Пояснительной записки. Структурная схема ЭПУ

 

Излагая требования к электропитающей установке электронной АТС, необходимо обратить внимание на уровни допустимых напряжений и качество подаваемой потребителю электроэнергии, надежность и бесперебойность энергоснабжения. Анализ аппаратуры АТС как нагрузки ЭПУ проводится после изучения материала по литературе [1,6], а также на основе знаний, полученных при изучении дисциплин "Основы построения телекоммуникационных систем", "Автоматическая коммутация" и др.

Анализ принципов построения ЭПУ проводится после изучения материала по литературе [1 - 6], а также курса лекций "Электропитание устройств и систем телекоммуникаций".

При выполнении раздела 1.3 необходимо обосновать принятое решение, начертить схему ЭПУ, описать подробно ее работу по литературе [1 - 6]. Затем в разделе 1.4 необходимо кратко охарактеризовать назначение, основные характеристики и принцип действия АВР, АДЭС, выпрямительных устройств, аккумуляторной батареи, вольтодобавочного конвертора, инверторов, источника вторичного электропитания по литературе [1 - 6].

Один из вариантов структурной схемы ЭПУ с вольтодобавочным конвертором приведен на рис. 1, где БВ - буферный выпрямитель, РВ - резервный выпрямитель, ВДК - вольтодобавочный конвертор, АБ - аккумуляторная батарея, ППН - преобразователь постоянного напряжения, И - инвертор.

Электроэнергия от энергосистемы по двум независимым вводам от двух линий передачи через силовые трансформаторы ТР1, ТР2 трансформаторной подстанции поступает к шинам переменного тока. От шин переменного тока питаются выпрямительные устройства (ВУ) - буферные выпрямители БВ и резервные выпрямители РВ, а также устройства вентиляции и др. (освещение АТС, отопление, лифты и т.д.).

Для повышения надежности электроснабжения применяют резервирование не только путем переключения потребителей с поврежденного на исправно действующий ввод, но и путем подключения потребителей - в случае аварии на обоих вводах - к собственной дизельной электростанции АДЭС.

 

 

Осуществляется это посредством автоматического включения резерва (АВР). При нормальных условиях потребители АТС питаются от вводов 1 и 2 (нормально замкнутые контакты К1, К2, К5 замкнуты). В случае выхода из строя одного из вводов (например, ввод 1) замыкается контакт К4, а контакт К2, размыкается. Вся нагрузка переходит на другой ввод (ввод 2). В случае выхода из строя обоих вводов замыкаются контакты К3, К4, К6, а контакты К1, К2, К5 размыкаются. Запускается автоматизированная дизельная электростанция АДЭС.

В состав ЭПУ входят один или несколько буферных ВУ (БВ) и резервных ВУ (РВ) с номинальным выходным напряжением 60В. К выходу БВ подключены параллельно резервная и основная АБ. Батареи работают "в буфере" с ВУ и находятся в состоянии непрерывного подзаряда. Это позволяет АБ не разряжаться, находиться всегда в рабочем состоянии. При пропадании переменного тока на вводах и напряжения на шинах переменного тока электроснабжение передается дизельной станции. Но для перехода на работу от АДЭС может потребоваться определенное время (0,5 часа для стационарной и 1 час для передвижной АДЭС) и тогда питание происходит за счет разряда АБ. При размыкании контакта К7 (аварийный режим) батарея сразу же разряжается на нагрузку и перерыва в электроснабжении на шинах постоянного тока не происходит.

Для поддержания постоянного напряжения на шине 60В применяется ВДК (вольтодобавочный конвертор типа КУВ или КВ - см [6], стр 226). При понижении напряжения ниже допустимого в процессе разряда АБ срабатывает вольтреле и размыкает К8. Диод Д закрывается, так как на его катод подается "+", а на анод "-". Таким образом, диод Д обеспечивает бесперебойность питания аппаратуры от момента размыкания контактов К8 до появления напряжения на выходе ВДК. ВДК соединен с АБ последовательно, поэтому на шины постоянного тока подается сумма напряжений АБ и выходного напряжения ВДК. Последнее повышается по мере снижения U _{вых АБ} таким образом, что U _ВДК + U _{вых АБ} = const. Система с ВДК позволяет плавно поддерживать напряжение в режиме послеаварийного разряда батареи АБ.

Выбор оборудования ЭПУ

 

Для выбора аппаратуры ЭПУ (выпрямителей, аккумуляторных батарей, вольтодобавочного конвертора и т.д.), а также расчета токораспределительной сети необходимо знать суммарный ток, потребляемый АТС в час наибольшей нагрузки I _чнн. Кроме мощности, поступающей от энергосистемы через ЭПУ к аппаратуре связи, от той же энергосети потребляется мощность самими устройствами электропитания. Ток, потребляемый оборудованием АТС в буферном режиме, задан как ток часа наибольшей нагрузки I _чнн. Он слагается в общем случае из I_{а.з .}- тока автозала, I_киа - тока контрольно-измерительной аппаратуры, I_кросса - тока кросса, I_сву - тока сигнально-вызывных устройств, I _лац - тока линейного автоцеха.

I _чнн = I_а.з + I_киа + I_кросса + I_сву + I _лац + ¼

§ Ток, потребляемый вольтодобавочным конвертором

Если в состав ЭПУ входит вольтодобавочный конвертор (ВДК), то следует учитывать потребляемый им ток, как в буферном, так и в аварийном режимах.

 

Предположим, что в ЭПУ будет использоваться выпускаемый промышленностью КВ 12/100 с максимальным выходным напряжением 12В и номинальным выходным током 100А (см. Приложение 11. 1). Количество ВДК определяется как

N кв= (I чнн+ I ао)/ 100

Мощность (ток) аварийного освещения I ао определяется как 20% относительно рабочего освещения, а величина последнего зависит от площади, занимаемой аппаратурой ЭПУ и АТС. Площадь, занимаемая ЭПУ (S эпу), может составлять, например, 80-120 м², площадь, занимаемая станцией 200-250 м². Мощность рабочего освещения обычно составляет 5 Вт на 1 м². Исходя из этого следует рассчитать ток I ао. Если площадь, занимаемая ЭПУ, неизвестна, то можно принять Iао равным 3% от I_чнн.

Ток потребления конверторов рассчитывается следующим образом.

а) Для конверторов типа КВ 12/100 наблюдается зависимость потребляемого тока I пкв от питающего напряжения

(U вых_АБ), которая приведена ниже на рисунке 2.

При послеаварийном заряде батареи, т.е. когда напряжение аккумулятора U_ак < 2,2В ток I пкв может быть значительным. Например, если U_ак =2,03В, то при 28 аккумуляторах в батарее U вых _АБ =56,8В и I пкв=12А. Тогда в режиме холостого хода конвертора (буферный режим ЭПУ)

, (А).

Ток I_ххкв нагружает выпрямительные устройства, что следует учитывать при их выборе. Когда U_ак достигает 2,2В в буферном режиме, то ток конверторов холостого хода становится мал (I_кв ®0), им пренебрегают.

б) Ток потребления ВДК в режиме аварийного разряда батареи

, (А)

I_ВХМАХ = 30А - ЭПУ имеет стационарную  АДЭС, I_ВХМАХ = 27А - передвижная АДЭС.

Коэффициент 0,86 учитывает непостоянство тока, потребляемого преобразователями в процессе разряда батареи.

Количество КВ выбирается с учетом резервных. На 1-4 рабочих КВ - один резервный. Общее количество КВ обозначим N '_кв. Резервные КВ подключаются параллельно рабочим и монтируются в общих каркасах.

Схему подключения КВ следует изобразить на общей схеме ЭПУ с учетом количества конверторов (см. Приложение 11.1).

§ Выбор емкости аккумуляторной батареи

Во время отсутствия напряжения в питающей сети переменного тока (аварийный режим) все потребители должны питаться от аккумуляторных батарей (АБ). Поэтому емкость аккумуляторных батарей рассчитывается на питание аппаратуры связи, сети аварийного освещения, хозяйственных нагрузок и других потребителей, питание которых необходимо обеспечить в это время. Определяющими величинами при расчете емкости аккумуляторной батареи и установления ее типономинала является ток, отбираемый при разряде, в совокупности со временем разряда.

§ Количество групп АБ

Согласно нормам [9] все ЭПУ буферной системы, питающие аппаратуру связи, должны быть укомплектованы двухгруппной аккумуляторной батареей - основной и резервной (в каждой группе аккумуляторы соединяются последовательно, а сами группы работают параллельно). Поэтому принимаем n _гр =2.

§ Время разряда t раз.

Для всех предприятий электросвязи, относящихся по условиям надежности электроснабжения к особой группе первой категории потребителей (группа А), а также для районных узлов связи (сельскохозяйственных районов) ёмкость каждой группы АБ рассчитывается из условия обеспечения в течение 0,5 часа электропитанием (током I _чнн) всех технологических потребителей, а также сетей эвакуационного и аварийного освещения. ЭПУ неузловых АТС емкостью 3000... 20000 номеров на районированных сетях, обеспеченные внешним электроснабжением от двух независимых источников электроэнергии и не имеющие собственных электростанций, а пользующихся, например, передвижной АДЭС, должны иметь 2 группы АБ, емкость которых рассчитана на 1 час. Для сельских электромеханических АТС расчетное время батареи - 5 часов. Для сельских электронных АТС расчетное время батареи - 10 часов.

§ Ток разряда I раз аккумуляторной батареи

Суммарный ток, нагружающий батарею в режиме аварийного разряда, включает потребители АТС, аварийное освещение и ВДК

I раз= I чнн+ I ао+ I кв, (А)

где- I чнн - ток чнн станции, I ао - ток аварийного освещения, I кв - ток потребления ВДК в аварийном режиме.

§ Параметры аккумуляторной батареи

Батарея получает непрерывный подзаряд в условиях нормального электроснабжения от стабилизирующих выпрямительных устройств или от отдельного стабилизирующего выпрямителя для компенсации саморазряда аккумуляторов. На предприятиях и сооружениях связи должны применяться стационарные кислотные герметичные аккумуляторы (малообслуживаемые или необслуживаемые). Напряжение непрерывного подзаряда (содержания) определяется в зависимости от числа последовательно соединенных аккумуляторов из условия обеспечения напряжения U _{н ак}=2,2В ± 2% на аккумулятор. Электродвижущая сила полностью заряженного кислотного аккумулятора лежит в пределах 2.06...2.15 В. Предельное значение разрядного напряжения, до которого можно разряжать аккумулятор стационарного типа составляет U_к.р.=1.8В для одночасового и U_к.р.=1.75 В для получасового режима разряда. При заряде его напряжение возрастает до U _кз =2.3В.

Емкость кислотно - свинцового аккумулятора при разряде (Qр) зависит от качества активной массы пластин, от величины разрядного тока и от температуры электролита. Приведенная к режиму 10-и часового разряда для двухгруппной аккумуляторной батареи в ампер-часах, емкость может быть определена по формуле:

 , (А час),

где Iраз - разрядный ток в амперах, tраз - время разряда каждой группы аккумуляторов в часах; t ⁰ - фактическая температура электролита аккумуляторов в градусах Цельсия, k - температурный коэффициент емкости аккумуляторов, q_t - коэффициент изменения емкости кислотно-свинцового аккумулятора, зависящий от режима разряда (отношение емкости аккумулятора при заданном режиме разряда к его номинальной емкости).

Для вновь проектируемых установок принимается t ⁰ = 15⁰ С, k - равен 0,005 при десятичасовом, 0,007 при трехчасовом, 0,011 при одночасовом, 0,012 при получасовом разрядах, когда t ⁰ <+25⁰ и равный 0,006 при десятичасовом, 0,009 при трехчасовом, 0,1 при одночасовом разрядах, когда t ⁰ >+25⁰C. Для вновь проектируемых установок принимается k =0.008. При определении коэффициента q_t для кислотных аккумуляторов можно воспользоваться таблицей 1.

Таблица 1.

Режим разряда, час	qt	k (проект)	k, t0>+250C
tраз = 3 час	0,75	0,008	0,007
tраз = 1 час	0,51	0,008	0,011
tраз = 0,5 час	0,35	0,008	0,012

 

§ Типономинал аккумулятора

Наиболее распространенными типами аккумуляторов являются аккумуляторы с жидким электролитом, например, серии OPzS, и аккумуляторы с электролитом, загущенным в гель OPzV. Технические данные приведены в Приложении 3.

Аккмуляторы имеют обозначение по DIN: например,

4 OPzV 200 WE обозначает

4— количество положительных пластин

OPzV— стационарный, свинцовый, герметизированный, необслуживаемый (S- обслуживаемый, т.е. с жидким электролитом)

200— номинальная емкость в Ач

WE — универсальное исполнение.

По расчетному значению емкости определяют типономинал аккумулятора каждой группы из таблицы Приложения, который представляет собой ближайшее большее целое число.

Например, при расчетной емкости 700 А час следует выбрать аккумулятор 7 ОPzS-800 с номинальной емкостью 800 А час (табл. П3.1)  или 8 OPzV 800 с номинальной емкостью Q _ном = 800 А час (табл. П3.2).

Индексовый номер аккумулятора определяется как:

n _ак = Q _ном /125 для аккумуляторов OPzS табл. П3.1,

n _ак = Q _ном /200 для аккумуляторов OPzV табл. П3.2

§ Число аккумуляторов в батарее

В ЭПУ с ВДК разряд аккумуляторной батареи сопровождается компенсирующим повышением выходного напряжения ВДК и напряжение на шинах постоянного тока обеспечивается не ниже допустимого. Поэтому если послеаварийный заряд элементов АБ осуществляется без отключения их от нагрузки, то при выборе числа аккумуляторов в каждой группе АБ обоснованием является соотношение U вых _АБ £ U _{п max}. Тогда число аккумуляторов N _ак не может превышать N _{ак доп} , которое определяется напряжением конца заряда одного аккумулятора:

N _ак £ N _{ак доп} =(U _{п max} - D U) / U _кз,

где U _{п max} - максимально допустимое напряжение из табл.2, D U - падение напряжения в ТРС (токораспределительной сети), обычно D U £ 4В,   U _кз - напряжение конца заряда одного аккумулятора, равное U _кз =2,3В для кислотных аккумуляторов.

Необходимое число аккумуляторов каждой группы батареи N _ак в ЭПУ без вольтодобавочного конвертора определяется минимально допустимым напряжением питания аппаратуры U _{п min}, падением напряжения в ТРС D U при максимальном токе нагрузки и конечным напряжением разряда одного аккумулятора U _кр (напряжение конца разряда).

В соответствии с ОСТ 45.183-2001 [9] можем принять следующие значения напряжений на шинах постоянного тока ЭПУ (см. табл. 2): минимальное напряжение 48В, максимальное напряжение 72В.

Фактическое падение напряжения в токораспределительной сети определяется после ее расчета (выбор шин, кабелей, проводов, расчет суммарного падения напряжения). Для предварительного расчета можно принять следующие значения D U. Верхний предел суммарной величины падения напряжения в ТРС для ЭПУ с вольтодобавочными конверторами целесообразно ограничить 4 В. Эта величина может быть рекомендована к применению для протяженных разветвленных ТРС с большими величинами потребляемых токов при условии использования в одной группе батареи 29 аккумуляторов. В ряде случаев проектирования ТРС можно ограничиться величиной падения напряжения 1,5 В при 28 аккумуляторах.

 

Таблица 2

Номинальное напряжение, В	Минимальное напряж., Uп min, В	Максимальное напряж., Uп max, В	Действ. знач. напр. пульсаций Uппул, мВ
24	20,4	28	250
48	40,5	57
60	48	72

Напряжение на выходе аккумуляторной батареи в буферном режиме рассчитывается, исходя из числа последовательно соединенных аккумуляторов N ак и номинального напряжения одного аккумулятора U н ак:

U вых _АБ = N ак U н ак (В),

Напряжение U вых _АБ должно соответствовать нормам (см. табл.2). Очевидно, выходное напряжение выпрямительных устройств, которые работают параллельно с АБ, тоже равно

U вых_АБ.

§ Послеаварийный заряд батареи

В ЭПУ с автоматизированным зарядом элементов АБ на шинах нагрузки послеаварийный режим протекает без участия обслуживающего персонала. Обе группы батареи полностью заряжаются от буферных выпрямителей без отключения от шин питания АТС. Заряд осуществляется в две ступени. На первой ступени выпрямители работают при стабилизации тока. Ток послеаварийного заряда определяется как

I_з = I _{з ак} · n _ак · n _гр, (А),

где I _{з.ак .} - ток заряда одного аккумулятора минимальной емкости принимаем равным 2А,. n _ак - индексовый номер аккумулятора, n _гр - число групп АБ, равное 2.

На второй ступени выпрямители работают при стабилизации номинального напряжения АТС, зарядный ток по мере восстановления батареей израсходованной емкости постепенно снижается. За первые 10 часов заряда батарея получает не менее 80%, а за первые сутки - не менее 90% израсходованной при разряде емкости.

Контрольный заряд батареи

Для стационарных аккумуляторов буферной ЭПУ предусматривается режим контрольного разряда и заряда от электросети или АДЭС. Разряд осуществляется на нагрузочное сопротивление с отключением от шин нагрузки. Заряд батареи после контрольного разряда осуществляется от буферных ВУ в режиме стабилизации тока (или АДЭС) до максимально допустимого напряжения ЭАТС. Напряжение одного аккумулятора при этом равно

U _{контр.з} = U _{п max} / N ак (В),

Батарея на время заряда должна быть отключена от нагрузки. Количество Ампер часов, сообщаемых батарее при заряде, должно на 15%-18% быть больше количества Ампер часов, полученных от батареи при разряде. Ток контрольного заряда определяется как

 (А),

где Q ном – емкость типониминала выбранного аккумулятора.

При повышении напряжения батареи до максимально допустимого напряжения  выпрямители автоматически переключаются в режим стабилизации напряжения, когда напряжение батареи составляет 2,2 В на аккумулятор.