直流電源

直流電源有正、負兩個電極，正極的電位高，負極的電位低，當兩個電極與電路連通后，能夠使電路兩端之間維持恆定的電位差，從而在外電路中形成由正極到負極的電流。直流電源是一種能量轉換裝置，它把其他形式的能量轉換為電能供給電路，以維持電流的穩恆流動。

單靠水位高低之差不能維持穩恆的水流，而藉助於水泵持續地把水由低處送往高處就能維持一定的水位差而形成穩恆的水流。與此類似，單靠電荷所產生的靜電場不能維持穩恆的電流，而藉助於直流電源，就可以利用非靜電作用（簡稱為“非靜電力”）使正電荷由電位較低的負極處經電源內部返回到電位較高的正極處，以維持兩個電極之間的電位差，從而形成穩恆的電流。

直流電源中的非靜電力是由負極指向正極的。當直流電源與外電路接通后，在電源外部（外電路），由於電場力的推動，形成由正極到負極的電流。而在電源內部（內電路），非靜電力的作用則使電流由負極流到正極，從而使電荷的流動形成閉合的循環。

表現電源本身的一個重要特徵量是電源的電動勢，它等於單位正電荷從負極通過電源內部移到正極時非靜電力所作的功。

當電源的內電阻可以忽略不計時，可以認為電源的電動勢在量值上近似地等於電源兩極間的電位差或電壓。

為了取得較高的直流電壓，常將直流電源串聯使用，這時總電動勢為各電源的電動勢之和，總內阻也為各電源內電阻之和。由於內阻增大，一般只能用於所需電流強度較小的電路。為了取得較大的電流強度，可以將等電動勢的直流電源並聯使用，這時總電動勢即為單個電源的電動勢，總內阻為各電源內電阻的並聯值。

直流電源的類型很多，不同類型的直流電源中，非靜電力的性質不同，能量轉換的過程也不同。在化學電池（例如乾電池、蓄電池等）中，非靜電力是與離子的溶解和沉積過程相聯繫的化學作用，化學電池放電時，化學能轉化為電能和焦耳熱在溫差電源（例如金屬溫差電偶、半導體溫差電偶）中，非靜電力是與溫度差和電子的濃度差相聯繫的擴散作用，溫差電源向外電路提供功率時，熱能部分地轉化為電能。在直流發電機中，非靜電力是電磁感應作用，直流發電機供電時，機械能轉化為電能與焦耳熱。在光電池中，非靜電力是光生伏打效應的作用，光電池供電時，光能轉化為電能和焦耳熱。

直流電源的技術指標分為兩種：一種是特性指標，包括允許輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調節範圍等；另一種是質量指標，用來衡量輸出直流電壓的穩定程度，包括穩壓係數（或電壓調整率）、輸出電阻（或電流調整率）、紋波電壓（周圍與隨機漂移）。

1、穩壓係數及電壓調整率：穩壓係數是指在負載電流、環境溫度不變的情況下，輸入電壓的相對變化引起輸出電壓的相對變化。電壓調整率是指輸入電壓相對變化為±10%時的輸出電壓相對變化量，穩壓係數和電壓調整率均說明輸入電壓變化對輸出電壓的影響，因此只需測試其中之一即可。

2、輸出電阻及電流調整率：輸出電阻與放大器的輸出電阻相同，其值為當輸入電壓不變時，輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比的絕對值。電流調整率：輸出電流從0變到最大值時所產生的輸出電壓相對變化值。輸出電阻和電流調整率均說明負載電流變化對輸出電壓的影響，因此也只需測試其中之一即可。

3、紋波電壓：疊加在輸出電壓上的交流電壓分量。用示波器觀測其峰峰值一般為毫伏量級。也可用交流毫伏表測量其有效值，但因紋波不是正弦波，所以有一定的誤差。

航天事業擔負著特殊的國家使命。航天通信系統具有專用性和保密性特點，特別是較高的時效性要求。通信電源的可靠性是航天通信部門首要考慮的問題，是通信系統安全運行的重要保證。當前，航天系統各通信局（站）普遍採用UPS系統作為IT設備的主用電源，它克服了因市電中斷而導致的系統中斷。但是，UPS自身、甚至並機冗餘系統的故障導致網路通信事故也時有發生，已產生較大的社會影響和相當的經濟損失。

240V高壓直流供電系統（HVDC）作為一項簡單、可靠的技術，減少了電力轉換環節，提高了供電可靠性和效率，受到了業界的廣泛關注。航天通信部門應積極跟蹤電源科技的發展變化，關注應用實踐中的探索成果，將新技術轉換為新應用，提升航天通信系統的可靠性水平。

240V高壓直流供電系統的優勢

240V高壓直流供電系統有著技術成熟、可靠性高、維護操作簡易、轉換效率高、在線擴容簡單等優點，通信業界一直在探討採用高壓直流系統來代替UPS系統。

240V高壓直流供電系統具有明顯技術優勢和價格優勢，且能在沿用現有的IT設備的前提下推廣使用，因此得到了各級部門的廣泛重視和支持。

1、系統構成簡單

原理、架構與傳統通信局（站）的−48V直流供電系統完全相同，而後者的可用性及可靠性均得到數十年運行的檢驗。因此，該系統易於維護，對廠商的依賴度降低；負載率高且易於擴容；運行效率高；直流母排是電池組、整流器、負載的共同匯結點，系統可靠性高。

2、供電配電簡便

圖為240V高壓直流供電系統圖。

由圖中可以看出，電池組經熔斷器與整流模塊輸出端在總輸出屏構成輸出母排，系統兩路輸出（A路和B路），通過列頭櫃配電，來滿足雙電源伺服器的需求，而單電源伺服器僅使用A路或B路。

系統採用2根電纜（正、負極）、以懸浮方式由電源端向設備端供電；全系統機架外殼與樓層等電位體進行電氣連接。

3、系統投資減少

根據中國電信江蘇鹽城分公司統計數據，相對於新建UPS系統，採用240V高壓直流供電系統可平均節省投資超過40%，整個生命周期內平均節省電力20%～30%

HVDC應用的可行性分析

隨著電源技術的進步，IT設備的電源模塊早已採用高頻開關電源。這樣，240V高壓直流系統供電成為可能。

1、240V高壓直流的可用性

圖為IT設備電源模塊交流電入口處的等效圖。

由圖中可以看出，在傳統的工作環境下，AB間Ui為標稱的220V交流電；全橋整流后CD間Uo將獲得198～308V的直流電（視負載率大小和有無PFC—功率因數校正電路）。

市電電壓波動將引起整流電壓的波動。根據GB/T 12325—2003《電能質量供電電壓允許偏差》的規定，電壓偏差為標稱電壓的−10%、+7%，即198～235.4V，對應的整流電壓Uo為178.2～329.6V。可見，IT設備CD間工作電壓的範圍是較寬的。

當IT設備直接採用直流供電，如A端+、B端－，Ui為DC270V（浮充電壓）時，將使得二極體2、4長期導通，另兩隻1、3長期截止。二極體2、4等效為導體，CD間Uo約為270V的直流電。結論是：IT設備在AC220V或DC270V條件下完全等效工作。

2、HVDC各種狀態下的輸出電壓分析

YD/T 2378—2011《通信用240V直流供電系統》要求，系統應採用鉛酸蓄電池組、並且應具有電池管理能力。鉛酸蓄電池的特性決定了電池組的電壓範圍，而是否在IT設備的承受範圍內是可用性研究的關鍵因素。現以國內某品牌電池為例，分析各種狀態下的輸出電壓。

（1）浮充狀態。YD/T 2378—2011《通信用240V直流供電系統》要求，240V高壓直流電源的輸出電壓範圍是204～288V，全程允許最大壓降為12V，即IT設備的電壓承受範圍是192～288V。常態下，該品牌240V蓄電池組的浮充電壓為270V，滿足IT設備的電壓要求。

（2）放電狀態。當遭遇長時間停電而又無後備手段時，蓄電池組放電的終止（保護）電壓為222V，高於IT設備工作電壓下限（204V）的要求。當然，現代通信局（站）應（都）具有後備電源和快速接續的能力。

（3）均充狀態。該品牌240V蓄電池組的均充電壓為282V，低於IT設備工作電壓上限（288V）的要求。

由以上的參數分析可以得出結論：240V高壓直流供電系統各種狀態下的輸出電壓均可滿足IT設備的工作需要，且有一定的安全裕度。

3、建立了完善的標準體系

我國相繼發布了YDB 037—2009《通信用240V直流供電系統技術要求》、YD/T 2378—2011《通信用240V直流供電系統》、YD/T 2555—2013《通信用240V直流供電系統配電設備》、YD/T 2556—2013《通信用240V直流供電系統應用維護技術要求》、YD 5210—2014《240V直流供電系統工程技術規範》等系統性標準，為推廣240V高壓直流供電系統應用、逐步替代UPS電源系統奠定了紮實的基礎。