CN2764034Y - 一种直流电输出设备防强电灌入的安全装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种直流电输出设备的安全装置，它主要由整流二极管D1、D2、D3、D4、D5、稳压二极管DZ1、DZ2、压敏电阻DV1、DV2、光电耦合管IC、可恢复保险丝PTC1、PTC2和告警信号输出端S组成。由于本实用新型设有告警信号输出端并串接有发光二极管、稳压二极管，当异常电源的电压灌入输出端时，发光二极管导通发出现场光告警信号且告警信号输出端输出脉冲电流告警信号，使得本实用新型具有强电灌入告警功能。本实用新型采用光电半导体元器件，具有结构紧凑小巧、性能完善、可靠性高、易于安装和检测的特点。且由于本实用新型在电路中采用可恢复保险丝，因而本实用新型电路具有自复性。

Description

一种直流电输出设备防强电灌入的安全装置

技术领域

本实用新型涉及一种设备用电保护装置，特别是涉及一种直流电输出设备的安全装置。该装置可用来防止交流强电通过直流电传送电缆灌入直流电输出设备并具有一定的防雷功能的安全装置，可以保护安装、操作和维护人员的人身安全及直流电输出设备安全的开路式可恢复性告警保安单元。

背景技术

近年来，中国电信的无线市话网络PHS(小灵通)系统迅速发展，尤其是进入广大农村地区，随着它覆盖范围的延伸，小灵通基站的安装地域越来越广。但由于我国现有的市电网络的缺陷，诸如过大的电压波动、频繁的电网故障、经常性的区域停电等等因素的大量存在，使发展和建设中的PHS系统的小灵通基站的供电不良问题日益突现，小灵通的发展出现了瓶颈。它不但影响了小灵通的正常发展，也降低了用户的满意度，使电信部门既蒙受了经济损失，又极大地减低了小灵通在用户心目中的形象。因此电信部门为减少PHS系统因市电网络故障造成服务中断现象的发生，为小灵通基站配置了不间断后备电源(UPS电源)。然而UPS电源所能提供的后备使用时间有限，以及随着季节的变换，室外高低温差的变化大，UPS电源的蓄电池的容量与寿命也随之变化，使用的区域受到限制。比如我国北方地区在冬天时UPS电源不能工作，南方地区在夏天时蓄电池寿命和后备供电时间会明显减短。并由于UPS电源是放置在室外，其核心器件蓄电池根本无法进行维护保养。综合前述因素，造成UPS电源寿命短、维护难、费用高、无法持续提供后备供电等问题。因此小灵通基站的供电方式正从市电+UPS方式转向市电+直流远供的方式，即平时供电以交流电为主，当交流电中断时，能自动切换至由直流远供系统通过通信电缆向小灵通基站提供电源。

小灵通基站直流远供系统由安装在机房的局端设备和安装在小灵通基站侧的远端设备组成。根据电信部门的要求，在小灵通基站直流远供系统中，局端设备应安装在机房内的标准机柜上，实现将机房内-48V直流电转换成260±40V的直流电，并传送直流电压检测信号，检测远端设备的工作状态；直流电通过N对小截面的通信电缆传送到远端设备；远端设备主要实现直流电/交流电的检测和切换控制，进行DC/DC或DC/AC变换等功能。因此，远端设备必须同时具有220±55V交流电和260±40V直流电的输入方式，为小灵通基站工作提供工作电源。

这就形成了远端设备与220V交流电混接在一起，是属于不安全隐患的危险源。如果发生220V交流电从远端设备通过通信电缆灌入交换机房，将可能造成系统设备损坏并伴有引发火灾危及机房安全的危险。

小灵通基站直流远供系统于2003年在福建、广东、浙江等地的电信部门开始试安装运行，其功能也是在试安装运行的过程中逐步的完善，但功能中的安全特性还有技术难题没有得到解决。在中国电信集团、广东电信公司、福建泉州电信公司的小灵通直流远供系统的技术规范文件里，都要求直流远供系统必须具备传输对地悬浮(即对大地为零电位)的直流电压和强电入侵告警功能。福建泉州电信公司甚至提出必须具备强电灌入告警功能。根据电信部门技术人员解释，入侵的含义是交流电的火线碰触、搭接直流远供系统传送电缆的任一极时为入侵；灌入的含义是交流电的两极与直流远供系统传送电缆的两极同时碰触、搭接。泉州电信公司提出的具备强电灌入告警功能是不无道理的。因为系统传输的是对地悬浮的直流电压，如果只是短时间的交流电入侵一般不会对系统构成损害，而系统的远端是直接与交流电混接在一起的，更可能会发生的是强电灌入而不是强电入侵。由于直流远供系统是一种电压源，内阻极小，若发生瞬间的强电灌入，都将产生大电流而对系统造成损害，甚至会危及周边的其它设备，酿成重大的安全事故。因此，强电灌入的危害性远远高于强电入侵的危害性。如果发生在无人值守的机房内后果更是不堪设想。由此可见，防止强电灌入比防止强电入侵更具有实际的使用价值和现实意义。但由于在此之前尚无可靠的防止强电灌入的技术解决方案，绝大多数的制造商甚至连强电入侵告警的安全特性都不具备。因此各地的电信部门都只是少量的试用直流远供系统。那么如何防止强电通过通信电缆灌入通信机房造成安全事故的发生，以确保通信机房的安全，为推广应用小灵通基站直流远供系统奠定下坚定的技术基础，成了电信部门极为关心的技术课题。

根据《中国电信集团小灵通基站直流远供系统技术规范》4.18“电力线碰触保护”的要求：用户线被220V电力线碰触时，远供系统应停止输出，发出告警信号并上传，且设备应无损坏、不起火；5.18.2“电力线碰触试验方法”的要求：把电力线碰触在任意一条双绞线上，持续一个小时，观察设备是否有告警输出，是否损坏、起火；4.19“电压悬浮”的要求：在线路上传送的直流电压，必须是对地悬浮，试验时电压表读数应小于10V。《广东电信公司小灵通基站直流远供系统技术规范》7.3.3“电力线搭接防护性能”的要求：用户线因为多种原因会被电力线搭接，如果电源远供设备没有相应的防护措施来处理，将会对设备、人员造成威胁，所以当线路被220V电力线搭接时，电源局端远供设备须有监控告警信号发出，并且电源设备(包括局端和远端设备及保安单元)应无损坏、不起火，但允许中断工作；7.3.1“电压安全”的要求：为了消除线路上传送的高电压对工作人员的安全隐患，局端设备上必须有安全措施：在线路上传送的须是对地悬浮(即对大地为零电压)的直流电压。用万用表测试电源正极或负极对地电压，应该呈低电压或者零电压；《福建省泉州电信远供电源产品询价邀请书》的“产品通用特性要求”的“可靠性”：……必须具有市电入侵检测功能；“具体技术要求”的“保护特性”：……能抑制强电灌入及一定的防雷功能；“具体技术要求”的“显示报警特性”：……强电入侵等等一系列声光告警；“安装测试要求”的“设备供应商应提供安装服务和指导，并完成以下安装要求”：防止出现外线对错线序时，A、B线上的直流高电压将通信终端烧毁，所以电缆中的同一对双绞用户线须用在同一极性线组中。线路上进入MDF设备时，原来的保安单元无法适用直流远供的电压电流，必须重新更换。230V气体管更换为350-420V的压敏电阻；PTC元件更换为1.5-2.5A的熔丝；该保安器由厂家负责提供，要求与配线架保安器适配；“设备与线路的配合要求”的“输出电压对通话、人员的影响”：……因为在线路上传送的电压比较高，所以局端设备上必须有安全处理措施：在线上传送的须是对地悬浮(即对大地为零电位)的直流电压，以保证当人员触碰任一根用户线芯时，不会发生触电事故。综上所述，直流远供系统应具备的安全特性包括有：1、直流远供设备被电力线碰触、搭接造成强电入侵时，应能发出告警信号，并且电源设备(包括局端和远端设备及保安单元)应无损坏、不起火，但允许中断工作。2、能抑制强电灌入及一定的防雷功能。3、传送的须是对地悬浮的直流电压。同时明确了原来的MDF保安单元无法适用直流远供的电压电流，并且要求适用于直流远供系统的保安器要与原来的配线架保安器适配。也就是说该保安器必须是独立的、可以直接安装在原来的配线架上的保安单元插槽内，并可以将告警信号上传给配线架上原来的报警监控设备。

由此可见，电信部门对直流远供电源的安全特性有了严格的强制性要求和检测办法，甚至对保安器的元器件的选用、安装方式和安装位置都提出了明确的要求。但这要求是建立在原来适用于电话线路的熔丝熔断开路或短路式保安器上加以改进的，而这样的改进并不能真正满足直流远供系统对安全防护的需求。因为原来的保安单元除了无法适用直流远供的电压电流外，更重要的原因是当通信电缆用于电话时，输出内阻大于1KΩ，有短时间的交流入侵或强电灌入在不足以熔断熔丝的情况下，一般不会对机房设备构成损害，所以原来的保安单元可以也一般都采用大电流熔丝熔断的保护方式。但直流远供系统是电压源，输出内阻几乎为0Ω。因此，只要有瞬间的强电灌入就会有大电流产生，从而可能在机房内生产火花危及机房设备的安全。因此，这就要求适用于直流远供系统的保安单元应采用的是：设计域值内的任意电压“零”通过时间的截止式的防止强电灌入技术。那么采用熔丝显然不能达到这个要求，因为要使熔丝熔断需要有一定的时间。并且使用熔丝作为过流过热保护，仅能保护一次，熔断了就需要更换，不具有可恢复性。而在安装上由于这两种不同保护特性的保安单元在性能上差距太大，而又要求直流远供系统的保安单元必须是能与原来的配线架保安单元适配的产品，但也只有与原来的配线架保安单元适配，才能将灌入的强电阻止于配线架以外，并且可以利用配线架现有的报警监控网络对其进行有效的监控管理，这就对产品的性能和外形都提出了极为苛刻的要求。

目前国内生产适用于小灵通基站的直流远供电源产品的主要制造商大都没有被电力线碰触、搭接的强电入侵告警功能。有的产品虽标称具有强电入侵告警功能，但由于要求传送的须是对地悬浮的直流电压，而对地悬浮与强电入侵告警功能在技术上存在冲突，其产品造成在无法真正实现入侵告警功能的同时也无法真正实现对地悬浮。更多的产品是为了满足实现对地悬浮功能的要求而放弃强电入侵告警功能。但同时各制造商都无法提供防止强电灌入的保安单元。故，目前还没有可直接安装在电信机房原来的配线架上，适用于小灵通基站直流远供电源系统上，实现抑制强电灌入、具有告警和可恢复功能的保安单元产品。

综上所述，我国电力不稳定的问题促进了小灵通基站直流远供系统的应用，但是，无法抑制强电灌入交换机房的安全问题又阻碍了小灵通基站直流远供系统的应用，而已经在试运行的小灵通基站直流远供系统形成了众多的危险源。因此，发明一种独立的可以安装在原来配线架上保安单元的插槽内，并可以实现设计域值(设计域值的含义为：本实用新型针对不同的使用要求而设定的抗交流强电灌入的电压范围)内的任意电压“零”通过时间的截止式的防止强电灌入并具有可恢复功能的告警保安单元是一个迫切的现实需要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种防止交流强电通过直流电传送电缆灌入且具有告警功能和可恢复功能的直流电输出设备的安全装置，它适用于直流电源输出设备上使用的，可保护安装、操作和维护人员的人身安全及直流电输出设备安全运行的开路式可恢复性告警保安单元。

为实现上述目的，本实用新型的技术解决方案是：

本实用新型是一种直流电输出设备的安全装置，它主要由整流二极管D1、D2、D3、D4、D5、稳压二极管DZ1、DZ2、压敏电阻DV1、DV2、光电耦合管IC、可恢复保险丝PTC1、PTC2和告警信号输出端S组成；直流电输出设备的直流电压从电路输入端IN+、IN-输入，通过四个整流二极管D1、D2、D3、D4构成的整流桥，实现了极性转换并从OUT+、OUT-输出；在两输出端之间跨接两压敏电阻DV1、DV2，两压敏电阻DV1、DV2的公共端接地；整流桥的两输出端分别串接可恢复保险丝PTC1、PTC2；在电路输出端跨接电阻R1、整流二极管D5、稳压二极管DZ1和电容C1；光电耦合管IC的输入端IC-a与电阻R2、电容C1并联，光电耦合管IC的输出端IC-b的一极接地；所述的告警信号输出端S通过稳压二极管DZ2连接光电耦合管IC的输出端IC-b的另一极。

所述的压敏电阻DV1、DV2也可用气体放电管或半导体放电管替代。

本实用新型还包括一发光二极管D6，该发光二极管D6串接在告警信号输出端S上。

采用上述方案后，由于本实用新型设有DZ1用于检测交流电压灌入的告警域值、DV1、DV2用于防止雷电感应电压侵入、PTC1、PTC2用于短路、过载电流抑制和强电灌入时开路保护、IC用于隔离、放大并输出检测到的告警信号、CI用于抑制电源干扰波、D1、D2、D3、D4构成整流桥用于实现输入直流电的极性转换和实现截止交流强电的灌入、D5用于输出端间直流电压的隔离、DZ2用于提高IC输出端IC-b的耐压、S端串接发光二极管D6用于现场光告警。当交流强电灌入本实用新型的输出端时，能反应到本实用新型输入端的只是两个PN结的正向压降，而发光二极管可导通发出现场光告警信号，同时告警信号输出端输出脉冲电流告警信号，使得本实用新型具有截止式的防止强电灌入及告警功能，且由于本实用新型在电路中采用高分子PTC控制元件，当过载故障原因排除后可恢复至常态，因而本实用新型电路具有可恢复性。本实用新型采用光电半导体元器件，具有结构紧凑小巧、性能完善、可靠性高、易于安装和实用性强的特点。

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明。

附图说明

图1是实用新型的电路原理图。

图2是实用新型的电路板元件排列图。

图3A-3C是实用新型的元器件布局正视图、俯视图、侧视图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型是一种直流电输出设备的安全装置，它主要由整流二极管D1、D2、D3、D4、D5、稳压二极管DZ1、DZ2、压敏电阻DV1、DV2、光电耦合管IC、可恢复保险丝PTC1、PTC2和告警信号输出端S组成。

所述的四个整流二极管D1、D2、D3、D4构成整流桥；在整流桥的两输出端之间跨接两压敏电阻DV1、DV2，整流桥的两输出端分别串接可恢复保险丝PTC1、PTC2；在电路输出端OUT+、OUT-之间跨接电阻R1、二极管D5、稳压二极管DZ1和电容C1；光电耦合管IC的输入端IC-a与电阻R2、电容C1并联；光电耦合管IC的输出端IC-b的一极接地；所述的告警信号输出端S通过发光二极管D6、稳压二极管DZ2连接光电耦合管IC的输出端IC-b的另一极。

本实用新型所用的可恢复保险丝PTC1、PTC2采用的是高分子PTC控制元件。

直流电输出设备的直流电压从IN+、IN-端输入，通过了整流二极管D1、D2、D3、D4构成的整流桥，实现了极性转换，所以实际输入电压可不分极性接入。电压从OUT+、OUT-端输出，OUT+为输出正极，OUT-为输出负极。

当交流电灌入的情况发生，若交流电的正半周灌入OUT+端，负半周灌入OUT-端时，整流二极管D1、D2、D3、D4均反向截止，都不导通；当交流电的负半周灌入OUT+端，正半周灌入OUT-端时，电流通过可恢复保险丝PTC2、整流二极管D1、D2、D3、D4同时导通，通过可恢复保险丝PTC1形成回路，可恢复保险丝PTC1或PTC2因过流而开路，切断了输入端和输出端的联系，从而形成了保护功能。另一方面，交流电负半周使二极管D5正向导通，稳压二极管DZ1反向击穿导通，经电阻R1限流，电流流过光电耦合管IC输入端IC-a，通过光电耦合作用使光电耦合管IC输出端IC-b导通，因交换机房DC-48V电源正极接地，原来的报警监控设备的S端检测端口有一个电阻接至-48V，从而对S端形成检测和限流。这样就使发光二极管D6导通发出现场光告警信号并S端输出脉冲电流告警信号。而灌入的电压全部降在可恢复保险丝PTC1或PTC2上，不会反映到IN+和IN-端。在整个过程中，IN+和IN-端所反应的最大峰值电压只是两个PN结的正向压降，平均电压＜2V。

IC是光电耦合管，具体型号采用PC817D，输出电流对输入电流的比值约为4倍(3-6倍)，平均输入电流最大值为50mA，输出端耐压35V。

所述的压敏电阻DV1、DV2的公共端接地，正常工作时不导通。当如雷电感应电压等的异常电压单端高于压敏电阻DV1、DV2的导通电压时，电流流过压敏电阻DV1、DV2下地，可恢复保险丝PTC1、PTC2开路而形成保护，避免雷击高电压等进入机房，因此具有一定的防雷功能。如果要应用于多雷区或强雷区，可将压敏电阻DV1、DV2更换为气体放电管或半导体放电管。

根据所选用的元器件的参数，当略高于稳压二极管DZ1的反向击穿电压的交流电的两极同时灌入OUT+和OUT-端时，S端均可输出脉冲电流告警信号给配线架的报警监控设备。灌入的电压大于两个PN结的正向压降的电压就不能反应到IN+、IN-端。通过调整稳压二极管DZ1的反向击穿电压可以实现改变报警的域值，而且通过改变电阻R2的阻值也可微调报警域值。稳压二极管DZ2是用来提高IC输出端IC-b的耐压，当S端接入的检测电压≤35V时，稳压二极管DZ2可以不用。电容C1是用来抑制电源干扰波。

本实用新型构成了设计域值内的任意电压值均为“零”通过时间的截止式防止强电灌入的电路结构。当灌入的交流强电排除后，如果直流电输出设备处于停止工作状态，可恢复保险丝PTC1和PTC2会在约30秒左右自动恢复常态；如果直流电输出设备处于工作状态下，若负载电流较小，本保护电路可在自动恢复正常工作状态；若负载电流较大时，由于有较大的电流持续通过PTC1或PTC2，根据可恢复保险丝的特性，本保护电路无法自动恢复正常工作状态，应将直流电输出设备关机约30秒，PTC1和PTC2即可自恢复到低阻状态的常态，保安单元即可恢复所有功能。

以上的工作原理分析、元器件选型和参数设定是以小灵通基站直流远供系统为应用对象。小灵通基站直流远供系统均是采用260V的直流输出电压，需要每个保安单元承受30W左右的平均输出功率，最大输出功率为60W。如图1所示，本实用新型电路针对小灵通基站直流远供系统的设计域值是抗2-264V交流电灌入，灌入输出端的交流电压在设计域值内，本实用新型电路即可形成保护，反映到输入端的最大交流电成份平均值均小于1V。当输出端灌入略大于DZ1的反向击穿电压的交流电压时，本实用新型电路即可告警。由整流二极管D1、D2、D3、D4构成的整流桥引起的输出电压损失＜2V，实际传输效率约为99％。

本实用新型特别适合提供给电信部门的小灵通基站直流远供系统配套使用，将交流强电灌入的危险情况阻挡在电信机房的MDF配线架之外，不使危险强电通过电缆灌入直流远供系统的局端设备。根据图2、图3A-3C所示，本实用新型可装配在与原来MDF配线架保安单元相适配的外壳中，并且可利用原来配线架现有的报警监控网络。但由于电信部门要求电缆中的同一对双绞用户线须用在同一极性线组中。因此，本实用新型需要占用两个MDF保安单元的位置。

当要将本实用新型应用在其它的直流电输出设备上时，本实用新型的工作原理不变，只需根据直流电输出设备的输出电压和功率对元器件的参数加以调整即可适用。

Claims (3)

1、一种直流电输出设备防强电灌入的安全装置，其特征在于：它主要由整流二极管D1、D2、D3、D4、D5、稳压二极管DZ1、DZ2、压敏电阻DV1、DV2、光电耦合管IC、可恢复保险丝PTC1、PTC2和告警信号输出端S组成；直流电输出设备的直流电压从电路输入端IN+、IN-输入，通过四个整流二极管D1、D2、D3、D4构成的整流桥，实现了极性转换并从输出端OUT+、OUT-输出；在两输出端之间跨接两压敏电阻DV1、DV2，两压敏电阻DV1、DV2的公共端接地；整流桥的两输出端分别串接可恢复保险丝PTC1、PTC2；在电路输出端跨接电阻R1、二极管D5、稳压二极管DZ1和电容C1；光电耦合管IC的输入端IC-a与电阻R2、电容C1并联；光电耦合管IC的输出端IC-b的一极接地；所述的告警信号输出端S连接光电耦合管IC的输出端IC-b的另一极。

2、根据权利要求1所述的直流电输出设备的安全装置，其特征在于：所述的压敏电阻DV1、DV2也可用气体放电管或半导体放电管替代。

3、根据权利要求1所述的直流电输出设备的安全装置，其特征在于：它还包括一发光二极管D6和稳压二极管DZ2，该发光二极管D6、稳压二极管DZ2串接在告警信号输出端S上。

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