加蒸馏水，并进行充电。 (七)防酸隔爆帽一年至少清洗一次，保持透气良好，有破裂的应及时更换。防酸隔爆帽和胶塞必须拧紧，避免漏气。 (八)电解液应符合规定要求，使用的硫酸和蒸馏水必须经过化验检查，其标准见附录3，4。 (九)调配电解液时应将硫酸徐徐注入蒸馏水内，同时用玻璃棒搅拌。严禁将水注入浓硫酸内。 (十)各类电解液密度的范围: 3防酸式电池:1.210~1.220g/ (25?) cm 3启动式铅酸蓄电池:1.280~1.300g/ (25?) cm 不同密度的电解液，硫酸和蒸馏水的配合比例见附录五。 三(蓄电池的充放电 (一)防酸式电池在使用前必须进行初充电 ，初充电应采用两充一放，宜采用低压恒压充电方法。 1(初充电程序如下: 3(1)灌注的电解液密度应低于规定值 0.01~0.015g/; cm (2)灌注的电解液其温度应低于35?，液面符合规定要求; (3)静置，是硫酸渗透到极板有效物质内部，当电解液温度下降到35 ?以下时进行充电，时间不应超过24小时; (4)初始可采用恒流充电，充电电流不大于0.2C，当充电电压达到2.35~2.40v/只时，转入恒压充电，直至终止; (5)全部 初充电时间为96~120h，充入的电量约为额定容量的两倍; (6)每小时记录电流和总电压一次。每2h记录标示电池端电压、密度、温度一次。每4h记录全组各电池端压、密度、温度一次。充电终止前要全面测量一次。 (7)充电终止时各电池端压差值应不大于0.10V，密度差值应不大于 30.015g/。 cm 2(充电过程中应保持电解液温度不超过40?，当电解液温度达到40? ，应采取降温措施。 3(初充电后，应做一次容量实验，第一次放电应能放出额定容量的80%。 (二)密封电池在使用前不需要进行初充电，但应进行补充充电。补充充电应采用恒压限流充电方法，充电电压应按说明书规定进行。一般情况下补充充电的电压和充电时间如下: 单体电池电压( V) 充电时间(h) 2.30 24 2.35 12 24 以上充电时间适用于环境温度25?，如环境温度降低则充电时间应延长;如环境温度升高则充电时间可缩短。 (三)蓄电池的充电: (防酸式电池组遇有下列情况之一时应进行充电: 1 (1)出现两只以上落后电池。 (2)放出20%以上额定容量。 (3)搁置不用时间超过一个月。 (4)全浮充运行达三个月。 (5)补充蒸馏水后。 2(密封电池组遇有下列情况之一应进行充电: (1)浮充电压有两只以上低于2.18V/只。 2)搁置不用时间超过三个月。 ( (四)蓄电池充电终止的判断依据: 1(充电量不小于放电量的1.2倍。 2(防酸式电池不同电解液温度和充电电压的充电终期电流应不大于下表数值并维持3h不变。 充电终期电流(mA/AH) 充电电压 (V/只) 10? 15? 20? 25? 30? 35? 40? 2.25 0.8 1.1 2.1 2.8 5.2 7 11 2.30 1.4 2.4 3.9 5.2 8.6 11 20 2.35 3 4.2 8.0 8.8 15.4 20 36 2.40 5.6 8.4 12.6 14.8 23 32.4 55 (五)蓄电池的放电: 1(每年应以实际负荷做一次核对性放电实验，放出额定容量的30~40%。 2(每三年应做一次容量实验。使用六年后宜每年一次/ 3(蓄电池放电期间，每小时应测量一次端电压，放电电流;防酸式电池应每小时测量一次标示电池的密度，放电停止前全测一次。 四(蓄电池的浮充运行 (一)全浮充制供电方式: 1(蓄电池平时均处于浮充状态。 2(蓄电池的浮充电压(25?)。 有人值守局、站:防酸式电池2.18 V /只或按说明书要求。 无人值守局、站:防酸式电池2.25V/只。 密封电池按说明书规定。 浮充是全组各电池端电压的最大差值不大于0.05V，密度差值应不大于 30.01g/。 cm 25 3(每季度应测量一次电池的端电压.防酸是电池每周测量一次标示电池的端 电压，电解液的密度和温度。 (二)维护周期表 周 项目 期 防酸式电池 密封电池 1. 全面清洁 1. 全面清洁 月 2. 测量各电池端电压、2. 测量各电池端电压和 电解液的密度和温环温度 度。 季 充电 充电 1. 清洗防爆帽 1. 检查引线及端子的接 2. 补涂电池架、防震架触情况，测量馈电母 耐酸漆 线、电缆及软连接压 3. 检查引线及端子的接降 年 触情况，测量馈电母2. 核对性放电试验 线、电缆及软连接头3. 校正仪表 压降 4. 容量试验(三年一次) 4. 核对性放电试验 5. 校正仪表 6. 容量试验(三年一次) 26 第三章 开关型整流器 开关型整流器，又称开关电源(Switch Mode Rectifier，缩写为SMR)，是采用高频半导体器件和PWM技术的一种新型的整流设备。开关整流器与传统的相控蒸馏器相比，具有体积小，重量轻，无噪声，效率和功率因数高，动态性能好等优点。80年代以来在国外应用十分广泛。目前许多国家电信系统新安装的整流器几乎全部是开关整流器。随着供电体制的更新和分散供电方式的广泛采用，开关整流器取代相控整流器已成为必然发展趋势。 国外开关整流器主要用语分散供电的基础电源，其单机(模块)容量一般为 48V或24V)，多台并联系统容量可达1000~3000A或更大。故开关整25~200A( 流器也可以用于集中供电方式。 开关整流器采用的半导体器件主要有双极型晶体管和场效应晶体管(MOSFET)。双极型晶体管开关整流器属于早期产品，但由于双极型晶体管的导通电阻低，损坏小，技术成熟，可靠性高，在国外至今仍然在使用，例如，法国电信分散供电系统中目前采用的开关整流器只有25A，75A两种规格，全部采用了双极型晶体管，变换频率为20KHZ，使用效率良好，场效应晶体管是目前比较理想的开关元件，因为开关速度快，驱动电路简单，在开关整流器中应用最多，但是场效应晶体管的导通电阻较大，导通压降较大，影响整机效率。目前国外电信电源中实际应用最多开关整流器是采用PWM技术的MOSFET 开关整流器，开关整流器发展趋势是想高频，大功率，智能化发展。现在澳大利亚，加拿大，日本等国家可以生产200A的MOSFET开关整流器(模块)而大多数发达国家生产的开关整流器均在200A以下，其变换频率均为50KHZ左右。 为了使读者能比较全面地了解开关电源，先介绍一些与开关电源有密切关系的基本知识—脉宽调制技术。 第一节 脉宽调制技术 随着电子设备的发展，特别是大规模集成电路的推广应用，要求电源设备具有容量大，效率高，体积小等优点。而相控整流器由分立元件构成，分布电容大，难于在较高频率下工作，设备中只能用(工频)50HZ变压器和滤波扼流圈，故体积较大。此外，它的电压调输部分是采用可控硅导通角来实现，即将变压器输出的全波按导通角的大小压缩成不同波形出，因而效率非常低，输出功率受到限制。 70年代，一种新颖的时间比率控制电源问世。这种电源具有体积小，重量轻，效率高，输出保持时间长等许多优良性能，适合于计算机及集成电路型电子设备的要求，从而受到人们的普遍重视，并得到迅速发展和广泛应用。 27 时间比率。控制电源按其控制方式不同，可分为脉冲宽度调制型，脉冲频率调制型和混合调治型等三种类型。其中以脉冲宽度调制型最为盛行，本节主要介绍脉宽调制型变换技术。 一(时间比率控制稳压原理 1(串联线性调整型稳压电源 图3-1是晶体管串联线性调整型 稳压电源的示意图。 输入电源 E与输出电压Ufz之间，串联一线性可变电阻RW ，则E与Ufz之间有下列关系: Ufz,E,IRwL 从上式看出，当输入电源E或负载电阻Rfz变化时，使随之变化，可以IL 调节线性可变电阻Rw来保持Ufz不变，这就是串联线性调整型稳压电源的基本原理。如果用晶体管取代图中的可变电阻Rw，并使其工作在输出特性的线型段，就成了串联线性调整型稳压电源。 这种电源的特点是输入电源向负载提供能量是连续不断的。 电压调整元件(串联的功率晶体管)的功率损耗: P,(E,U)ITfzL 可见，E和之间差值越大，则功率晶体管的损耗就越大，稳压电源的效益也Ufz 就越低。 2(开关型稳压电源 图3-2是开关型稳压电源示意图。 28 当K闭合时，输入电源E通过开关K和滤波电路给负载提供能量。当Rfz开关断开是，电源E中断能量的提供。可见，输入电源想负载提供能量不象串联线性调整型稳压那样连续，而是断续的，为使负载能得到连续的能量供应，可在电路A，B端加一续流二极管D。 在A，B端得到的电压平均值应为: UAB ton U,EABT 式中为开关每次接通的时间，T为开关通断的工作周期(即开关接通时间 和ton 关断时间之和)。 toff 有上式可见，改变开关接通时间和开关通断工作周期的比列，A，B间的电压平均值也随之改变。因此，当输入电压E或负载电阻变化时，可以调整tonRfz 与T的比例，使随之变化，以达到维持输入电压不变的目的。 UUABfz 这种利用接通时间和开关通断工作周期T的比例，亦即改变占(接通)，ton 空(断开)比的方法称为(时间比率控制)，(Time Ratio control 缩写为TRC)。 同样也可以用功率晶体管来代替图3-2中的开关K，不过用功率晶体管作为开关元件时，虽然也有一定损耗，但与串联线性调整型稳压电源相比要小的多，尤其是在输入电源电压和输出电压 之间差值较大时，更为显著。因此，开关型稳压电源有较高的效率。 三(时间比率的控制方法 上面介绍了关于用时间比例来控制输出电压稳定的基本原理，现在我们来研究一下，用什么方法来达到TRC的要求。 用晶体开关管取代开关K，就可运用一般电子电路所用的“闭合反馈环路”来实现自动调节。不过在这种电路中除了有检测比较，放大部分的电路外，还必须有将电压转换成脉冲宽度或工作周期的装置。根据以上不同的装置，TRC控制方式有以下三中制式: 1(脉冲宽度调制(Pulse Width Modulationn，缩写PWM)方式即开关周期不变，通过改变导通脉冲宽度来改变占空比。 (脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation，缩写PFM)方式，即导通2 脉冲宽度不变，通过改变开关工作频率，来改变占空比。 3(混合调制方式。是指导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，一般用于要求变化范围较大的实验室用稳压电源，当然成本比较高。 这种时间比率(TRC)控制型稳压电源的问世，被人们誉为“20KHZ 电源技术革命”。它可直接从交流市电经整流，以高频变压器取代工频变压器的TRC直流—直流变换器型稳压电源。是无工频变压器开关电源的主流，尤其是以PWM控制方式在目前最为盛行。 29 第二节 脉宽调制(PWM)型稳压电源 一(工作原理 图3-3是PWM 方式主电路的方框图。 由图3-3可以看出，输入端直接有市电电网经输入滤波器通过整流变为直流电源，再经逆变?整流?滤波向负载供电。它与常规的整流器相比，省去了直接接于电网的工频变压器，以逆变电路中的高频变压器(B1)取代，这就大大减少了变压器的体积和重量，同时也减少了工频变压器所产生的50HZ低频嘈音。 整个电路主要有两大部分组成，从电网将电能传递给负载的回路称为主电路，图3-3上虚线所框部分。主电路的主要功能是将工频电网交流电源直接引入，经输入低通滤波器和输入整流电路，获得一高纹波直流电压，作为功率转换电路的输入电压。输入低通滤波器的作用就是防止工频电网上的高频干扰进入稳压电源，同时 也起到稳压电源本身产生的高频干扰，反串进入工频电网。 高压开关晶体管、，高频变压器B1所组成的功率转换电路，有控制VTVT12 回路提供一对彼此绝缘，相位差为180?的矩形脉冲电压所激励，使、，VTVT12交替通断，将输入整流滤波电路送来的直流电压变换成高频矩形波脉冲电压。再通过高频变压器将电压升(或降)至所需的交流电压，然后经输出整流滤波电路获得负载所需的平滑连续的低纹波直流电压。各阶段电压的波形，分别标出在相对电路图的上方(图3-3) 另一部叫控制电路，由时钟振荡器(基准振荡器)，脉冲宽度调制器和检测放大电路等基本电路构成，其主要作用是:由输出端获得的取样信号，经检测比较放大后送入脉宽调制器变成脉冲宽度信号，经驱动电路将一对交替脉冲序列信号送至主电路高压晶体管、的基极来控制开关管导通的脉冲宽度以达到VTVT12 30 稳压的目的，由于这种稳压方式是通过调整脉冲宽度来完成的，所以称为脉宽调制型(PWM)稳压电源。 二、PWM型稳压电源的特点 (体积小、重量轻 1 因为用高频变压器取代笨重的工频变压器，所以体积，重量大大减少。 2(效率高 由于采用开关控制来稳定输出电压，高压开关晶体管的功率损耗比串联线性调整性稳压电源小。再者，从电网直接整流获得高压，在功率输出相同的条件下，控制电流小，因此，衰减小，效率高。 效率的提高，不仅为电源和电子设备的 散热设计带来了方便，更主要的是能源的节约。在今天效率的提高将被视作十分重要和可贵的特性。 3(适应性强。 串联线性调整型稳压电源功率晶体管的功率损耗将随输入电源电压和输入电压之差的增大而增大 ，因而不能适应输入电源和输出电压变动大的场合。同时，因为有低(工)频变压器，因此，对电网的频率非常敏感，对于有些适用与中频(400~1000HZ)范围工作的电源将无法在50HZ电网上工作。 PWM型稳压电源高压开关晶体管工作在开关状态，其功率损耗基本上不随电网电压和电源输出的电压的变动而变动，只要脉冲宽度调节范围许可，它可以工作在电网和输出 电压变动幅度较大的场合。由于没有工频电源变压器，对电网频率的变化也容易适应。 4(可防止过电压的危害 串联线性调整型稳压电源，尤其是串联开关型稳压电源，输入电源电压和输出电压的差值大，一旦串联功率晶体管击穿损坏时，将会输出过电压危及负载。PWM型稳压电源在高压开关晶体管损坏时(无论是断开或击穿)，主回路将停止工作，没有过电压输出，由控制电路故障引起的输出电压上升，由于速度较慢，过电压保护电路可以在其上升到危险电平(根据负载要求确定)前将电源切断，对负载提供充分的保护。 这一特点，对于像集成电路那样对过电压比较敏感的负载而言是非常有利的，这也是该电源所以能得到广泛应用的原因之一。 5(输出电压保持时间长 由于输入电压高，电容储存的能量大，再加上能适应输入，输出电压范围大的特点，因此，当工频电网突然掉电时，在额定负载条件下，输出电压能保持在额定值的时间长，一般可过20 ms以上，这就便于电子计算机实现信息保护。例如:计算机可以在10ms内检测出交流断电信号，然后用5ms时间进行处理，将数据保存起来，以便在下次来电时继续运算。 6(输出电压、电流可以互补 因为这是一种功率转换装置，当同一功率转换时，如果输出低电压，则输出电流可以增大，因此，象集成电路那样要求提供低电压，大电流的场合正好适合。 31 综上所述，PWM型稳压电源非常适宜于采用集成电路型电子设备的主机功率源，因此可以说，它是一种颇为理想的大功率稳压电源。 其不足之处为: (电路复杂、元器件数量多 1 串联线性调整型稳压电源的控制部分只有一个放大器，PWM型稳压电源除放大器外，还有振荡，调制，分频等电路，同时，为了提高电源的可靠性，还必须增设一些保护用和改善性能用的电路元件，这就使本来已经相当复杂的电路更为复杂、元气件使用数量甚多。例如，串联线性调整型稳压电源约用20~40个元器件，而PWM型稳压电源约需100~200个元器件。 2(输出波纹 串连线性调整型稳压电源的输出端纹波有效值一般在1 mv以下，它本身不产生尖峰嘈声，由整流元件等引起的嘈声也比较容易抑制。而PWM型稳压电源由于采用开关工作形式，功率比较大，产生的尖峰噪声经过抑制一般为100m (下标,,,表示尖峰,尖峰值)，当然这样的幅尖峰嘈声对数字电路没有多大影响，同时，随着元气件性能的改善，以及电路技术的提高，尖峰嘈声正在逐步降低，目见，在小电流范围内已经能达到相当低的数值，在集成电路型运算放大器等线性电路均在使用。 ,(动态响应稍差 串联线性调整型稳压电源动态响应一般为,,us到数百微妙，开关型稳压电源则为毫秒量级，幅度也较大。因此，对于大幅度突变负载的使用场合需要加以注意。随着电路工作频率的提高，电路设计时尽可能减小输出滤波电感量，增大电容量等措施来改善动态响应速度和幅度。 总之，,,,型稳压电源有许多突出的优点，也存在一些不足之处， 随着时间的推移，缺点正在得到克服和改善，优越性将会得到充分的发挥。 第三节 功率转换电路 ,,,型稳压电源功率转换电路有推挽。全桥、半桥以及单端反激、单端正激等形式。 一(推挽式功率转换电路 推挽式功率转换电路如图,,,所示。 高压开关管，由基极驱动电路以,,,方式激励而交替通断，输入BGBG12 直流电压被变换成高频方波交流电压。导通时，输入电源电压,通过施BGBG11加到高频变压器的初级线圈,,上。由于变压器作用，截止晶体管将承BBG21 受两倍电源电压(即,,)。。当基极激励信号消失时，一对高压开关均截止，它们的集电极所承受的电压均为 ,。下半个周期，激励导通，截止晶体管BGBG21 V上承受,,的电压，接着有是两晶体管都截止的时期，和V均为E，下一CE1CE2 32 个周期重复上面过程。 在晶体管导通过程中，集电极电流随导通脉冲宽度的增加而线性地上升，除负载电流成分外，还包含有输出电容器的充电电流的高频变压器的激磁电流。 上述是高压开关管稳态运行时集电极电压和电流的基本规律，其波形如图3-4所示其中V与波形形态相同，相位差180?，和也是如此。 VIICE1C2CE2C1 在开关的暂态过程中，由于高频变压器次极整流二极管反向恢复时间内造成的短路以及为了抑制集电极电压尖峰而设置了RC吸收网络，当高压开关管导通时，集电极稳态电流将会伴以尖峰。在关断瞬间，由于高频变压器漏感储能的作用，在集电极稳态截止时，会形成电压尖峰，尖峰电压的大小，随集电极电路的配置，高频变压器的漏感，以及电路的关断条件的不同而异，该尖峰电压有可能 ,是使高压开关管承受两倍以上的输入电压，以220V10%的电网电压为列，稳压截止电压的最大值级为684(2E，加上暂态过程中的尖峰电压，则推挽式2 电路高压开关管必须能承受800V以上的电压，这给选择元件带来了困难。此外，初级线圈只有一半时间 工作，高频变压器的利用率太低。 但是，电路只用两个高压开关管便能获得最大的功率输出，而且一对 晶体管的发射级相连，两组基级驱动电路彼此间就无须绝缘。这样不仅驱动电路和过 33 流保护电路可以简化，而且可供选择的余地也就增大，这是该电路的优点。 二(全桥式功率转换电路 全桥式功率转换电路如图3-5所示，高压开关管、、、组BGBGBGBG1234成桥的四臂，高压变压器B1连接在它们中间。相对桥臂上一对晶体管、BGBG14和、由驱动电路以PWM方式激励而交替通断，将直流输入电压变换成BGBG23 高频方波交流电压，其工作过程和推挽式功转换电路相同。 易见，当一组高压开关管(如、)导通时，每只截止晶体管(、BGBGBG142 )所承受的电压即为输入电压E。当所有晶体管均截止时，两个高压开关管BG3 E串联承受输入电压，即每管承受的电压为。由高频变压器漏感引起的电压尖2 峰，当其超过输入电压时，反向并接在高压开关管集射之间的高速卡位二极管 便导通，集电极电压被卡位在输入电压上，集电极电流同样椰油尖峰。D,D14 它们都示于图3-5。 由此可见，全桥式电路高压开关管稳态时，承受最高电压为输入电压，暂态过程中的尖峰电压亦被卡位于E，比起推挽式电路要低一半还多，这就为晶体管选择带来了方便。而且，箝位二级管将漏感储能归还给输入电源，也有利于提高效率。 但是，电路使用了四个高压开关管，需要四组彼此绝缘的基极驱动电路，不仅电路复杂，元气件多，而且驱动功率也成倍增加，这是其缺点。 二(半桥式功率转换电路 如图3-6所示。它和全桥式电路相似，不过高压开关管只需两个，另外两个 34 由电容器和取代，其工作原理如下: CC12 当一对高压开关管均截止时，若电容器和容量相等，而且电路对称，CC12 E则电容器中点A 的电压为输入电压的一半，即，当被基极驱,,BGVVC1C212 动电路以PWM方式激励导通时，电容将通过高频变压B1的初级线圈N1和C1 放电，同时输入电源通过，B1的初级线N1和对充电，承受BGCBGCBG12122输入电压E，即。导通终了时，接着又是一对晶体管都截止的时期，V,EBGCE21 此时，VCE1=VC1，，它们接近输入电源电压的一半，当V,VV,VBGCE1C1CE2C22被激励导通时，电容将被充电，电容将放电，。以后过程重复。 CCV,E12CE1 显然，半桥电路和全桥式电路相同，一个晶体管导通是，截止晶体管上承受的电压大致和输入电源电压相等。晶体管有导通转为截止的关断过程中，漏感引起尖峰电压亦被二极管箝位。因此，高压开关管上承受的最高电压不超过电源电压，而且，晶体管的数量只有全桥式一半。驱动功率也小，这是它的优点。 但是，高频变压器上施加的电压幅值只有输入电源电压的一半，欲得到和全桥，推挽式电路的输出功率，高压开关管必须流过两倍的电流。此外，它必须要有两个输入电容，而且流过与电路工作频率相同的充放电电流。电压脉冲的顶部有倾斜是其不足，一般半桥式只宜获得中等容量输出。 然而，半桥式电路有一个极其重要的特点是具有抗不平衡能力，这是它获 35 得广泛应用的一个重要原因。 第四节 输出整流滤波电路 我们知道，输出整流滤波电路的作用是将功率转换电路高频变压器送来的高频方波交变电压，通过整流变成脉动直流电压，再通过低通滤波器成为负载所需的低问波直流电压。 PWM型直流—直流变换器所采用整流滤波电路一般有两种，一种全波整流滤波电路，全波电路中有分为桥式和中心抽头，桥式整流电利用率高，但中心抽头整流电路少了一对二极管，因而减少了二极管在电路中的正向降压，这对于低电压，大电流输出为主PWM型稳压电源，损耗是相当大的。一个二极管的正向电压降约相当于效率损失百分之十以上，因而，输出整流电通常采用中心抽头全波整流方式。此外，也有采用单端正激式变换器加低通滤波电路。 36 第四章 不停电电源(UPS) 第一节 UPS的基本原理 (1)什么叫UPS 所谓UPS 是一种新型的供电系统，在这个系统中，市电只是其中的一部分，当采用UPS时，如果市电不正常或发生中断事故时，UPS能向重要负载继续提供符合要求的交流电，从而保证重要负载能连续地正常工作。它所以能具有这种性能，其关键是因为UPS中除有市电之外，还有一个或多个储能环节和能量的交换装置。在市电不正常或中断是，依靠这些储能和能量变换装置，能维持对重要负载的交流供电，实现交流不停电供电的要求。 UPS的基本形式如图4-1所示。在正常情况下，市电电源经整流装置变换为直流电(即整流)，此直流电对储能装置(蓄电池组)进行浮充电，同时对逆变装置供电。逆变装置将直流电变换为交流电，向负载供电，由于蓄电池处于浮充状态，故当市电突然中断时，逆变器利用蓄电池的储能可以不间断地继续向重要负载提供优质可靠的交流电。 以上所述仅是UPS的一种基本形式。实用的UPS是以它为基础再加上其它若干环节发展起来的，其性能就更加完善。这种改进后的交流不停电供电系统与常规的多路市电供电系统的不同之处，在于遇到各种停电事故时，具有极高的使供电连续能力。质量较好的UPS的过渡时间能减少到100us以下，可以做到完全不中断或只有微秒级的中断，这样对重要负载的供电就不会产生任何影响。其转换速度是常规的多路市电供电系统所无法比拟的。这种系统经过进一步组合，还能是UPS在“双保险”或“多重保险”的情况下进行交流不间断供电。 37 这里要着重指出，使用交流不间断供电系统后，并不意味它永远不出故障或绝对不会停电，只不过是它可以将重要用电设备最终因供电中断造成的停机几率降低到设备可能允许的程度。 (2)UPS 的几种形式 a(最简单的UPS 图4—2所示即为一种最简单的UPS系统，在正常景况下，将市电变换成直流电后与蓄电池并联，然后在逆变为工频交流电供给负载。由于蓄电池处于浮充状态，故负载的电能实际上仍由市电供给。不过逆变器输出的工频交流电，其频率稳定度，电压稳定度以及波形失真率均比市电好，故具有较高的供电质量。 在这种系统中，如果市电供电出现故障，由于蓄电池的存在，可以维持负载的供电不致中断，然后启动油机发电机组对蓄电池充电。是整个系统可以连续工作。市电恢复后，则仍有市电对蓄电池进行浮充供电。 这种简单的UPS存在的主要问题是它只能在市电中断是保证重要负载的供电不致中断，而一旦逆变器部分出现故障，对负载的供电即会中断，所以从严格要求来看，它的性能还不完善，故称之为简单的UPS。但这种UPS交流输出电压和频率比市电稳定，所以有时也称其为稳压，稳频电源或恒频电源。这种电源目前在重要负载场合均有使用，关于供电的可靠性基本上决定与逆变器平均故障间隔时间，一般至少在半年以上。 b. 具有转换开关的UPS 实用的UPS系统是在上述基本环节基础上加一市电转换开关，通常称之为“双保险”供电方式，其框图如4-3所示。 在这种系统中，正常景况下，仍是由市电整流，然后逆变，最后转换开关B端送出交流电供给重要负载。不同的是，一旦逆变器出现故障，则转换开关立即倒换到A点，有市电直接想负载供电。转换开关可以是自动的，也可以是手动的。从结构上看，有带触点的开关，如接触器，短路器，也有无触点的开关，如晶闸管元件。前者主要靠机械动作完成转换要求，后者是没有机械动作的电控装置，所以也称转换型静态开关，属静态开关的一种。在UPS中一般都采用静态转换开关。由于有触点式转换过程中会有几十毫秒的供电中断，故不能用在现代 38 化重要负载场合。静态转换开关则可以将中断时间缩短到毫秒以下，甚至100us以内。为了是转换开关动作顺利地进行，通常都使逆变器输出的交流电压的相位与市电电压的相位保持一致。目前具有静态开关的UPS设备，其控制电路基本上都运用锁像环电路，使逆变器输出电压与市电电压同步(通常称锁相同步)。 c. 采用并机型静态开关的UPS 上述的具有转换开关的UPS具备了逆变与市电之间切换的功能，但在切换过程中负载上的电压将发生或大或小的波动，甚至有短暂的供电中断。如果希望作到无瞬变切换(或称无优动切换)，则可采用并机运行方式。 此时，逆变器的输出电压与市电长期并联供电。在这种情况下，不论逆变部分故障或市电中断，负载上不会有短暂的供电中断，也不会有显著的电压波动。在并联中断时，两者的电功率同时输送给负载，并保证逆变器输出的交流电功率不进入市电电网，而市电电网的电功率也不会串入逆变器，显然逆变器的输出电压也必须长期与市电电压锁相同步，两者才能并联运行。 d. 具有多重并机功能UPS 在需要“三重保险”或“多重保险”的场合，则可采用多台逆变器与多路市电组成的并机供电系统，如图4-5所示。 在这种系统中，逆变器?与逆变器?通过静态开关并联供电。它们可以事先 39 与市电锁相同步，但令市电在外待机运行。静态开关可以是转换型静态开关，也可以是并机型静态开关。如果是转换型静态开关，还有一台逆变器发生故障时，则系统由另一台逆变器供电。当另一台逆变器也发生故障是，系转换由市电供电。如果是并机型静态开关，当一台逆变器故障后，其余的一台将自动与市电并联供电，则系统仍然维持有两路电源向负载供电。总之，在这种系统中，如果有两个供电支路同时发生故障，也基本上可以作到供电不中断。市电?与市电?以及油机?与油机?可由人工或自动切换。旁路开关是为了便于检修逆变器与静态开关而设的，它可以手动控制，也可以自动动作。在静态开关本身出现故障时，旁路开关自动投入运行，就能继续向负载进行供电，不至于是负载长时间断电。 在由于市电品质差，例如频漂过大(大与,0.5或1HZ)，波形严重失真，或电压波动太大以及干扰严重等因素，而不宜使用市电时，图4-5中也可以用一台逆变器代替市电的作用。在长期热备用情况下待机运行，则系统也能起“三保险”作用，在引进的UPS设备中有这种类型的系统。 上述的几种不间断供电系统的组合方式，仅仅是主要的几种。在每一种组合方式中还可以有不同的变化和差异，再派生出与上述大同小异的组合方式，不下十余种，这里就不一一论述了。 (3)对UPS 中逆变器主电路的一般要求 在UPS中使用逆变电路，并不是仅仅将直流简单地变换为交流输出，而是有一系列的要求: 1(UPS的交流输出电压必须具备自动稳压的性能。因此逆变器主电路 的输出电压，因该容易实现电压的自动调节。 2(UPS 的输出通常均为工频正弦波，对非线性失真有一定的要求。因此逆变器输出电压波形的谐波成分应尽量小，这样才便于进行正弦化滤波，并可使波波器简化。 3(要求逆变器的交流工频输出能与市电或与另外一台逆变器的工频输出锁 40 相同步，以便进行同步切换或并机运行，因此，主电路输出波形的频率和相位应能方便地随时进行调整。 4(逆变器的效率要高，动态特性要好，触发控制回路要简单，元气件及材料消耗要少，并无特殊规格要求。此外，要求加工容易，成本低。 以上几点实际上是对UPS逆变电路未经滤波的输出波形提出的基本要求，即要求其波形幅度可调，谐波分量小，并能通过相位控制与市电保持同频、同相。 41 第五章 油机发电机组 在不停电供电系统中，市电中断时间较短时，蓄电池可通过逆变器给负载供电。但是，由于蓄电池的容量有限，不能较长时间供电(蓄电池供电时间今后设计为十几分钟最多到一小时)。因此，为了避免因市电中断时间较长而影响通信畅通，在交流不停电供电系统中还必须配置油机组。下面简要介绍油机和发电机的基本构造和工作原理。 第一节 油机的基本类型 油机(内燃机)是将燃料(汽油或柴油)的热能转变为机械能的一种装置。用汽油做燃料，利用电火花点燃的油机叫汽油机。用柴油作燃料，压燃的油机叫做柴油机。不停电供电系统中主要采用柴油机。 第二节 油机的基本结构 油机主要由曲轴连杆机构、配气机构、供油系统、润滑系统和冷却系统等几部分组成。 (1)曲轴连杆机构 曲轴连杆机构是油机的主要组成部分。它由汽缸、活塞、连杆、曲轴等部件组成。它的作用是将燃料燃烧是产生的热能转变为机械能，并将活塞在汽缸内的上下往返直线运动变为曲轴的圆周运动，以带动其他机作功。 a. 汽缸 汽缸是燃料燃烧的地方。根据油机的马力不同，汽缸的直径和数目也不相同。在不停电供电系统中，都采用多缸柴油机。在这种柴油机中，许多汽缸铸成一个整体，如图5-1所示。油机在工作过程中，活塞在汽缸内上下往返运动，为了保证汽缸与活塞之间保持良好的密封，并且减少摩擦损失，汽缸的内壁(汽缸壁)必须非常光滑。 42 燃料在汽缸中燃烧时，温度可高达1500~2000?，因此，油机中必须采用冷却水散热。为此汽缸壁都做成中空的夹层，两层之间的空间称为水套。 b. 活塞 油机在工作时，活塞即承受很高的温度，有承受很大的压力，而且运动速度极快，惯性极大。因此活塞必须具有良好的机械强度和导热性能，并且应当用质量较轻的铝合金铸造，以减小惯性。为了使活塞与汽缸之间紧密接触，活塞的上部装有活塞环，如5-2所示。活塞环有压缩环(气环)和油环两种。气环的作用是防止汽缸漏气，油环的作用是防止机油窜入燃烧室。 c. 连杆与曲轴 连杆将活塞与曲轴连接起来，从而将活 塞承受的压力传给曲轴，并通过曲轴把活塞 的往返直线运动变为圆周运动。 (2)配气机构 配气机构的作用是适时打开和关闭进 气门和排气门，将可燃的气体送入汽缸，并 及时将燃烧后的废气排出。配气机构将有进 气门、排气门、凸轮轴、推杆、挺杆和摇臂 等部件组成，如图5-3。 (3)供油系统 43 柴油机的供油系统一般由油箱、柴油滤清器、低压油泵、高压油泵、喷油嘴 -4所示。柴油机工作时，柴油从油箱流出，经粗滤器过滤，等部分组成。如图5 低压油泵升压后，又经细滤器进一步过滤，高压油泵升压后，通过高压油管送到喷油嘴，并在适当的时机喷油嘴将柴油以雾状喷入汽缸压燃。 44 (4)润滑系统 油机工作时，各部分机件在运动中将产生摩擦阻力。为了减轻机件磨损，延长使用寿命，必须采用机油润滑。润滑系统通常由机油泵，机油滤清器(初滤器和精滤器)等部分组成，如图5-5所示。机油泵通常都装在底部的机油盘内，它的作用是提高机油压力，从而将机油源源不断地送到需要润滑的机件上，机油滤清器的作用是滤去机油中的杂质，以减轻机件磨损并延长机油的使用期限。 45 (5)冷却系统 油机在工作是，温度很高(燃烧时最高温度可达2000?)，这样将使机件膨 胀变形，摩擦里增大。此外，机油也可能因温度过高而变稀，从而降低润滑效果。 为了避免温度过高，油机中通常 都装有水冷却系统，以保证油机在最适宜的温 度(80~90?)下正常工作。 冷却系 统包括水套、 散热器、水管 和水泵等，如 图5-6所示， 冷却水通过 水 泵加压后在 冷却系统中 循环。循环途 径为: 水箱?下水 管?水泵? 汽缸水套? 汽缸盖水套 ?节温器? 上水管?水 箱。节温器可 以自动调节 进入散热器 46 的水量，以便油机始终在最适宜的温度下工作。 6)启动系统 ( 柴油机启动时，必须用外力带动曲轴旋转，使汽缸内完成进气，压缩和燃烧过程，直到燃料燃烧作功，才能维持柴油机连续运转。使柴油机启动的一系列装置称为柴油机的启动系统。 柴油机的启动方式有手摇启动，电启动，小汽油启动和压缩空气启动。使用最广泛的是电启动，电启动又可分为直接操纵式和电磁操纵式两种。直接操纵式多用于汽油机的启动，电磁操纵式多用于柴油机的启动。图5-7所增为电磁操纵式启动系统。 1(电磁开关 电磁开关主要由吸动线圈13，保持线圈14，引铁15及电磁继电器10等组成。 吸动线圈一端通过电磁开关外壳上的接线柱4与启动机的激磁线圈相连接，另一端则接在电磁继电器10的固定接点，保持线圈一端的接地，另一端接至电磁继电器的固定接点。电磁继电器的活动接点11接蓄电池负极，而继电器线圈则由启动开关9控制。引铁一端连有接通启动电路的接触圆片12。另一端则通过连接杆及拉杆16与啮合器相连。 2(工作过程 启动开关9未按下时，启动机电路不通，拉杆靠弹簧的作用使啮合器启动齿 47 轮位飞轮的一侧，如图中虚线所示位置。 当按下启动开关时，电磁继电器10的电路被接通，电流在继电器线圈产生的吸力，使断电器接点11闭合而吸动线圈13和保持线圈4所产生的电磁吸力使引铁向左移动。当与引铁连接的拉杆16使啮合器齿轮与飞轮18啮合后，引铁另一端的接触圆片12将启动机的主电路接通，此时吸动线圈被短路，引铁仅有保持线圈所产生的磁力吸住，使启动机产生转距，经啮合器驱动柴油机。当柴油机启动后，啮合齿轮由于啮合器的作用而空转，不能驱动启动机的转动。 当启动开关松开时，电磁开关电路被截断，启动机电路不通而停止转动。同时拉杆轴中心的弹簧使拉杆及啮合器恢复原状。 3(启动系统的维护 启动系统维护重点是启动蓄电池，要使之保持充足的容量。平时要检查电池液面，过低要加适量相同比重的电解液，若有极板硫化或短路要及时处理，并要定期进行均衡充电。 此外，还需经常检查充电发电机的工作状况，检查啮合齿轮端面与止推垫圈之间的间隙。(通常为1.5-3.0mm) 第三节 内燃机的工作原理 内燃机是将燃料的热能转化为机械能的一种机 器，它是通过汽缸内连续进行进气，压缩，工作，排 气四个过程来完成能量转换的。图8-7是四冲程内燃机 简图，活塞的上下运动借连杆同曲轴相连接，把活塞 的直线运动变成曲轴的圆周运动。汽缸顶部有两个气 门，一个是进气门，另一个是排气门。 活塞在汽缸中运动是有两个极端位置:上止点和 下止点(又称上死点和下死点)。上止点和下止点间的 距离称为活塞冲程(又称活塞行程)。当活塞上止点移 到下止点时，所经过的容程称为汽缸工作容积，又称 为活塞排量，通常以升或立方厘米计算。工作容积与 燃烧室容积之和叫汽缸总容积。 汽缸总容积与燃烧室容积的比值称为压缩比。压缩比表示活塞自下止点移到上止点时，气体在汽缸内被压缩了多少倍。压缩比越大，说明气体被压缩的愈厉害，压缩过程终了的温度和压力就越高，燃烧后产生的压力也愈高，内燃机效率 48 也越高。 四冲程柴油机的工作循环是在曲轴旋转两周(720?)既活塞往复运动四个冲程中，完成了进气，压缩，工作，排气这四个过程。 1)进气过程 ( 活塞由上止点至下止点，这时进气门打开，排气门关闭，由于活塞向下移动，汽缸内的压力低于大气压力，汽缸外面的空气就经过进气门被吸入汽缸内，活塞到达下止点时，活塞上方充满了空气。 因为空气经过滤清器，进气管，进气门遇到阻力，所以进到汽缸内的压强在 2进气终了时，只有0.75~0.9kg/，温度为30~50?。 cm (2)压缩冲程 活塞由下止移上止点，进气门 和排气门均关闭，汽缸里吸进的空气就被压 2缩，柴油机压缩比可达12~20，压缩冲程完毕，缸内空气压强可达30~50kg/cm温度可达600~700?。 (3)工作冲程 压缩冲程完毕，活塞快到上止点时，进，排气门仍关闭着，气缸顶部的喷油开始向气缸内喷射柴油并被高温空气引燃点火。气缸内的气体压力和温度迅速上升，这种高温高压的燃烧气体在气缸膨胀，推动活塞移向下止点，通过连杆转动 2曲轴，发出动力，如图5-9?所示。燃烧时，最高压强达60~120kg/，温度为cm600~750?。 (4)排气冲程 活塞有下止点至上止点，进气门仍然关闭，排气门已打开，把膨账后的废气从气缸中经排气门排出。 经过四个冲程，完成了一个工作循环。当活塞再重复向下移动时，又开始第二个工作循环的进气冲程。如此周而复始，使柴油机不断地转动，产生动力。 49 第四节 同步发电机 与柴油机配套的交流发电机大都是同步发电机。所谓同步发电机就是它的旋转速度n与电网频率f及发电 机 本身的磁极对数p之间保持严格的恒定关系，即: pn60f或 f,n,60p 一(同步发电机的构造 三相交流同步发电机的构造，如图5-10所示。它的磁极是旋转的，电枢是固定的。三相交流发电机一般制成三相的电枢绕组，均匀分布在由硅钢迭成的定子铁心内圆周上。磁极上绕有激磁(励磁)绕组，与旋转磁极同一转轴上装有滑环和电刷，产生发电机旋转磁场的直流电流就是通过电刷和滑环引如激磁绕组的。一般发电机激磁绕组的电压较低，激磁电流较小。磁极上的线圈是互相串联的，两个相邻磁极具有相反的极性。 磁极上激磁绕组的电流，可以有直流发电机供给，也可以由发电机本身供给的交流电经过整流后供激磁用。这种形式的交流发电机称为自激式交流发电机。 二(同步发电机的工作原理和激磁方式 1(工作原理 旋转磁极式的三相交流发电机的工作原理如图5-11所示。它有一对磁极，在发电定子铁心上对称的安放着彼此独立相同的三相绕组。A―X、B―Y、C―Z。三相绕组的轴线在空间互差120?，电角也互差120?并按转子旋转方向(反时针方向)顺序排列。通常定子(固定电枢)三相绕组采用Y形接法，即各相绕组首端A、B、C为引出端，各相X、Y、Z连接在一起然后引出，称为中性点。 50 转子(磁极)绕组中通入直流电流后产生磁通，在柴油机的带动下以恒定转速n旋转时，定子绕组感生交变电势。因为气隙中磁通密度分布是正弦的，所以电势波形也是正弦的。如图 5-11(b)所示。根据右手定则，转子反时针旋转时，N 极下的导体中感应电势的方向总垂直穿出纸面的，用符号?表示;S极下的导体中的感应电势的方向总是垂直进入纸面，用符号?表示。由于在磁极轴线上气隙处的磁感应强度最大，而与两极等距离的气隙处，磁感应强度为零。当转子磁极轴线转到与线圈平面相重合时，线圈内感应电势最大，当转子磁极轴线转到与线圈平面垂直时，线 1圈内感应电势为零。因此，对A相线圈而言，当转子在 的位置时，电t,T4 1势有正的最大值;当转子在t=o, ,t=T的位置时，电势为零。转子旋转一t,T2 周，电势交变一次，因三相线圈在空间上互差120?，所以各相线圈中感应电势最大值的时间相差120。到达顺序是、、，三相电势波形见图5-11(b)。 eeeCAB 51 剩磁无刷激磁发电机组 该系统采用绕线激磁电枢安装至磁场同一轴上，电压调节器整流主要发电机, 输出交流的一小部分向激磁发电机提供可调节的直流(DC)。 , 该系统采用固态电压调节器可抗静态激磁型机械的内在大的 峰值电源也可无刷短路自保护或过载功能，发电机失压时不向负载输电源。 , 该类型发电机主要缺点在于激磁磁场建立需固定的时间，比静态激磁型发电和电压恢复时间要慢的多。 , 该型发电机具有自保护，因为有失压的特点。 永久励磁无刷发电机组 , 具有旋转永久励磁发电机 激磁发电机磁场由励磁发电机提供 , , 激磁电枢输出被整流后，供给主发电机磁场 , 既然只有负载绕组连接到调压器，故可免于SCR感性负载的影响 , 永久励磁发电机允许发电机支持短路负载电流 KOHLER 快速响应 , 快速响应激磁系统使用SCR可控硅旋转桥控制永久激磁产生的直流供给主发电机磁场，作为FR模式 , 该桥路通过光电隔合器控制可控硅导通时间，作为调压器 , 调压器，感应发电机的输出电压并接通或关闭，发光二极管(LED)调压器的电流电压由发电机组蓄电池提供 , LED安装在发电机旋转的端部，正对光电传感器，光电传感器感应LED的信号，控制SCR 的导通与断路 , 该型号发电机的电压恢复时间比常规剩磁无刷发电机快数倍，因为它不需要与激磁感器配匹，具有静态激磁发电机快速响应持续抗短路负载的能力和抗感性负载的特性 52 , 可选择防护短路器，用于防止光电隔合信号对SCR模块失灵时，保护发电机过载 , 科勒厂(KOHLER CO。)早在1975具有SCR控制发电机的专利。 53 自动调压控制器AVR AVR检测输出电压及频率值。LED控制板对其进行控制使系统输出正常稳定。 AVR线路板可以对频率及电压的稳定性进行调整，AVR 将电频率稳定到设定值，如果需要系统更加稳定，精确，可以更换控制线路板或控制负载对系统稳定性的影响。 54 按下列步骤对稳定电位进行的控制AVR原理及调试: (将开关旋至OFF/RESET 档。 1 2(逆时针方向将稳定电位器旋至最大。 3(拆去控制器V0、V7端子处频率表的联线，将一个100W灯接入V0、V7端子 4(启动机组空载运行，观察电灯的闪烁情况，异常 说明AVR的稳定性很差。 5(将稳定电位器调至最小，确认灯的闪烁情况，用控制器电位器逐步调整轻载运行一段时间。 55 第五节 油机发电机组的维护 一(基本要求 1(机组应保持清洁，无漏油，漏水，漏气，漏电(简称四漏)现象。机组上的部件应完好无损，接线牢靠，仪表齐全，指示准确，无螺丝松动。 2(根据各地区气候及季节情况的变化，应选用适当标号的燃油和机油，其机油质量应符合要求(见附录8)。 3(保持机油，燃油，及其容器的清洁。 定时清洗和更换(机油，燃油和空气)滤清器。油机外部运转件，要定期补加润滑油。 4(启动电池应经常处于稳压浮充状态，每月检查一次充电电压及电解液液位。 5(市电停电后应能在15分钟内正常启动并供电，需延时启动供电的，应报上级主管部审批。 6(新装或大修后的机组应先试运行，当性能指标都合格后，才能投入使用。 二(局站内固定式油机发电机组的维护 (一) 油机室内应光线充足，空气流通，注意清洁，不存放杂物。根据环抱要求，应采取必要的降噪音措施。 (二) 油机室内温度应不低于5?，若冬季室温过低(0?以下)油机的水箱内应添加防冻剂，如未加防冻剂，在油机停用时，应放出冷却水。 (三) 油机应每月空载试机一次，没半年加载试机一次。油机房的进，排风口滤网要定期清洁。 (四) 开机前的检查: 1( 机油，冷却水的液位是否符合规定要求。 2( 风冷机组进风，排风风道是否畅通。 3( 日用燃油箱里的燃油量。 4( 启动电池电压，液位是否正常。 5( 机组及其附近有否放置的工具，零件及其他物品，开机前应进行清理，以免机组运转时发生意外危险。 6( 环境温度低于5?时，应给机组加热。 (五)启动，运行检查: 1( 机油压力，机油温度，水温是否符合规定要求; 2( 各种仪表，信号灯是否正常; 3( 气缸工作及排烟是否正常; 4( 油机运转是否剧烈震动，和异常声响; 5( 电压，频率(转速)达到规定要求并稳定运行后，方可供电; 6( 供电后系统是否有低频振荡现象。 56 (六) 关机、故障停机检查及记录 (正常关机:当市电恢复供电或试机完后，应先切断负荷，空载运行3~51 分钟，再关闭油门停机。 2(故障停机:当出现油压低，水温高，转速高，电压异常等故障时，应能自动或手动停机。 3(紧急停机:当出现转速过高(飞车)或其它有发生人身事故或设备危险情况是，应立即切断油路和气路紧急停机。 4(故障或紧急停机后应作好检查和记录，在机组未排除故障和恢复正常时，不能重新开机运行。 (七) 局站内固定式油机发电机组的维护项目及周期见下表: 周期 项目 月 1(空载试机15,30min; 2(对启动电池添加蒸馏水并进行充电。 1(清洁设备; 年 2(检查启动、冷却、润滑、燃油系统是否正常; 3(校正仪表。 第六章 通信配电 第一节 通信系统低压交流供电原则和方案 根据各地的市电供电按类型不同，各电信企业容量大小不同，重要地位差异等，可设计各种不同的交流供电方案，但都必须遵循下列的原则: (交流市电电源，是通信有直流电源的主要能源，是保证通新安全，不间1 断的重要条件。通信部门可以向电业部门申备用安全电源。 2(配电室引入市电，原则上采用高压6~10KV引入，而不采用直接由低压用户线引入。其目的避免通信用交流供电电源受其他用户负荷变化的影响。也可以采用一路从高压线上接专用配电变压器进降压引入。另一路直接由低压用户接入做为备用电源。 3(交流照明引入两种:一种通信机房照明，叫保证照明;另一种就是一般照明，当市电停电时，改用油机供电，此时一般照明就停止供电，只保证照明供 57 电。 (为了是通信设备安全可靠的工作，在低压交流供电系统中，还要备用交4 流油机发电机组。 5(低压交流电采用三相五线制，中性点接地的方式 图6-1为局内交流供电系统方案之一，图中一路10 KV高压电经变压器变为400/230V，另一路低压市电为380/220V，均引如配电室，利用交流配电屏上的开关K1进行转换;经过配电屏上的熔断器和电流互感器分成动力线和照明线，并分设电度表计算电费。分别对动力和照明进行供电。 第二节 通信接地 一( 接地与接零的楷念 (1)“地”的概念和对地电压 当一根带电导体与地接触时，电流便从导体流入大地内的四面八方。由于距导体越近，电流通过的截面越大，电阻越小，电压降越小。所以大地中离该导体20米以外电阻近似为领。几乎没有电压降，即所谓零电位，接地回路中任何一 58 点对零电位的电位差称为对地电压。 2)中性点，零点 ( 在对称三相交流电路中有一点，它与电路中各外部端子间的电压绝对值均相等，这点称为中性点。例如配电变压器或三相发电机星形接法的星点。中性点接地是称为零点。 (3)接触电压 人体接触带电设备外壳的一点同站立地面一点之间的电位差称为接触电压，在低压设备中，接触电压最高不得超过36V(此电压被称为安全电压)。 (4)散流电阻和接地电阻 接地体与土壤接触面的电阻及土壤电阻的总和称为三流电阻。接地电阻包括散流电阻，接地体本身的电阻和接地线的电阻，一般接地线和接地体的电阻都很小，可以略去不计，因此，可以认为接地电阻就等与散流电阻。 所谓接地是指电器设备的任何部分与“地”连接，接零是指将电力设备的中性点与不带安全金属部分与零点或零线连接。 二(交流工作接地 在通信电源的交流供电系统里，往往将三相四线制电源的中性点直接接地，如配电变压器次级线圈，交流发电机电枢绕组等中性点的接地，称为交流工作接地，其接地线成为零线。如图6-2所示。 交流工作接地的作用是:当电网三相交流负荷不平衡，使得中性线上产生浮动电压，这一电压可能使某一相电压高于额定值，影响设备的正常运行，而中性线接地后就可以改善这一情况，是中性线上浮动电压通过地线入地，而中性线上始终保持零电位，所以接地后的中性先称为零线。另外，当电网某部分因绝缘损坏而碰机壳，使机壳带电，由于机壳与地相通，使碰壳一相通过地和接地装置形成电流回路，线路中的保护容司或自动跳开关动作，起到切断电源，保护设备和人身安全的目的，因此，交流工作接地有称强电保护接地。 59 三(保护接地 在通信电源设备中，将设备在正常情况下与带电部分绝缘的金属外壳与接地体之间做良好的金属连接，从而可以防止设备因绝缘损坏而遭受触电的危险，这种保护工作人员安全的接地措施。称为保护接地(或叫安全接地)，如土6-3所示。 在电力室，需要进行保护接地的有:配电变压器，交直流发电机，交直流电动机等金属底座;高低压开关柜，交直流配电屏，整流器金属框架及仪表用互感器二次线圈和铁心等。 保护接地是为了保证电源设备在运行，维护和检修时，保障维护人员的人身安全。以为当这些电源设备的不带金属外壳，机架和操作机构进行妥善接地后，使电气设备的该部分与大地保持相同的零电位，若该设备的金属外壳一旦带电，则电流可以经过接地线，接地体而流入大地，不致使接地的部分产生危险电压，从而保障了人身安全。 电力室常用保护接地的接线方法一般有三种: (1)直接接地保护:采用直接接地的保护方法，就是将电源设备在正常情况下不带电的部分直接接在单独埋设的一组保护接地装置上，图6-3属于直接接地保护。 在电力室，保护接地装置的出线，利用扁铁敷设在电源设备下面的线槽壁上，每种电源设备的金属外壳或框架，用连接线接在最近的扁铁螺丝上。 (2)接零保护:采用接零保护的方法，就是将电源设在正常情况下不带电的金属部分与交流电源的零线连接的方法，如图6-4所示。 60 实行接零保护连接，当发生电源碰壳短路时，短路电流经零线而成闭合回路，将碰壳短路变成单相短路，使保护设备(熔断器或自动跳开关)可靠迅速动作而切断故障设备，可避免人身遭受触电的危险。 在中性点未接地的交流供电系统中，无论是三相还是单相用设备，采用机壳接中性线是绝对不允许的，因为系统内任何一点碰壳时，所有接在中性线上设备金属外壳或机架上都会呈现近于相电压的电位，着对人身是十分危险的。 (3)重复接地保护:所谓重复接地保护，就是电源是社备或其他电器设备既采用接零保护，有采用直接接地保护的方法。这种方法，又称为无流接零法，如图6-5所示。 61 从目前较多采用的直接接地保护或接零保护这两种方式来看，都存在一定问题，因为采用接零保护，经常会有单相工频或三相不平衡电流，直接通过机架，机壳等途径，流到通信工作接地系统上来。 因而对通信回路可能产生杂音干扰，特别是对于视频信号的干扰，例如对传送电视信号的微波设备产生干扰，是图象产生黑道滚动，以及对电子计算机产生严重干扰，影响电子计算机正常工作。采用直接接地 保护，虽然可以避免工频电流的干扰，但是强电设备绝缘损坏而发生短路时，不容易很快切断故障电流，因而可能烧坏设备造成事故。同时，在机壳上较长时间的危险电压，对于维护人员也是不安全的。因此上述两种接地保护的方式都不大理想。 今年来，对于一些新型的电子设备，如程控电子交换机，电子计算机等的交流电源设备，提倡采用无流接零法，作为接地保护。这样不仅消除工频电流干扰，对于电气设备和维护人员也达到了保护的目的。无流接零法，对于单相回路又称为单相三线制接零保护，对于三相回路有称为三相五线制接零保护。从图6-5 中看出，在电力系统中除了相线和零线外，不论单相回路还是三相回路，都要另外增加一根交流保护线，直接由中性点引到机壳或机架上。当这根交流保护线采取严格绝缘方式布放是，平时的工频电流或不平衡电流直接由零线回到中性点，与外界的电气设备及通信接地不发生联系，这样就没有不平衡电流流到工作接地系 62 统上去，因此就避免了交流50HZ的干扰。只有绝缘损坏地短路的瞬间，在交流保护线上才有工频短路电流通过。应为短路电流大，极短时间内可将障碍电路切除。因此，对于通信 设备和维护人员都不会产生危险。即使在短时间内对通信系统造成一些干扰，担当故障电路切除后，干扰就可自动消除。 从上面分析可知，无流接零发的作用是保证在交流相线与机壳短路是， 能及时地切除障碍电流，从而保证通信设备和维护人员的安全。但在无流零法的保护系统中，交流工作零线绝对不能连接到任何设备机壳，机架或保护接地系统中去。也就是说，交流工作零线必须与机架，机壳及建筑物钢筋要绝缘。 三(防雷接地。 在通信站，局，通常有两种防雷接地装置，一种是为保护建筑物不受雷击而专设的防雷接地装置，这是建筑部门设计安装的;另一种是为了防止雷电过电压对通信设备或电源设备的破坏，而埋设的防雷接地装置。其作用是当高压书店线路受到雷击时，阀型避雷器中筏片被击穿，将雷电流经防雷接地装置导入大地，从而保护了设备的安全。 防雷地线在受到雷击时， 由于雷电流的瞬时值非常高，会在地线上产生很高的电压降，在一些情况下回造成反击而损坏设备，甚至会发生火灾等。因此，防雷地线决不可与其他地线合设，并距离一般交流工作接地及保护接地装置应考虑10m以上。 第三节 变配电设备的维护基本要求 1(配电屏四周的维护走道净宽应保持规定的距离，各走道均应铺上绝缘胶垫。 2(高压室禁止无关人员进入，在危险处应设防护栏，并设明显的告警牌“高压危险，不得靠近”字样。 3(高压室各门窗、地槽、线管、孔洞应作到空隙，严防水及小动物进入。 4(为安全供电，专用高压输电线和电力变压器不得让外单位搭接负荷。 5(高压防护用具(绝缘鞋，手套等)必须专用。高压验电器，高压拉杆应符合规定要求。 6(高压维护人员必须持有高压操作证，无证者不准操作。 7(变配电停电检修时，应报主管部门同意并通知用户后再进行。 8(继电保护和告警信号应保持正常，严禁切断警铃和信号灯。 9(自动短路器跳闸或熔断器烧断时，应查明原因在恢复使用，必要时允许试送电一次。 63 10(熔断器应有备用，不应使用额定电流不明或不合规定的熔断器。 直流熔断器的额定电流值应不大于最大负载电流的2倍。各专业机房熔断器的额定电流值应不大于最大负载电流的1.5倍。 交流熔断器的额定电流值:照明回路按实际负荷配置，其他回路不大于最大负荷电流的2倍。 11(引入通信局、站尤其微波站变配电设备及交流高压 电力线应采取高，低压多级避雷装置。 12(交流供电应采用三相五线制，零线禁止安装熔断器，在零线上除电力变压器近端接地外，哟难点设备和机房近端不许接地。 13(交流用电设备采用三相四线制引入是，零线不准安装熔断器，在零线上除电力变压器近端接地外，用电设备和机房近端应重复接地。 14(电力变压器、调压器安装在室外的，其绝缘油每年检测一次，安装室内的每两年检测一次。 15(每年检测一次接地引线和接地电阻，其电阻值应不大于规定值。 16(停电检修时，应先停低压，后停高压;先断负荷开关，后断隔离开关。送电顺序则相反。切断电源后，三相线上均应接地线。 64 第七章 现代通信供电系统 第一节 通信供电系统的改革 1(改革前后的通信供电系统 图7-1 改革前后的通信供电系统框图 从图7-1可以看出，改革前是将整流器，交直流配电屏，蓄电池均集中放在电力室，然后将低压直流电馈送到各通信机房。改革后，电力室只要保证交流供电，即将220/380V交流市电直接送入通信机房即可。而直流电源则由通信机房自备整流器，蓄电池，直流配电组成的供电系统就近供电与各通信设备，大大缩短了低压直流传输的距离，减少了能耗。下面将改革前后的经济效益作一比较 2(改革后的经济效益 (1)节能 集中由电力室用低压大电流向各通信机房供电，和将交流市电直接进通信机房供电的能耗对比如下(以万门程控交换机房为例)。 65 直流功耗约为30KV，直流馈电线电流约为625A，电力室至通信机房全程 625A=1000W。如改为220/380V市压降为1.6V，因此在馈线上功耗为P1=1.6V， 电直接引进通信机房，则在交流馈线上损耗为 P3000W出P,,,37500W,37.5kw入,0.8 P37500入I,,,70.8A线,3Ucos3，380，0.8线 式中，为整流器输入交流功率，即自电力室输送到通信机房的交流功率;PP入出为整流器输出功率，即通信设备所需功率;为整流器效率。 , 2用40铜导线作三相馈电线，电力室至用电机房导线有效长度取30m，mm 则每月相输电线的电阻值为 L30 R,,,0.0175,0.013,LS40 在三相馈线上耗总功率为 22 P,3IR,3，(70.8)，0.013,195.5WL线L 与直流馈电相比节约损耗功率为 P,P,1000,195.5,804.5W12 每天节能为。全年365天就可节电804.5W，24h,19308Wh,19.3Wh ，19.3365=7045kWh。 这仅是以1个万门市话局为例得到的结果。如果全国所有通信机房全部采用这种供电系统，每年至少可以为国家节电100万度以上。 (2)减少机房占地面积 目前的电力室，蓄电池室占用机房面积差不多要占整个电信局机房面积的1/3或1/4，如果取消电力室和蓄电池室，将整流器和蓄电池分散放在紧靠通信机房的值班室内，只要将原值班室稍为扩大，不需另立机房(油机发电机房仍应保留)，这就大大节约了基建投资费用。 (3)减少值班人员 随着科学技术的发展，通信电源设备的自动化程度和监控能力均较可靠，特别是阀控式密封铅酸蓄电池的诞生，使值班人员的工作量非常少，如果象目前那样集中供电，就必须要建立一个班组轮流值班才行。而将通信电源设备分散至各通信机房，因通信机房本来就有人值班，只需辅与日常维护知识，就完全可以兼管。 3(分散供电的忧虑 (1)将蓄电池放在通信机房是否会污染机房 80年代，我国也曾提出过将电源设备分散安装在各个机房内的分散式供电方式，只是由于电池未过关，而未被重视。但是现在，阀控式密封铅酸蓄电池密 66 封度很高，完全不必担心酸雾外漏。 2)在集中供电系统中，电力室一般都放在最低层，而通信机房则在二，( 三层楼，这样笨重的电源设备对楼板的压力是否承受的了。 ? 今后电源设备也与通信设备一样，向小型化方向发展，开关电源替代了带有笨重工频变压器和低频滤波器的相控电源。 ? 在设计电池容量是，由于要保证空调正常运行，故必须保证交流供电。蓄电池单独供电的时间仅仅是在市电停供起至油机尚未开出短暂期间内，平时仅起滤波作用。先进国家在计算电池容量时，只考虑15分钟，最多也不过1个小时，这就大大缩小了电池的体积和重量。 ? 先进国家将通信机房内直流供电系统分成几个独立单元，每个单元包括一部整流器和一组电池，实现N+1的供电方式。例如:某机房满负荷供电须48V/500A，可以设计一个500A直流屏，100A 整流模块6个(即500+100)。平时6个模块都热备，同时供电，电流均分。当其中下个模块障碍，总负荷由其他5个模块均分，值班人员可立即更换障碍模块，待修复后换上。电池同样可以分成六组，每组为48V/200AH，与自身独立单元整流模块并联浮充供电与负载。很明显，这种分散供电方式运行时不可能所有模块同时发生故障，故可靠性要远大于集中供电。 总之，在设计指导思想上，必须将传统的以蓄电池为主要供电设备，改变为以确保交流电的供应为主，才能满足现代通信的需要。 67 第八章 用电安全技术 随着电气化的发展，电力已成为工农业生产以及人们生活不可缺少的二次能源。由于用电容量的日益增加，随之而来的安全用电矛盾也日益突出。由于电力生产和使用的特殊性，忽视安全将造成人身伤亡和国家财产的巨大损失。因此，搞好安全用电工作，提高安全用电的技术理论水平，落实保证工作的技术措施和组织措施，以防止发生电气设备损坏和人身触电事故，确保电力系统安全可靠地运行。 第一节 电气事故 电气事故的种类很多，习惯上将其分为电流伤害事故、电磁场伤害事故、雷电事故、静电事故和电气设备事故，另外还有电力系统事故等。 1(电流伤害事故 电流伤害事故系指人体触及到带电导体，电流通过人体构成通路，而导致触电的伤亡事故。另外，对于高电压，当人体与导体接近到一定的距离时，也会产生击穿放电，造成高压触电事故。 2(电磁场伤害事故 电磁场事故是指人体在电磁场所及范围，吸收辐射能量所能造成的程度不同的伤害事故。如头痛、头晕、乏力、失眠等中枢神经的功能失调;还有对心血管系统的正常工作产生影响。 3(雷电事故 雷电事故系指直雷击、感应雷击以及高电位侵入所造成的人畜伤亡、电气设备损坏、建筑物毁坏以及火灾和爆炸事故。 4(静电事故 静电事故系指生产活动中产生的有害静电所造成的事故。如在含有爆炸性混合物的场所产生静电放电，从而引起爆炸。静电还对人造成一定程度的电击，也有可能使得正常的生产秩序遭到破坏。 5(电气设备事故 电气设备事故系指电气设备的电气回路发生故障所造成设备损坏事故。一般情况下，电气设备事故一旦发生，往往伴随着发生人身事故。如电气设备的短路故障常常引起火灾、油断路器喷油、爆炸等，从而出现重大的人身伤亡事故等。 6(电力系统事故 电力系统事故是指电力系统中的各种设备，由于绝缘损坏、误操作或由于雷 68 电、外力破坏等影响，可能发生故障或不正常运行状况;如未及时采取措施，就有发展成为影响系统正常运行，甚至造成大面积停电，给国民经济和人民生活带来重大影响的事故。 人身触电事故是电气事故的一种，较为常见。为更好在预防触电事故的发生，就必须加强用电安全技术的学习，掌握和执行各项规章制度，合理地选用配电方式和配电设备，经常保持电气设备的安全运行，熟悉触电规律及触电急救的方法。 第二节 电流对人体的作用 在电气事故中，电流对人体的伤害占有的比例很大。分析各种触电事故，了解电流对人体的作用，解释安全电压标准，制定防范措施，提出安全要求和具体办法，选择和使用安全装置等，具有十分重要的意义。 一(触电事故的种类 当由于某种原因，使人体触及带电体，有电流在人体中流动时，就会对人体造成伤害。伤害的类型主要有电击和电伤。 1(电击 电击系指电流通过人体。破坏人的心脏、肺部以及神经系统的正常工作，及至危及人的生命的伤害。它可以引起心室颤动、血液循环停止或呼吸停顿、窒息等。 2(电伤 电伤系指由电流的热效应、化学效应或机械效应对人体造成的伤害。电伤又称电灼。它常发生在人体的外部，一般在人体外部留下伤痕。如电弧烧伤是最常见也是最严重的电伤。它可以烧伤人的手部和脸部。电弧烧伤常常是因错误操作造成弧光短路而引起;高压电路中，人体过分接近带电体，当小于放电距离时，产生强烈电弧，造成人体的严重烧则死亡。当人体接触带电体，受到电流的化学效应和机械效尖作用时，常使得接触部位的皮肤变硬，如同烙印一般，即电烙印。金属颗粒渗入皮肤，导致皮肤金属化等。电烙印和皮肤金属化都会对人体造成局部伤害。 人身触电时，电击和电伤往往同时出现。 根据触电的方式与电流通过人体的途径，触电一般有三种类型。 1(单相触电 单相触是人站在地面或其它接地导体上，人体的某一部位及一相带电体的触电事故。大部分的触电事故属于这种情况。这种触电情况的危险程度是和配电系统的中性点是还接地有关。在是性点接地系统中发生单相触电时，其回路阻抗很小，电流很大，对人的危险性较大;在中性点不接地系统中，回路阻抗大，电流较小，其危险性相对较小。 69 2(两相触电 两相触电系指人体的两 点同时触及两相带电体的触电事故。其危险性较大。 3(跨步电压触电 当电气发生接地短路三联单地，就有一很大的接地短路电流在大地中流散，从而在地面上产生点点不同的电位分布。如果有人在接地点周围行走，两脚之间出现的电位差，即所谓“跨步电压”。由此而引起的触电事故，就称为跨步电压触电。 二(与触电伤害程度有关的因素 触电对人体伤害的程度与以下几个因素有关: 1(电流大小 电流是造成触电伤害的直接因素。通过人体的电流越大，人体的生理反映越明显，伤害越严重。一般在电流不超过数百毫安时，电击致命的主要原因，是电流引起心室颤动造成的。通常通过人体的工频交流电超过10mA，直流电超过50mA时，触电者就不容易自己摆脱带电体了。 2(触电时间长短 触电危害的程度常以电击能量来表示。所谓电击能量就是用触电电流值与触电持续时间的乘积来表示。显然，触电时间越长，电击能量越大，也就越容易引起心室颤动。一般当电击超过50mA时，人就有生命危险。因此发现有人触电时，应迅速使其摆脱电源。 3(电流通过人体的途径 电流通过心脏会引起心室颤动，电流较大可能使心脏停止跳动，血液循环中断导致死亡;电流通过中枢神经或有关部位，能引起中枢神经系统紊乱，而导致死亡;电流通过头部，能使人昏迷，电流较大时，还会使人脑受损，使人不醒而死亡;电流通过脊髓，使人瘫痪。 通常，电流通过人体不同部位，均会造成不同程度的伤害。其中电流通过人体的途径以左手到前胸的途径最为危险，因为它心脏，路径最短。而从一只脚到另一只脚是危险性较小的一种途径。由于电流纵向通过人体比横向通过人体在心脏上的电流强度较高，更易引起心室颤动，因此危险性更大。 4(电流的种类和电压的高低 工频电流、直流电流、高频电流、冲击电流和静电电荷等对人体均有伤害作用，但以工频电流伤害最重。 人体接触电压越高，通过人体的电流越大，越危险。接触电压高，将使皮肤破裂，人体电阻降低，触电电流随之加大。另外，在人体接近高电压时，由于有感应电流的影响，因而也是委危险的。 5(人体的状况 电流对人体的伤害程度与人体的状况有密切关系: (1)电流对人体的伤害程度与性别有关。对电的敏感性，以女性较男性为高，在触电电流相同时，女性较男性更难以摆脱。 70 (2)儿童遭受电击较成人更为危险。 3)心脏病等严重疾病者或体弱多病者比健康人更容易受电击伤害。精神( 状态不佳、酿酒、疲劳过度及毫无思想准备的人更易遭受触电伤害。 (4)每个人的人体电阻值不同。人体电阻值主要取决于人体角质层的电阻大小。在正常情况下人体电阻值可按1000-2000Ω考虑。影响人体电阻的因素很多，除皮肤厚薄外，皮肤潮湿、多汗、脏污、有破损时人体电阻将大大下降;当与带电体接触面积加大、接触压力增加、均将导致电阻下降;接触电压越高，击穿表皮角质层越快，从而增加机体电解，也会降低人体电阻。 人体电阻越小，遭受电击使人受到伤害的程度也就越加。 第三节 安全电压 安全电压是指为了防止触电事故的发生而由特定电源供电时所采用的电压系列。也就是在各种环境条件下，人体接触到带电体后各部分组织(如皮肤、心脏、呼吸器官及神经系统等)不会发生任何损害的电压。 安全电压又叫安全越低电压。它是制定安全措施的依据。安全电压决定于人体允许电流和人体电阻。 一(人体允许电流 在摆脱电流范围内，人被电击后，能自主摆脱带电体，解除触电危险。所以在一般情况下，可以把摆脱电流看做是人体允许电流。男性的最小允许电流9MA，女性为6MA。当线路或设备装有防止触电的速断保护装置时，人体的允许电流可按30MA考虑。在空中、水面等可能因电击导致摔伤、淹死的场合，人体允许电流可按不引起强烈痉挛的5MA考虑。 二(人体电阻 人体电阻对触电伤害的程度有关，在本章第二节中已经述及，这里要指出的是，人体电阻包括皮肤电阻和体内电阻两部分。体内电阻基本与外界因素有关，一般为500Ω左右。而人体的皮肤电阻则随条件不同在很大范围变化。这样使得人体电阻变化很大。另外，人体电阻不是纯电阻。除电阻外，还含有皮肤并联的电容。因电容很小，一般可忽略不计。 三(安全电压 目前，我国已制定了特定电源供电的不同等级的安全电压标准GB3805-83。我国规定的安全电压等级的额定值为:42V、36V、24V、12V、6V。我国规定的安全电压等级和选用举例如表8-1所示。表中安全电压系列的上限值在正常和故障情况下，两导体间或任一导体与地之间的电压，均不得超过交流有效值50V。空载上限值的规定，主要是考虑某些重负载的电气设备，其额定值虽然符合要求， 71 但空载时，电压将很高。如果空载电压超过了表中规定的上限值，仍应认为不符合安全电压标准。 国际电工委员会(IEC)标准规定，接触电压(即相当于安全电压)的上限值也为50V，或无纹波直流120V。在特殊情况下，接触电压上限值为交流25V或无纹波直流60V。 当电气设备采有的电压超过安全电压的规定时，必须按要求采取防止直接接触带电体的保护措施。 表8-1 安全电压等级和选用举例 安全电压(交流有效值) 选用举例 额定值(V) 空载上限值(V) 42 50 在有触电危险的场所，使用的手持电动工具 等 36 43 在矿井中多导电粉尘等场所使用的行灯等 24 29 可供某些具有人体可能偶然触及的带电体设 备上选用 12 15 6 8 四(安全电压的供电电源 安全电压的供电电源必须是独自电源或安全隔离变压器。 (1)独立电源系指其安全性能与隔离变压器相当的绕线型发电机，以及与公用电力系统无关的自备油机发电机组和化学电池等。 (2)安全隔离变压器通常将两个相对独立的线圈装设在同一铁心上，使一次线圈和二次线圈间不会发生直接击穿。既使出现一次(高压)击穿，也是一次线圈对铁心间的。另外，为了预防万一，安全隔离变压器的铁心必须接地(或隔离层接地)，或采用击穿保险器等来防止高压窜入低压。 应当指出，自耦变压器、分压器和半导体装置等，均不能作为安全电压的供电电源。因为它们均由较高电压的系统供电，其输出回路只能看作是高压电路的延伸，要电气上与较高电压电路没做到严格的隔离。 如采用一般变压器或自耦变压器作为安全电压的供电电源，而不用安全隔离变压器作为供电电源，即所谓的“功能型超低压电路”，是不正确的，往往成为发生事故的隐患，虽然将电路的一端接地或将机身接地，且电压也低到了安全电压，即使只有6V，但实际上这种电路已不属于安全电路。因此，还必须采取其它补充保护措施。 72 第四节 对直接和间接接触触电的防护 一(直接接触触电 直接接触触电是指人体的某些部位及或过分接近带电体所造成的触电形式。对直接触及或过分接近带电导体的防护又称为正常工作条件下的防护或基本防护。直接接触触电的特点是: (1)人体的接触电压就是电路的全部工作电压; (2)电路中的故障电流就是通过人体的触电电流。 这种触电发生时，通过人体的电流较大，非常危险，往往导致触 电死亡事故，应采取妥善的防护措施。 造成直接接触触电的主要原因是误触带电导体和已停电的设备突然来电。 二(间接接触触电 (1)间接接触触电是指在正常情况下，电气设备不带电的金属外壳、金属护罩和金属架构等，因设备漏电、碰壳而发生金属性短路故障时所出现的危险的接触电压，在人体的某部位一旦触及所造成的触电形式。 (2)间接接触触电防护是指间接触及带民导体的防护，间接接触触电防护又称故障条件下的防护或补充防护。 三(对直接和间接接触触电有效的防护 1(采用安全超低电压(即安全电压) 这时系统的额定电压不超过50V，直流不得超过120V。安全电压的供电电源取自安全变压器或电池等。其电路布置应符合下列条件: (1)安全电压电路的零部件与其它电路中的接地体、带电体或保护导体不得相连。 (2)安全电压电路的外露导电件与地及其它电路中的保护导体、外露导电体不应相连;一般也不应与外部导电体相连。当设备本身需和外部导电体相连时，应保证外部导电件上不会出现超过安全电压值的电压。 (3)安全电压电路的带电零部件应与电压更高的电路从电气上分开。其分隔程度不得低于安全变压器一、二次的分隔程度。 (4)安全电压电路的导体与其它电路的导体应尽量分开，如有困难应将前者用非金属外皮(壳)封闭，或利用接地金屏蔽把两者电路分开。当多芯电缆或组合导体中含不同电压电路的导体叶，安全电压电路导体应与其它更高电压电路绝缘。 (5)安全电压插头不应与其它电压插头混用，其插座上不应含有其它电压系统的挑战和保护导体挑战。 (6)移动式安全电压电源应接?级设备或同等绝缘的要求选用和安装。 (7)当额定电压低于25V或直流60V时，可不采取直接接触触电防护措施。否则，应采用不低 于IP2*防护等级的栅栏或外壳进行保护，也可借助耐压 73 500VIMIN的绝缘进行防护。对有火灾及危险的特殊条件下，要求采取防护措施的电压起点应更低。 2(功能性超低电压 电路虽采用了超低电压，但安全电压防护和条件未安全满足。如电路中的一处接地，或电路中含有未与列高电压电路绝缘的电器时，应根据电路情况，增加某些防护措施，如增设栅栏、外壳或能耐压500V以上的绝缘措施，采取把功能性超低电压电路的外露导体和变压器一次保护导体相连或和原边电路中不接地等电位导体相连等措施。 3(限制放电能量 该项措施IEC正在考虑中，目前尚未规定具体要求。 第五节 直接接触触电防护 IEC364对直接接触触电防护规定了五种措施，即把带电零部件绝缘、增设栅栏或外壳，增设挡板、利用电路布置避免触及和利用漏电保护器防护。 IEC439对人身安全方面的防护要求，是以IEC364为基础提出的，它把直接接触触电防护分为两大类;装置本身结构上采取的措施和安装时采取的附加措施。前者直接引用IEC364标准;后者对成套设备的产品特点作了详细的规定。 一(装置本身结构上采取的措施 1(把带电零部件绝缘 这种绝缘是指永久性的绝缘，也就是只有采取破坏手段才能拆除的绝缘。如橡套电缆的护套。 2(增设栅栏或外壳 这种措施属于全封闭或全防护，其防护等级不应低于IP2x。人体易接近的栅栏或外壳的防护等级不应低于IP4x。 在IEC439中还提出: (1)保护性零部件与被保护的带电零部件间应满足电气间隙和爬电距离的要; (2)安装应牢固，在工作中可能出现的拉力或压力下，规定的电气间隙应不改变; (3)需由钥匙应专门工具拆卸、或抽出。 3(增设档板 这种措施属于半封闭或部分防护。它只能防护人体的无意触及，而不能防护有意的触及。挡板的拆除不一定非使用钥匙和专门工具，但应能防止无意的拆卸。一般可设在限制无关人员进入的配电室内。 74 4(利用电路布置避免触及 这种措施也是一种只能防止无意触 及的防护。所有电位不同，不可同时接近的零部件，都应布置在人的手臂可达范围之外。 (利用漏电保护器 5 这是一种附加措施，对其它防护措施起扩大和辅助作用，不能单独采用，更不能取代上述四种防护措施的任何一种。 二(安装时采取的附加措施 1(保护足够的安全距离(间距) 为了防止人体接触及过分接近带电体，或防止发生短路、火灾和爆炸，以及防止车辆和其它物体碰撞带电体等事故的发生，在人体与带电体之间、带电体与带电体之间、带电体与地面间、带电体与其它物体和设施之间，都必须保持足够的安全距离。安全距离的大小应符合在关电气安全规程的规定。 根据电气设备的性能、结构、原理和电压等级等，安全距离可分为以下几种: (1)人体、遮栏和绝缘 板与带电导体间的最小安全距离; (2)各种线路的安全间隙; (3)变配电设备的安全间隙; (4)各种用电设备的安全间隙; (5)检修、维护时的安全间隙。 2(采取屏护措施 利用屏障、遮栏、围栏、护罩、箱盒等带电体与外界隔离，即所谓屏护。 屏护既能起到防止偶然触及带电体的作用，又能作为带电警示，还能起到防止弧光短路、电弧灼伤的作用。 屏护有四种类型: (1)永久性的 如开关的壳盖、设备的遮栏; (2)临时性的 如检修地临时设置的遮栏、围栏等; (3)固定的 如母线的护网等; (4)移动的 如天车滑触 线的屏护等。 当电气设备的带电体包以绝缘材料不便时，或其绝缘不足以保证安全时，都应对电气设备采取屏护措施。 屏护仅仅起到隔离作用，一旦逾越仍有危险，通常还需辅以其它安全措施，如: (1)与被屏护带电体间保持足够的距离; (2)被屏护的带电体应有明显的标志，标明规定的符号或涂上规定的颜色; (3)屏护装置上悬挂相应的标志牌; (4)配合采用灯光或仪表指示有电的信号装置; (5)配合采用联锁装置，当有人逾越屏护时，被屏护设备自动断电; (6)配合采用近电警报装置，有误人、错登动作时，发出音响报警。 75 第六节 间接接触触电防护 间接接触触电对人体的危害程度与接触触 电电压有关，接触电压是在接地短路回路上，人体同时接触及两点间的电压。IEC对接触电压的最大允许接触时间规定如表8-2所示。 表8-2 接触电压(V) <50 50 75 90 110 150 220 280 最大允许接触时间(S) ? 5 1 0.5 0.2 0.1 0.05 0.03 防止间接接触触电的传统方法是将电气设备的金属外壳接地或接零。IEC364对间接接触触电的防护则提出了五种措施，即:利用自动切断电源防护、采用双重绝缘或加强绝缘的。 表8-3 预防接触电压的允许存在 预期接触电压(V) 时间最长分断时间(S) 交流 直流 ? <50 <120 5 50 120 1 75 140 0.5 90 160 0.2 110 175 0.1 150 200 0.05 220 250 0.03 280 310 二、采用双重绝缘或加强绝缘的电气设备(即?级设备) (1)这类防护措施旨在防止电气设备的基本绝缘损坏时，其外壳上出现危险的接触电压。采用这种措施时，应选用经过型式试验并有标志的?级设备(有双重绝缘或加强绝缘)，或符合IEC439规定要求有完全绝缘的成套装置。 (2)对仅有基本绝缘的成套电气设备，在安装时，应增加补充绝缘，并在未绝缘的导电零部件上增加加强绝缘(只是在因结构原因不能采用双重绝缘时应用)，从而达到?级设备或完全绝缘的成套装置相同的完全要求。同时在设备的外壳标明?符号。 (3)仅通过基本绝缘和带电体隔离的导电件都应装于不低于IPх防护等级的绝缘外壳中，外壳就能承受可能产生的电、热应力和机械应力，并不能影响被保护设备的正常运行。 76 (4)可能带电的零部件不应穿过绝缘外壳，外壳内的绝缘材料螺钉不能用金属螺钉代替。 (5)绝缘外壳中的导电件不应与保护导体相连。绝缘外壳的门或盖只能用专用工具开启，且开启后的导电件应设有合格的屏障或栅栏。 (6)几个绝缘的定义 基本绝缘:系指用来对带电体提供防触电基本保护的绝缘; 补充绝缘:系指在基本绝缘一旦损坏时，用来提供防触电防护，在基本绝缘外另加的单独绝缘; 双重绝缘: 由基本绝缘和补充绝缘联合组成的绝缘; 加强绝缘:系指用于带电体的一种单一的绝缘系统，其防出典保护等级相当于双重绝缘。 ? 级设备)、将有触电危险的场所绝缘，构成不导电的空间，电气设备(即 采用不接地的局部等连接保护，或采用等电位均压措施以及实现电气隔离。 一、利用自动切断电源的防护 当电气设备发生故障后，过高的接触电压尚未造成危险的条件下，即在保证人身安全所要求的时间内，利用开关电器将供电的电源切断。 采用这一保护措施，必须考虑以下两个条件: 1(与配电系统的型式有关 与采用TN，TT，IT 各种不同形式的配电系统，在发生故障时，其故障回路的构成是不同的。因此，它们的防护措施也不相同。 (1)TN 系统的防护。 ?所有电器设备的金属外壳均应使用保护接地或保护接零，并应在建筑物进线处做重复接地; ?保护电器和导线截面的选择，应能在规定时间内自动切断供电的电源 。 ?在保护接零系统中，电气设备应采用过电流保护电路，来自动切断供电的电源;对于手持电动工具和移动式电气设备，应装设漏电保安器。 (2)TT系统的防护 ?该系统的电源中性点接地，和用电设备金属外壳的保护接地分开敷设，也就是采用保护接地方式。 ?当系统中由同一保护电器保护各用电设备时，应将这些电器设备的外壳用保护地线连在一起，并与公共接地极相连; ?应满足规定的分断时间要求; ?该系统尽量选用漏电保护器防护，也可以考虑采用故障电压控制的保护电器。 (3)IT系统的防护 ?该系统电源中性点一般不接地或经大阻抗接地，当发生单相接地故障时，接地 电流很小，所以可不切断供电电源; ?由于一相接地将使另外两相的相电压升高，直至线电压，因此，应装设绝 77 缘监视和发出信号，但不切断电源。 ?当发生第二点接地时，可考虑采用TT系统中同样的自动切断供电电源的措施。 (满足故障切除时间的要求 2 故障的切除应在规定的时间内完成。具体的分断时间与多种因素有关，如故障率，但关键是人体触及带电的金属外壳时，与可能受到的接触电压有关。如表10-3所示。 完全绝缘:系指电气设备采用绝缘材料完全封闭起来，外壳防护等级不低于IP4。其外壳应在外表易于看见的位置标有回字符号。 (7)双重绝缘的结构特点: 有些场所在采用一般电气设备而难以满足安全要求，而且采用其他防触电措施困难时，可以采用具有双重绝缘结构的电气设备。具有双重绝缘的设备，不需要做接地保护或其他的特别安全措施。 移动式电气设备和手持电动工具的使用场所不固定，宜采用双重绝缘;特别潮湿或有腐蚀性的场所宜使用具有双重绝缘的电气设备;一些家用电器和医疗器械等的外壳和手柄，也应采用双重绝缘。 双重绝缘的电气设备，其零部件应符合下述要求: ? 带电领部件与不可触及的金属部件间必须由基本绝缘隔开; ? 不可触及的金属部件与可触及的金属零部件之间，应采用补充绝缘隔开; ? 带电另部件与可触及的金属零部件之间，必须采用双重绝缘或加强绝缘隔开; ? 上述各零部件之间，应满足爬电距离和电气距离的要求。 三(利用不导电的空间防护 这种措施可通过绝缘的地面和墙壁等辅以安装方面的某些限制来实现，用以防护因同时触及故障条件下可能带不同电位的零部件而产生的危险。在不导电空间里不允许有保护导体。 四(利用不接地的等电位导体系统防护 这种措施的目的是防止出现危险的接触电压，采用这种防护时，所有可能同时接近的外露导电件和外部导电件，应通过等电位导体连接在一起。但不能经过外露导电件或外部导电件接地。如有接地点存在，不能采用此种防护，而应采用自动切断电源的措施。 五(利用电气分隔防护 电气分隔就是将电源与用电回路做电气上的分隔。也就是将用电的分支电路与整个电气系统隔离，使之成为独立的不接地系统。采用这种防护，应满足以下条件: (1)由独立电源即隔离变压器或与其安全等级相同的电流源供电。 (2)被分隔的电路，其额定电压不应超过500V，线路长度不超过500M。 (3)被分隔电路中的接触器，继电器等带电零部件，不得与地或其他电路 78 相连;其分隔程度不应低于隔离变压器的隔离水平。 4)分隔电路的配线也应尽可能地分隔，否则应选用无金属铠装的多芯电( 缆或有绝缘导管的绝缘导体，且应满足耐压要求，对每一支路还应装设过流保护。 当一独立电源向多个电器供电时，尚应符合下述要求: (1)外露导电件应用不接地等电位绝缘导体连在一起。这些等电位导体不应与其它电路或地连接。 (2)单相使用三眼插座，三相使用四眼插座。 (3)除向?级设备供电的电缆外，其余电缆均应备有供作等电位导体用的保护导体。 (4)当发生影响两个外露导电件的两处故障，并且为两极造成的，应有一个保护电器等在规定的时间内把电源分断。 (5)当被分隔电路与其它电路的外露导电件容易接触时，则不能按电气分隔要求，而应按其他电路中外露导电件所适用的防护措施来防护。 对于成套设备对间接触电的防护，在IES439中做了进一步的规定，即利用保护电路防护或利用完全绝缘防护。 危险影响限值(允许值) 一、通过人体电流允许值 1、电流对人体的影响 表现:感知、疼痛、抽动、呼吸困难、窒息、死亡 根据客观反应，将电流分为感知电流、释放电流、心颤电流、人体效应与电流值如下表所示: 人体效应 电流值(mA) 无感觉 0.9 感觉有电并发麻，但不疼痛 1~3 有针刺状疼痛感，手指轻微抽动，手臂抖动 3~4.5 疼痛，手臂抽筋痉挛 5~7 手臂剧痛，但能自动挣脱带电体 8~15 呼吸困难，手肢发麻，自动挣脱电极很困难 30以下 呼吸困难，心颤开始 50以下 呼吸极度困难，心脏麻痹 100以上 79 国 别 释放电流允许值(mA) 英国 5 德国 9 俄罗斯 10 日本 10 瑞典 10 国际电报电话咨询委员会 15 法国 30 通过心脏电流占总电流电流流经人体路径 百分比(%) 手――手 3.3 右手――脚 3.7 左手――脚 6.7 脚――脚 0.4 触电回路电阻 人体电阻 由M.U.米哈依洛夫推荐: 电压250V 1以下时 人体电阻可取2000Ω 电压250V以上时 人体电阻可取1000Ω 2、工作鞋电阻 潮湿情况下: 400~700Ω 干燥条件下: 可达几千Ω以上 4.2 防护措施 原则:以避让为主，其他防护技术措施为辅。 在高压输电线方面采取的措施 减小零序电流 架设良导体屏蔽线 限制非对称运行状态 限制故障电流时间 裂相 在通信线上采取的措施: 80 保持合理隔距 屏蔽线 明线改金属护层电缆 光缆 提高线路平衡度 安装放电管(仅对高压输电线的危险影响而言) 1.1 高压输电线分类 110kV 220kV (330kV) 500kV 81