687_Sazhnev_A.M._Sistemy_ehlektropitanija_

Федеральное агентство связи

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (СибГУТИ)

А. М. Сажнев Л. Г. Рогулина

Системы электропитания волоконно-оптических систем передачи

Учебное пособие

Новосибирск

2016

УДК 621.314.2

Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ

Рецензенты: д.т.н., профессор А. В. Киселёв

д.т.н., профессор В. И. Сединин

Сажнев А. М., Рогулина Л. Г. Системы электропитания волоконнооптических систем передачи : Учебное пособие / Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики. – Новосибирск, 2016. – 69 с.

В учебном пособии рассматриваются современные структуры систем бесперебойного электропитания волоконно-оптических систем передачи, способы резервирования и порядок расчета источников электропитания. Приводятся описания трех вариантов электропитания необслуживаемых регенерационных пунктов: дистанционное по металлическим элементам оборудования контроля, от автономных электроустановок и от местной электросети. Учебное пособие может быть использовано студентами старших курсов всех форм обучения, при дипломном проектировании и специалистами, связанными с электропитанием устройств и систем связи.

Для направления 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи».

В авторской редакции

©Сажнев А. М., Рогулина Л. Г., 2016

©Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2016

2

Оглавление

Предисловие …………………………………………………………………. 4

1.Обзор автономных источников электропитания……….…………….. 4

1.1 Применение термоэлектрогенераторов………………………… 4

1.2Применение радиоизотопных термоэлектрогенераторов……... 14

1.3Применение пьезопреобразователей…....………………………. 18

1.4Применение емкостных накопителей энергии……………….…. 24

1.4.1Общие сведения об емкостных накопителях……..…………... 24

1.5Применение полупроводниковых преобразователей ….…….... 42

2.Системы электропитания волоконно-оптических систем передачи .….. 47

2.1Системы электропитания наземных волоконно-оптических систем передачи……………………………………...................... 47

2.2Системы электропитания подводных волоконно-оптических систем передачи ………………………………………..………… 51

3.Литература ….……………….…………………………………………... 57

Приложение А – Аккумуляторы и выпрямительные устройства……… 60 Приложение Б – Силовые кабели………………………………….……….. 64 Приложение В – Характеристики автоматических выключателей ……… 68

3

Предисловие

Для электропитания волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) используют два вида электрических сетей. Первая электрическая сеть (силовая) обеспечивает электропитание оконечного оборудования, расположенного в промежуточных усилительных пунктах. Эта электрическая сеть рассчитана на использование оборудования с мощностью потребления несколько десятков киловатт. Вторая сеть обеспечивает питающими напряжениями узлы регенераторов оптических сигналов и системы управления. Она является маломощной, так как телекоммуникационное оборудование потребляет сравнительно невысокую мощность, например, мощность потребления оптического усилителя составляет всего 25 Вт.

Существует два способа энергообеспечения ВОСП: автономное питание узлов и питание узлов по медным жилам комбинированного оптического или вспомогательного кабеля. Это используется как в сухопутных, так и в подводных ВОСП. Электропитание необслуживаемых регенерационных пунктов (НРП) в настоящее время обеспечивается тремя вариантами: дистанционное по металлическим элементам оборудования контроля, от автономных электроустановок и от местной электросети. В качестве металлических элементов могут использоваться токопроводяшие жилы, металлические стержни, а также металлические оболочки. Для автономного питания НРП рекомендуется применение термоэлектрогенераторов (ТЭГ) или радиоизотопных генераторов (РИТЭГ). При проектировании электропитания широко используются электросети, расположенные по трассе прокладки кабеля. Известно также применение ветро- и солнечных генераторов. Можно отметить, что электропитание от автономных электроустановок (ТЭГ и РИТЭГ) выгодно в технико-экономическом отношении лишь при больших длинах регенерационных участков (50... 100 км), а при малых длинах (до 20 ... 30 км) эффективна система дистанционного электропитания.

Каждый узел ВОСП содержит понижающий преобразователь, где коэффициент преобразования у каждого узла свой и задается оператором по сети управления, либо устанавливается автоматически. Используются три варианта построения понижающих преобразователей:

–с использованием пьезопреобразователей;

–на емкостных накопителях энергии;

–на полупроводниковых инверторах. Рассмотрим кратко эти способы электропитания.

1 Обзор автономных источников электропитания

1.1 Применение термоэлектрогенераторов

Работа термогенератора основана на эффекте Зеебека, который был открыт в 1821 г. и нашел практическое применение в источниках тока и

4

использовались для проведения исследования гальванических процессов, различных электрических процессов и явлений. Практическое применение термогенераторы получили в 50-х годах двадцатого века как автономные источники тока, используемые в районах, не имеющих централизованного электроснабжения. Бурное развитие термоэлектрической энергетики началось в связи с развитием исследований космоса. Именно тогда на космических аппаратах в качестве источника тока были использованы радиоизотопные термогенераторы. Тогда же ТЭГ был использован для электропитания катодной защиты магистрального газопровода. Преимущества термогенераторов: статическая система преобразования, отсутствие движущих частей; длительный ресурс работы без обслуживания; возможность использования теплоты от любых источников тепловой энергии; способность работы не зависимо от пространственного положения и окружающей среды (космос, вода, земля), в которой эксплуатируется термогенератор. Области применения: автономные источники тока на магистральных газопроводах, для питания потребителей, расположенных в удаленных и труднодоступных районах горной местности и районах Крайнего Севера (створные знаки, метеорологические станции и пр.); для исследования Дальнего Космоса (радиоизотопные генераторы и ядерные термоэлектрические установки); в медицине используются в качестве кардиостимуляторов; в быту – в качестве автономных источников тока. Перспективы использования в будущем: источники электрической энергии при космических исследованиях и исследованиях Мирового океана; автономные источники питания аппаратуры, применение в малой энергетике.

К неоспоримым достоинствам термоэлектрического прямого преобразования тепловой энергии в электрическую следует отнести отсутствие промежуточного звена, как, например, в работе тепловой или атомной электростанции, где тепловая энергия преобразуется в механическую, а затем механическая энергия преобразуется в электрическую. Также ТЭГ обладают такими уникальными качествами, как полная автономность, высокая надежность, простота эксплуатации, бесшумность и долговечность. Среди преимуществ, определяющих при выборе среди прочих приоритет термоэлектрического преобразования, во многих приложениях — это отсутствие движущихся частей и, как одно из следствий, отсутствие вибраций, а также необходимости применения жидкостей и/или газов под высоким давлением. (Преобразование происходит в самом термоэлектрическом веществе.) Работоспособность не зависит от пространственного положения и наличия гравитации. ТЭГ можно применять при больших и малых перепадах температур. Последнее становится наиболее актуальным, если учесть, что до 90% сбрасываемой (отводимой) тепловой энергии на промышленных объектах и оборудовании выделяется при температуре поверхностей до +300 °С. Термоэлектрическое преобразование универсально, оно допускает использование практически любых источников теплового потока, в том числе

5

при малых перепадах температур, при которых применение иных способов преобразования невозможно в принципе.

Сферы применений ТЭГ крайне разнообразны: от энергообеспечения космических аппаратов, находящихся на удаленных от Солнца орбитах, питания оборудования газо- и нефтепроводов, морских навигационных систем до бытовых генераторных устройств, например в составе дровяной топочноварочной печи, камина и котла.

Приведем несколько примеров практического применения ТЭГ:

использование тепла, отводимого от двигателей внутреннего сгорания (автомобильных, корабельных и др.);

автономные источники электроэнергии для обеспечения работоспособности котельных, установок по переработке отходов и др.;

источники питания для катодной защиты нефте- и газопроводов;

преобразование тепла природных источников (например, геотермальных вод) в электрическую энергию;

обеспечение питанием различных устройств телеметрии и автоматики на объектах, удаленных от линий электропередач;

обеспечение автономным питанием маломощных электронных устройств (беспроводные датчики) за счет накапливаемой энергии, собираемой при наличии минимальных перепадов температур (менее 10 °С);

получение электрической энергии на солнечных концентраторах за счет разности температур горячего и охлажденного теплоносителя в контуре.

Вкачестве источника тепла для современных промышленных ТЭГ чаще всего применяют тепловую энергию, выделяемую при сжигании природного газа. Также используется тепловая энергия, отводимая от двигателей внутреннего сгорания, тепловая энергия пара, другие доступные источники тепла на промышленных объектах. Выходная мощность генераторов определяется типом и числом термоэлектрических модулей, входящих в состав генератора, а также конструкцией радиаторов. Линейка выпускаемых компанией «Криотерм» ТЭГ промышленного назначения обеспечивает возможность получения электрической мощности от 2 до 200 Вт от одного генератора. Следует отметить, что производитель указывает выходную мощность для наихудших условий эксплуатации и среднестатистически можно ожидать результаты, превосходящие гарантированные в полтора раза и более. При выполнении условий согласования можно суммировать вырабатываемую мощность от нескольких генераторов [1].

Вупрощенном виде термоэлектрический генератор можно представить в виде металлической теплораспределительной пластины со стороны источника тепла, термоэлектрического генераторного модуля и охлаждающего радиатора, отводящего тепло, проходящее через модуль в окружающим среду и создающего необходимый перепад температур (рис. 1.1). Вся конструкция должна сжиматься с усилием, обеспечивающим надежную передачу тепла от источника в окружающую среду с одной стороны и не допускающей превышения допустимого усилия при тепловом расширении конструкции.

6

На рисунке видно, что сжатие обеспечивается с помощью резьбовых соединений и рессорной пружины. Пружины могут быть также иной конструкции, например витой или дисковой. Целью конструкции является обеспечение равномерности усилия сжатия в заданном интервале температур. Благодаря своей простоте базовая конструкция обладает высокой надежностью и долговечностью (срок службы может превышать 10 лет).

Рис. 1.1 – Базовая конструкция термоэлектрического генератора

Универсальный термоэлектрический генератор Б4-М. Генератор Б4-М

позволяет получать напряжение питания 12 В при установке на вертикальные горячие поверхности с температурой +250 °С и обеспечивающие мощность теплового потока через генератор 300 Вт. Генератор обеспечивает непрерывную круглосуточную работу без постоянного наблюдения за его функционированием. В ТЭГ Б4-М по ГОСТ 14254-96 используется степень защиты IP35 от прикосновения к токоведущим частям, попадания твердых посторонних тел и жидкости. Генератор предназначен для работы в помещении и на открытом воздухе при любой погоде. Генератор снабжен бронерукавом, служащим защитой проводов выходного напряжения от механических повреждений и перегрева (рис. 1.2). На бронерукаве также установлен разъем выходного напряжения.

В реальных условиях эксплуатации в силу ряда факторов достаточно сложно обеспечить постоянную температуру источника тепла. В этой связи для защиты от перегрева и повышения надежности генератор имеет встроенную тепловую защиту, предотвращающую выход из строя генератора при нагреве установочной поверхности до +300 °С. Основные технические характеристики ТЭГ Б4-М приведены в таблице 1.1.

7

Рис. 1.2 – Внешний вид и состав ТЭГ Б4-М (1– рабочая поверхность; 2– кожух; 3 – отверстия для крепежа; 4 – ребра радиатора; 5 – разъем

Подключения переходного устройства

Таблица 1.1 Основные технические характеристики ТЭГ Б4-М

Примечание: * — на согласованной нагрузке.

В процессе проектирования систем с применением термоэлектричесих генераторов возникает вопрос: какими будут выходные параметры генератора при температурах ниже номинальной? На рис. 1.3 приведена зависимость выходной мощности генератора Б4-М на согласованной нагрузке от

8

Рис. 1.3 –Типовые результаты испытаний генератора Б4-М

температуры источника тепла. На графике видна область срабатывания тепловой защиты после роста температуры источника тепла свыше +260 °С, при котором происходит уменьшение теплового потока через термоэлектрический модуль и, как следствие, снижение вырабатываемой электрической мощности. Испытания производились при комнатной температуре, в условиях естественной конвекции. Для нормальной работы ТЭГ Б4-М необходимо охлаждение радиатора, поэтому важно обеспечить свободное прохождение воздуха вдоль его ребер. Эксплуатация генератора на открытом воздухе, как правило, дает лучшие результаты за счет присутствия дополнительного естественного обдува радиатора, при этом защищать генератор от дождя и снега необходимости нет, так как попадание влаги на радиатор дополнительно охлаждает его и, соответственно, увеличивает вырабатываемую мощность устройства. Для питания электронных устройств рекомендуется применять соответствующий стабилизатор напряжения.

Термоэлектрический генератор ТЭГ-5. Модернизация инфраструктуры промышленных предприятий и внедрение современных систем энергоучета зачастую ограничены отсутствием электрического питания в местах установки различных приборов телеметрии и передачи данных. При этом во многих случаях в наличии есть паропровод. Для получения источника электрической энергии термоэлектрический генератор ТЭГ-5 (рис. 1.4) устанавливают на паропроводах промышленных объектов. Они вырабатывают выходную мощность порядка 5 Вт для самых неблагоприятных сочетаний условий эксплуатации. Основные технические характеристики приведены в таблице 1.2.

9

Термоэлектрический генератор на газовом топливе ТЭГ-15.

Термоэлектрический генератор на газовом топливе ТЭГ-15 (рис. 1.5) предназначен для получения электрической энергии путем преобразования тепловой энергии сжигания газового топлива в электрическую. Генератор успешно эксплуатируется на газораспределительных пунктах и обеспечивает автономное питание систем сбора и передачи информации, независимое от внешних источников электрической энергии.

Применение термоэлектрических генераторов на газовом топливе позволяет снизить затраты, исключив необходимость подключения к линиям электроснабжения пунктов размещения измерительной и передающей

10