1、240V直流供电系统设计方案探讨摘要 高压直流供电自身作为一种简洁、节能、可靠的供电方式日益引起人们的关注，国内三大电信运营商先后都进行了高压直流供电的试验，取得了一定的经验。本文重点从系统设计的角度，对比与-48V直流供电系统，对高压直流供电系统的接地方式、配电系统的扩容、断路器的选取等方面进行了说明关键词 高压直流 -48V直流 系统设计 接地方式 断路器选取0 前言随着计算机互联网的高速发展，互联网数据中心（IDC）的规模越来越庞大，传统的服务器电源是按交流供电设计的，采用UPS不间断电源（Uninterruptible Power Systems-UPS）设备供电。从电源系统本身而言，
2、相对于UPS电源系统，高压直流（HVDC）具有系统结构简单、维护方便；电源模块化设计、方便扩容；减少了逆变环节、系统效率高；后备蓄电池直接并接直流母排上，供电可靠性高等优点。正是由于高压直流系统本身的这些优点，促使人们探索传统按交流设计的服务器是否可以采用高压直流供电？国内三大电信运营商先后都进行了高压直流供电的试验，取得了一定的经验和数据。高压直流供电系统设计，与传统的-48V直流供电系统相比，有共同之处，都是交流电经整流后直接供电给用电设备。但是，绝不是简单地提高了输出电压。高压直流电源系统设计需要注意诸多的问题，比如，电源系统的接地方式、绝缘检测、断路器或熔断器的选取以及传统的服务器拨动
3、开关无法直接开断额定的直流电等等，本文重点从供电系统角度出发，结合工程实际提出了建议，仅供大家参考。1 高压直流供电系统简介1.1 高压直流供电系统简介目前业界比较一致的观点为采用标称电压240V的直流电源，每组电池采用120只2V电池、或40只6V电池、或20只12V电池。本文的高压直流电源系统指的是240V直流电源系统。图1 高压直流供电系统框图正常情况下，系统运行在并联浮充状态，系统电压约为270V，整流模块、负载、蓄电池并联工作。整流模块除了给通信设备供电外，还为蓄电池提供浮充电流（浮充状态下，充电电流值很小）。当交流电断电时，整流模块停止工作，由蓄电池放电供通信设备用电。交流电恢复后
4、，整流模块一方面为通信设备供电，同时为蓄电池均衡充电，系统电压约为280V。1.2 整流模块、后备蓄电池容量的选取类似于-48V直流电源系统，整流模块按N+1冗余配置，除满足负载电流与蓄电池的充电电流外，另考虑备用模块，蓄电池充电电流按0.1C10考虑。后备蓄电池的容量，根据市电引入类别，按照通信行业标准YD/T 5040-2005通信电源设备安装工程设计规范提供的公式计算，需要注意的是，公式中的电流“I”，一般应考虑在标称电压240V时设备的工作电流。2 高压直流供电系统的特点2.1 高压直流系统的接地方式首先说明一点，现行的通信行业规范没有规定高压直流供电系统的接地方式。YDB 037-2
5、009通信用240V直流供电系统技术要求属于技术报告的形式。从上面的高压直流供电系统框图可以看出，不同于-48V直流供电系统，高压直流电源系统一般采用悬浮方式供电，正负母排均不接地。系统设置绝缘检测单元，对直流母排、输出分路进行绝缘检测和接地故障告警。个人理解采用悬浮方式供电的原因主要有以下几点：（1） 若采用高压直流的某一极（正极或负极）接地的方式，倘若另一极（负极或正极）不慎也接地，将发生短路，产生灾难性的后果。（2）整流模块将交流电整流为直流240伏输出，系统交流输入与直流输出电气隔离。采用悬浮方式供电，正负母排均不接地，假如人不慎接触到其中的一极，由于不形成供电回路，通过人身的电流很小
6、，不至于危及人的安全。同时，供电系统会正常供电，供电连续性较好。（3）高压直流电源系统悬浮方式供电借鉴了电力操作电源的接地方式。变电站继电保护设备的操作电源，一般选取DC 220V或DC 110V，用于控制装置、工业计算机、断路器等设备，采用的为悬浮方式供电。高压直流设备的输出母排、电缆连接点等带电部分都采取了加装热塑套管等防护措施，一般情况下维护人员不易碰到带电部分，是比较安全的。尽管高压直流电源系统的正、负极均不接地，但是设备外壳的接地和-48V系统、交流供电系统一样，是需要可靠接地的，在通信机房直流列头柜中输出的是正、负、地三根线。2.2 高压直流系统的电池保护高压直流供电系统一般配置2
7、4组蓄电池，电池保护断路器（或熔断器）的容量按满足远期负载电流配置。当配置两组电池时，电池保护断路器（或熔断器）的容量，至少应大于负载的远期负荷电流，也就是说需要考虑一组电池故障或检修时，另一组电池可满足负载放电的需求。通信设备都是恒功率工作的，电压降低，电流值会增大，设备工作电流按系统电压为216V时考虑，对应单体电压为1.8V。高压直流电源系统采用悬浮方式供电，电池保护若采用熔断器，正、负极均需要装熔断器，熔断器的个数比-48V直流电源系统多一倍。相对于-48V电源系统，高压直流电源系统电压等级高，更换器件危险性相对较高，电池保护推荐采用耐压值合适的直流断路器。2.3 高压直流系统的配电分
8、路-48V电源系统的直流配电屏，配电分路多采用熔断器，设备成本较低，优点是不易因人为刮碰意外分断。类似高压直流电源系统电池保护推荐采用直流断路器的原因，高压直流的配电分路，建议尽量采用直流断路器，少采用熔断器。采用直流断路器的优点是操作、维护方便、故障恢复快。采用直流断路器，要注意断路器本身的耐压值一定要满足系统电压的需求，工程实际中，一般采用3P直流塑壳断路器与2P直流小型断路器。3P直流塑壳断路器使用较为普遍，实际使用时一般某两级串联，作为2P开关使用，这样做，也提高了开关的耐压值。高压直流供电系统的配电分路，要选用特殊设计的直流断路器，切勿简单地将交流保护断路器用于直流系统，由于直流系统
9、的特殊性，这样使用是存在潜在的风险和明显的误差的。2.4 其他2.4.1 关于服务器的拨动开关与普通电源插座现在数据专业的标准机柜内服务器电源不少都采用电源插接板插接，一个机柜内有多台服务器在用，服务器机柜上设有拨动开关。刀片服务器的额定功耗比较大，多台服务器共用一个电源插线板的方式，本身就不太安全。服务器上的拨动开关无法直接开断额定的直流电流，普通的电源插座也不能直接插拔240V直流。采用高压直流电源系统供电，建议在服务器机柜内，为每个服务器配置与之额定功耗相匹配的直流小型断路器作为保护，尽量少拨动服务器上的拨动开关，甚至可以考虑把原有的开关短接。现在2P直流小型断路器，耐压值完全可以满足2
10、40伏直流电源系统需求，开关容量从1A、2A、3A至63A不等，规格型号也可以满足不同服务器的需求。工程中建议尽量少采用普通的电源插座，少数场合需要使用电源插座时，可采用特殊设计的电源插座。插座进线采用直流小型断路器保护，直流小型断路器与电源插孔互锁，小型断路器闭合时，插孔中的电源线无法拔出；只有当小型断路器断开时，插孔中的电源线才可拔出。2.4.2 高压直流系统的扩容、维护高压直流电源系统容量的扩容，类似于-48V电源系统的扩容，可采用在线增加整流模块的方式，操作方便；但高压直流电源系统配电屏的扩容，较为麻烦。-48V直流电源系统，直流配电屏扩容，可采用正、负母排分别连接，带电操作。高压直流
11、电源系统由于电压等级高，切不可如此，若日后需要进行带电扩容，在建设初期，需要预留扩容使用的开关，以便完成系统的扩容。维护高压直流设备，要注意采取绝缘措施，需要带绝缘手套和穿绝缘鞋。2.4.3 高压直流正负极与220V设备L、N的对应关系按照YDB 037-2009通信用240V直流供电系统技术要求，目前普遍采用的全波整流的服务器设备，从理论上说，直流系统的正、负极和设备输入的L、N无需严格按照某种对应关系。但是从管理的规范、运行的安全及维护的方便考虑，应尽量采用统一的对应关系。直流输出“正”极对应与设备输入电源线的“N”端，直流输出“负”极对应与设备输入电源线的“L”端，设备输入电源线的“地”
12、端与系统保护地可靠连接。对于采用半波整流方式的服务器，若按照上述对应关系，设备无法工作，可将直流输出“正”极对应与设备输入电源线的“L”端，直流输出“负”极对应与设备输入电源线的“N”端，服务器设备可正常工作。2.4.4 双电源服务器的电源输入对于双电源输入的服务器设备，可从一套高压直流电源设备引电，若设备的安全等级要求高，两路电源也可从两套高压直流设备引电。3 结束语现有、在网运行的服务器是按交流电设计的，内部有整流、滤波、功率因数校正等电路，这些电路在直流环境下是不需要的。现在所进行的高压直流的试验，也就是想办法使按交流设计的服务器，可以采用直流240伏等电压等级安全地供电，作为试验可以，
13、长久使用不甚合理。通信网络的安全为头等重要大事，节能、节省投资不能以牺牲安全为代价。按交流电设计的服务器长期运行在直流环境，一旦出现故障，会与服务器场厂家产生纠纷，分不清责任。因此，服务器生产厂家推出按直流环境设计的服务器，并经运行时间检验安全可靠，才能为大规模地推广应用高压直流供电创造必要的条件。IT服务器除在通信运营企业使用外，金融系统、网站等也在大量使用服务器，由于隶属于不同的行业管理，供电标准较难统一。但是服务器大规模采用直流供电是发展方向，是大势所趋，尽管过程将比较漫长。众多电源同仁的努力推动，将会大大缩短这一进程。参考文献：YDB 037-2009通信用240V直流供电系统技术要求
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