美国国家消防协会（NFPA）在最新的《国家电气规范》（NEC 2023）中定义了一种新的电源类别，这一消息让电源工程和建筑界充满了可能性和使用案例。
作者：ABB电力转换5G和无线部门总监Raj Radjassamy
 
几十年来，电源系统设计师一直受到Class11、2和3电路严格指南的限制，但NEC新定义的Class 4电源（如第726条所述）将提供一个令人信服的替代方案。
 
故障管理电源系统及其工作方式
要了解Class 4电源在美国站稳脚跟时将带来的机遇和可能面临的挑战，首先必须了解这项技术是如何运作的。自从NEC开始概述安全电路的指导方针以来，实现安全电气安装的主要策略一直是限制电路的最大功率和/或电压（见图1）。
Class 1、2和3都依赖于这种方法来减轻对人员和财产的潜在风险，Class 2正在成为商业和住宅部署的流行标准。然而，限制功率和电压可能会限制技术进步，特别是当工程师和发明家追求高功率设计时。这就是Class 4电源的用武之地。NEC的最新成员采用了与前代不同的方法，可能允许工程师和电工追求以前遥不可及的应用。
Class 4电源利用故障管理电源系统（FMPS）来限制故障条件下的电流，而不是限制电路内的总功率。FMPS的先进传感、监测和控制功能通过每秒数百（或数千）次的中断检查来监视电路的功能。如果FMPS检测到故障，其设计目的是将电路内的能量限制在有助于减轻人员和/或财产风险的水平。其结果是提供了一种更安全、更可靠的方式来输送最大电压为450 V的大负载（图1）。
 

图1：Class 1、2、3和4最大电压和功率电平（NEC 2023版）
 
FMPS技术不仅可以检查一般中断，还可以识别正在发生的故障类型。这些系统可以区分负载和人为干扰；对线对线和线对地故障作出响应；识别串联和并联电弧；并识别线对线和串联电阻故障。如果发生故障，FMPS几乎立即切断变送器的电源。一旦故障条件清除，变送器就可以重新开始供电（图2）。
 

Figure 2: Class 4 cables
 
传统的布线设计通常在导管内分配交流电。Class 4电路可能会改变这一点，因为它们的设计不需要任何导管，前提是它们符合UL 1400-1和第726条规范。用更高电压（小于450 V）的Class 4电路取代传统的AC电源可以提高效率、成本和可持续性，因为性能所需的电流水平较低（以及随后所需的铜量减少）。它还可以提高处理高功率、高电压设备的技术人员的安全性。
有了这项技术，工程师、发明家和工业设计师都期待着Class 4电源可能带来的新创新和应用。数据中心运营商、电信服务提供商和商业建筑商都将受益于Class 4的采用，因为它可能会使“智能”建筑、DC供电数据中心和高功率需求的LED照明等应用在部署、维护和扩展方面更可行、更具成本效益。
在电信行业，Class 4的潜在好处可能是巨大的，尤其是随着5G的持续扩张。推出新一代移动网络总是耗时且昂贵，但事实证明，由于其独特的功率、覆盖范围和容量需求，向5G的过渡比以前的转变更耗费人力。因此，供应商正积极寻求可能减轻企业财务和物流负担的解决方案。
与宏塔相比，小蜂窝无线电部署将是5G扩展的主要驱动力，这要归功于它们相对成本效益高的构建和注重空间的设计。然而，由于5G无线电的高功率需求和实现全面覆盖所需的复杂部署位置网络，为小型蜂窝设备供电可能比上一代的基础设施更复杂。Class 4的独特性能可能为这个问题提供了一个可行的解决方案，因为它能够在比以前的选项更长的距离上输送大负荷，并且无需导管或认证技术人员。根据安装位置和覆盖需求，这种组合可以以成本效益高的创新方式帮助满足小型电池的电力需求。
这些特性使Class 4电源非常适合室内/室外分布式天线系统（DAS）、固定无线接入（FWA）系统和专用网络的部署，这有助于在体育场、公园、校园和酒店等大型设施中提供高速接入和吞吐量。
 
什么挡住了去路
尽管这项技术有可能为电信行业、建筑、制造业、城市规划、娱乐等领域带来新一波创新，但这种变化不会在一夜之间发生。
首先，知识差距和有限的Class 4 FMPS可用性可能是采用的障碍。电工、工程师、建筑师和其他决策者需要了解部署、使用和维护Class 4电源的最佳方法，这需要时间。与此同时，设备制造商和设计师将致力于开发构建高压故障管理电路所需的组件，并找到可靠、大规模生产的方法。此外，在电工和建筑商相信FMPS在减少伤害方面的有效性之前，使用这种高压电路可能会受到影响。
同样，由于支持FMPS设计所需的重大基础设施变化，Class 4电源可能不是改造为2级或传统交流电源的选项。网络运营商和建筑业主不太可能进行这种密集的翻新和相关费用，除非他们的使用案例或应用的收益大于成本。相反，在即将到来的通信部署和高预算绿地建筑（如体育场、机场、公共交通设施和数据中心）中，Class 4电路及其优势将更为常见。
目前，广泛采用Class 4电源的时间表尚不明确。这在一定程度上取决于美国各州的监管机构何时做出必要的改变，以采用2023年版本的NEC，其中包括第726条。截至2022年12月，只有25个州在使用2020年全国选举委员会。预计这25个国家迟早会转向2023年的版本。这使得25个州尚未完全通过2020年全国选举委员会，在通过2023年的条款方面可能会落后。全球采用的时间表同样不确定，因为全球各地的监管机构尚未宣布他们打算在指南中采用基于FMPS的电路。
 
一次一步（向上或向下）
随着行业探索其潜力并权衡风险，开启这场讨论并分享有关利用这项技术的方法的知识将至关重要。尽管它已经发展了很多年，但相对不成熟意味着这个行业还有很多需要学习的地方。电源专家和工程师可能只触及了可能的表面。
一旦它被更广泛地使用，各行各业的优秀人才将能够试验和测试这些系统的极限，这可能为未来几年的新部署打开许多大门。随着技术的成熟，越来越多的创造性应用可能会显露出来，也会出现更多的挑战。
 
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