移动通信基站用直流供电系统的供电保证及维护[吴旻旻]

西红柿

         内容提要：文中主要介绍了移动通信基站用直流供电系统的基本组成、一般特点、及供电保证和维护工作的主要注意事项
        
        移动通信近十多年来在我国的发展可以用超高速来描述也一点不为过，而作为通信的“心脏”电源的维护至关重要。 本文主要是探讨一下基站用直流供电系统的供电保证和维护问题。
        
        1 移动通信基站用直流供电系统
        
        移动通信基站设备采用直流供电系统提供能源。目前均采用组合式机架电源系统，配带在线浮充供电制的铅酸蓄电池组组成的直流不间断供电系统。其供电电压为-48 V。其整流器的输出电流容量则视主机需求、电池组充电需求、不间断供电裕度需求等考虑而定。
        
        目前的组合式机架电源系统随着应用的极其广泛，各制造厂特别是知名品牌的专业厂，在其功能、性能和技术指标上都己取得了大量的进步，其主要特点为：
        
        （1）充分考虑了体积小、重量轻、方便安装与维护的需求；
        
        （2）标准化、模块化、整流模块可以热插拔；
        
        （3）适应电压范围宽；
        
        （4）充分考虑了防雷抗涌等需求；
        
        （5）都支持对电源系统进行后台管理的无人值守功能需求；
        
        （6）尽技术可能考虑了对蓄电池组的管理功能；
        
        （7）充分考虑了特殊情况下的一次及二次下电需求；
        
        （8）其它安全及可靠性设计如抗地震能力等。
        
        当然也不可否认，不同制造厂在器件选用及制造工艺水平上，还确实存在一定差异，导致设备运行的稳定性和可靠性存在一定差异，甚至可以说良莠不齐。
        
        正因为如此，电源的维护工作的重要性就很显然。
        
        2 移动基站的一般特点
        
        移动基站的一般特点：
        
        （1）交流供电复杂。有的为三相供电，有的为单相供电，有的是国电专线送达，但同样存在如高压送达至专用变压器，变压器的容量大小及低压侧的线路距离问题；有的则可能直接并接在农网、居民生活用电线路或厂矿企业的生产用电线路上；从而可能导致供电质量差，如电压波动范围很宽，电压突变情况经常发生，经常频繁停电等。
        
        （2）基站数量多、分布广、站点环境差异大。为了网络覆盖而不得不将大量基站建在野外高山上、民房制高点、高温高湿区等，从而不仅导致交流供电难度大，还导致雷击的机率升高、高温高湿致使设备运行稳定性及寿命降低、故障率升高等。
        
        （3）无人值守。一旦出现问题不仅人工干预维修及恢复的直接成本高，而且如未能及时发现而‘倒站’带来的客户影响及间接损失也很大。
        
        基站的上述一般特点导致供电保证和维护工作不仅工作量加大，而且难度也加大，一些供电故障和事件处理对维护人员技术水平的要求也提高。
        
        3 对电源维护的几点特别建议
        
        基于以上基本介绍，本文主要就供电保证和电源维护提几点特别建议：
        
        3.1交流供电质量的保证
        
        在基站建设中，如条件许可还是应当优先选用电网容量强大的国电专线，即使是野外高山站，高压直接送达至基站专用变压器，如果变压器容量选配合适，低压侧供电线路距离合适，那将是最理想的了。（对变压器容量和低压侧供电线路距离的选配，主要是考虑到基站室内空调的频繁起停引起的电压波动不要因此而过于异常）
        
        选用农电、民用生活电、工矿企业生产电应尽量避免和大负荷感性或容性负荷线路并接，以免造成电压波动过大甚至经常出现电涌的状况出现。
        
        基站内部乃至机架电源系统的交流进出线的连接部位，我们不要以为初次安装后其可靠度就会一劳永逸，每次进站巡检时检查一下这些部位其实真是会有意想不到的收获。
        
        机架电源系统中对交流接触器的选用、断路器熔断器及空气开关的选用、保护电路的设计、交流电量检测电路的设计、防雷及抗涌措施的选择等，其实各个供应制造商的方案也是良莠不齐的。作为维护人员应当有水平针对不同设备作出不同的保养维护方案，因为作为制造商必定会是用一分钱一分货来处理他们所供设备的质地的。
        
        对于那些经常出现异常的特殊站点，应该特别予以关注，比如缩短巡检周期、作好巡检记录、进行特别保养、有必要时增配合适的交流稳压设备及防雷抗涌设备等。
        
        3.2雷击防护措施的落实
        
        前文移动基站的一般特点中己经说过，移动基站不可能都建在电气保护都完好的建筑物内。因为为了完全使基站用于提高信号覆盖率，其建设地点必须符合架设的地点要求。在一些特殊的地点—例如雷电高发区的野外高山站，这就势必造成供电系统易受雷电的危害，同时其射频引线也是由室外引向室内的，同样也是雷击的破坏点。如果防护措施不能有效落实，一但遭受雷电侵害，轻则造成系统的失效，重则可能造成系统的损坏。对于运营商而言，损失是不言而喻的。
        
        需要落实的措施主要有以下几点：
        
        一是对交流供电电源的防护。现在大部份基站市电引入都是首先进入小型壁挂式配电箱，对于我省这样处于中等以上雷暴强度省份（年雷暴日40天以上，有51-85年统计资料显示我省年雷暴日长沙为45.6天，衡阳为55.1天，永州为64.9天，常德及怀化为49.8天，郴州为61.5天，岳阳为42.5天，邵阳57天，益阳47.3天，株州为50天），有条件时应考虑增配专用防雷箱，至少也应该考虑在配电箱中接入最大通流容量达到100kA的防雷器（SPD），而机架电源系统的生产厂目前一般也都装有最大通流容量为40kA的防雷器（SPD），整流模块的交流输入通常还装有压敏电阻，这样逐级防护，一般而言对基站电源设备的可靠运行是能起到应有的保护的。但作为维护人员应该在巡检中充分对这些器件的电气连接及器件本身的良好情况予以检查和记录，需要时应予以适时更新。
        
        二是射频电缆部份的防护。我们知道基站的射频输入端比较脆弱，对雷击也比较敏感，雷击产生的寄生传导干扰还可能造成基站控制设备的失效甚至受损，因此除有必要采用专门的射频电缆雷击防护产品外，还应注意对其屏蔽接地的良好性注意检查和保证。
        
        三是防雷与接地。关于移动通信基站的防雷与接地，信息产业部是有专门的设计规范行业标准的。如对接地设施的要求、对交流系统供电方式的要求、对电力线和引进方式及接地的要求、对铁塔避雷器及接地的要求、对天馈线系统接地的要求、对信号系统接地的要求、对建筑物接地的要求、对机房内各种金属构件接地的要求、对地网及接地体的要求、对接地线，接地引入线，接地汇集线接地电阻的要求等等。在基站建设时这些规范一般地说是会得到满足的。作为运行维护人员最重要的是要保证这些措施长期有效，最实际的工作是要适时检查并保证接地电阻符合并满足规定的要求。
        
        3.3尽量提高供电系统的可用度。
        
        前文己经大致描述了目前基站用组合式电源系统的基本功能水平和技术水平，应该说其设计技术己经到了非常成熟的地步，一般地说良好规范地使用维护对于提高其可用度和延长其寿命显得日益明显。
        
        a) 1整流模块的可用度保持
        
        移动基站用高频开关电源目前均采用模块化并联方式，其单模块的输出电流从20A至100A不等，其冷却方式有自冷和强迫风冷两种方式。笔者认为知名厂家设计的整流模块在技术指标上不必担心，在自我保护功能上也不必过多担心，倒是一些看似小事的维护问题需要引起注意。
        
        例如系统在选用时一般基站都在150-200A以上，远远大于实际负荷（正常情况下一个普通基站连同电池浮充电流也就是20A以内），那么整流模块是冷备用方式还是全部投入呢？笔者倾向于后者。电子器件工作寿命其实很长，然而长期不上电并非益事，电解电容难道不是如此吗。更何况负荷不高温升较小，对功率电子器件的寿命更没有影响。而且有利于去湿。
        
        再如整流模块的交流输入部份基本都接有压敏电阻，以承接前级防雷抗涌器件（SPD）的残压，保护后端的器件及电路。但是当交流电压长期偏高时，看似并非脉冲冲击方式，但是导致长期的漏电流加大事实上会有一种热积累，影响其寿命，因此维护中应该予以注意，严重变色的压敏电阻不如提前换掉。有些压敏电阻爆裂时会带来明火，不要小视其对安全的危害。
        
        再如环境温度保持问题。我们不能认为反正厂家说明书中都己载明，整流器的温度适应一般都标明可以达到45度或更高，而且模块内还有温度保护措施，因而不重视对机房空调的运行保证。其实这对保证整流模块可用度而言是一种误区，例如我们都知道电解电容的寿命与温度的关系是每升高10度寿命降50％的关系；压敏电阻因长期过高的热积累不仅降低寿命，还有可能随时击穿甚至起明火；功率器件及组件对高温影响的敏感性更高。因此我们应该在巡检维护时关注空调设备的状况，并保证在无人值守条件下交流电源停电再来电时空调应能自启动，10至30度的环境温度保持是合适的，而且空调的运行同时也带来了机房除湿的效果。
        
        再如风冷整流模块的防尘罩定期清洗除尘问题。看似小事，如不重视带来的后果如前文环境温度保持中所述一样。
        
        再如整流模块的内部调整以及并联、保护等都已经通过微处理器以及机架监控单元来实理，因此认直了解使用维护说明书并按其中的提示设置与操作是很重要的，否则有时难免造成差之毫厘失之千里的效果，影响整流模块的可用度。
        
        3.3.2铅酸蓄电池组的可用度保持
        
        蓄电池组是基站实现直流不间断供电的一个重要组成部份，其投资额和机架电源设备基本相当。目前移动基站采用的都是二十世纪末发展起来的阀控式密封铅酸蓄电池（简称VRLA电池）。由于采用了阀控式密封结构，不需要加酸、加水维护，无酸液、酸雾泄出，可与设备同机房安放。由于体积小、重量轻、自放电小、少维护、寿命长、使用方便、安全可靠等特点，深受用户欢迎。但是我们却必须看到，一方面这种电池的基本电化学原理仍然未变，因而其固有的电特性要求不仅没变，反而要求更严；另一方面这种电池在推广初期，厂家的说明书有时或多或少地将这种电池称之为“免维护”电池，致部份维护人员认为这种电池不需要维护，这一误区至今还有影响。因而科学地加强对这种蓄电池组的维护与保养对提高其可用度仍是十分重要的。
        
        一是要防止过充。蓄电池的寿命和性能与电池内部产生的热积累密切相关，而电池内部的热源主要来之于内部电化学反应的功率损耗，可以简单地看着充电电压和充电电流的乘积。在氧再化合反应中，浮充电流会增大而产生较多的热量，在恒压充电时，浮充电流又会随温度上升而增大，从而又使温度进一步上升。热失控现象是阀控密封蓄电池的结构方式所造成的特有现象。热失控常带来严重危害如电池失水、外壳‘鼓肚子’等，严重者造成电池报废。防止过充就是要严格按厂家说明书提供充电电压值。现在的组合电源均可以设置，并实现智能化的管理，需要注意的是首先是要设置正确，其次是未经授权人员平常不可以随便改动。
        
        二是要防止充电不足。和过充正好相反，充电不足主要是充电电压设置偏低或过低所致。或者是机架系统出现了问题。
        
        三是要防止过放。放电深度与电池设计充放电循环次数（使用寿命）密切相关。例如放电深度为5 ％时，循环次数为10 000次，当放电深度为50 ％时，循环次数只有800次。过度放电严重者会造成电池无法再激活到最佳状态，甚至报废。不同的放电速率其放电时间和终止电压是不同的，所放出的有效容量也是不同的，并且受到环境温度的影响。这里不再列表及绘制有关曲线，不同厂家的电池说明书中是给出了的。维护人员应该予以关注，并严格按有关数据在监控单元中设定，不得随便更改。现在机架电源厂家都设计有电池下电功能，即当电池放电至设定的终止电压时，通过监控指令自动切断电池放电回路。更有厂家考虑到监控单元因故（视其工作电源而定）无法检测到电池终止电压或无法发出指令时另设备份强制切断电路。因此维护人员还应在巡检中关注这些硬件电路的可靠性，予以检查与维护。
        
        四是控制环境温度。电池温度升高时，电解液活动加剧，电池内阻减小，其浮充电流增大导致导电元件腐蚀加剧，寿命减少；反之，电解液活动减弱，电池内阻加大，电池对负载的放电能力则减弱。所以，对电池温度的监测和环境温度的控制与并保持是十分必要的。同时还必须对充电电压进行温度补偿，以避免高温下的过充和低温下的欠充。绝大多数使用VRLA电池组的地方，都把环境温度控制在25度左右，加速寿命试验表明，环境温度升高10度，又不对充电电压进行调整，其电池使用寿命将缩短一半。
        
        五是要及时更换故障电池。由于每一个单体的工艺差异，长期浮充下可能逐度渐‘落后’，因此在监控单元中会有定期对电池组进行均充的管理功能，以期激活这一落后单体，使之不再落后。但经常落后，最终可能变成故障电池。我们可以用多种方法来判定其是否己病入膏肓，如对其单独进行容量试验，或在线测试其内阻值等。关键是要及时更换故障电池，这样对电池组的可用性乃至整组寿命是非常重要的。
        
        六是建议定期进行电池组的容量测试和放电试验。容量测试是为了对电池组进行体检，当然工作量较大，但从需要和可能性考虑，建议有条件时进行抽样试验还是必要的。
        
        以上论述并非基站通信电源维护保证的全部，但应该说是一些主要注意事项。