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
1.4.2 |
Накопители в виде суперконденсаторов……………………… |
27 |
1.4.3 |
Применения суперконденсаторов в энергоустановках……… |
38 |
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