浅析通信基站电源设备安全运行防护原理与解决办法.pdf

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1、信息通信技术66浅析通信基站电源设备安全运行防护原理与解决办法吴 明中国联合网络通信集团有限公司河北省长途通信传输局 石家庄 050021关键词 通信基站；电源设备；二次雷击；地电位反击；电压异常波动；断相；自动检测通信基站设备尤其是电源设备的季节性大量损坏，一直是长期以来困扰通信行业的一个突出问题。多年来各大通信运营商均对电源设备的日常维护投入了大量资金，但由于并未认识到内在问题发生的真正原因，采取的措施不到位，除被动性的事后维修外，至今仍无有效的防范措施。由于各通信运营商管辖的通信基站数量众多(移动、联通和中国电信在每个省的基站数量均有上万个，而且随着3G业务的快速启动，各省的通信基站数量

2、又出现了一轮快速增长的势头)，每年用于季节性毁损通信基站设备的维修费用逐年增高.由于大部分通信基站（指移动、固话和数据两大类通信基站）建设在远离城镇的高山、阔野等易遭受雷击的空旷地带，这些地区的基站设备，尤其是电源设备在雷雨季节往往因为雷击，而造成大量损坏，严重影响了基站设备的正常运行。同时，由于为基站供电的几乎全部为供电质量较差的农村电网，电压异常波动和断相等情况会时常发生，这就使得基站设备被持续损坏，成为严重影响基站设备正常运行的又一重大因素。自2008年起，我们对河北地区在雨季经常出现问题的数百个移动基站进行长期跟踪观测，基本查出问题的根源，并采取了相应措施，也从中摸索出一套适应通信基站

3、安全运行的新技术和新方法。1 通信基站设备季节性大量损坏的原因1.1 二次雷击效应(即感应雷)是当前危害基站设备的主要原因1.1.1 传统避雷针的副作用产生二次回击效应 在长期的维护实践中我们不难发现，绝大多数基站设备在雷暴季节的损坏都是在基站避雷天线、避雷器件和接地装置完好的情况下发生的。这就说明对基站的危害并不是直击雷。实际上当移动基站铁塔的接闪器通过引下线将雷击引入大地的一瞬间，由于入地雷电流强度大(可达几百KA)，放电时间短(通常为几十s的强脉冲)，因此会在引下线周围产生瞬时强大磁场。在强磁场作用下，处于磁场之中的导体上将产生幅度可达几千至几十kV的感应电压。如果此时的基站设施，特别是

4、对外部的链接线路没有很好的屏蔽措施，就极易在上面产生很高的感应电压，如此高电压势必造成通信设备的损坏。这就是人们所说的二次雷击效应。目前，通信基站安装的防雷设备的底限值基本上都选择在3KV以上，而对于3KV以下,尤其是0.51.5KV区段的电源设备的安全防护，在基站设备上基本没有设置。而恰恰就是在这一段，电压防护出现空缺，这是当前对基站设备的主要危害。摘 要 通过对通信基站电源设备防护原理的介绍，系统地分析了当前通信基站普遍存在的季节性电源设备大量毁损的原因，同时，结合维护实践提出新的技术解决方案。技术广角2009 06671.1.2 由通信基站动力电源引入线感应的二次回击效应，是引起电源设备

5、损坏的主要因素对于通信基站，雷电的二次回击效应入侵一般有4个途径，即：感应雷从交流电源线路引入、从天馈线引入、地电位反击和通信传输线路引雷。通过对2008年河北某地区10个易损基站的设备故障统计(见表1)，可以得出以下结论：通信基站遭受雷电的二次回击效应入侵受损的部位主要集中在动力电源配电设备、避雷器件和基站电源设备，占整个基站故障率的70%以上，故障主要是通过动力电源线路引入引起的。通过对基站电源引入线的观测，我们发现凡是对进入基站的电源线路做了良好屏蔽处理的(例如在进入基站前，对垂直引入基站的电源线路套上钢管或外套钢箍带缠绕后直接由地下穿上基站地面后，再连接到配电盘接入设备)，发生设备损坏

6、的情况就很少，有相当数量的基站全年甚至几年没有出现一次设备被烧毁的情况；因此，除对通信基站的设备和连线做好完善的屏蔽措施外，解决好动力线路防雷电的二次回击效应问题就是保障通信基站设备安全运行的关键所在。1.2 由于地电位反击所造成的基站电源设备的毁坏由于地电位反击所造成的基站电源设备毁坏的现象，主要发生基站比较集中的地方。由于两个或两个以上的基站接地点的地阻值不同，且相互位置相邻又较近，当一方或多方遇有强雷击情况时，就会在各自的接地点间形成不同的电位差，由此形成两点间的强电压，导致进入电源设备的电压的在瞬间升高从而烧毁设备。要从根本上解决这类问题就要将相邻几个基站的接地线都用钢条多点焊接在一起

7、，使之形成接地网的同电位；由于相邻的通信基站往往分属不同的电信运营商，相互间的沟通协调并非易事，所以实际上这种情况还是会维持下去；因此，防止因地电位反击所形成的引起电源线路电压的瞬间增高，就成了基站电源设备防护的又一重要问题。1.3 农村电网的异常电压波动所引起基站电源设备瞬间过荷通信基站大部分建立在农村和偏远地区，这部分基站的电力供应基本上都是采用农村电网。农村电网普遍存在着线路老化、线损大、电压不稳定、管理不完善等突出问题。尤其是电压经常发生异常波动的情况，更是造成基站电源设备烧坏的直接原因。例如在夏季用电高峰期，供电部门为弥补线路老化和线损大等问题，往往采用提高供电周率和电压的方式加大供

8、电能力，这样就造成供电电压持续增高的情况。但在用电量突然下降时，如下雨天农民停止灌溉或夜间用电量急剧减少，电部门往往来不及调整，便会造成供电电压骤升，有时甚至高达20%，这就容易造成电源设备尤其是电源模块的大量毁坏。1.4 农村电网经常性的动力线路的断相所形成的基站电源设备的损坏动力线路的断相状况是农村电网经常性发生的问表1 2008年河北省某地移动通信基站在雷雨季节设备故障统计表动力电源配电设备、避雷器(次)212101010210基站名称囫囵镇二郎庄前侯村海尔洼黄营堡堡下村南六庄郭邑堡前北宋老爷庙合计基站电源设备(次)646255453343基站传输设备(次)11011000206基站BT

9、S主设备(次)20110001005基站天馈线引入部分(次)01010010004Broad Angle on Technology信息通信技术68题。其主要原因除线路质量差、管理不到位等客观因素外，也有一些是人为的因素。例如在用电高峰期，农电供应部门或是某一农村电工为保证某一处的电力供应，往往采取断掉一相、甚至两相线路的方式。由于通信基站电源设备大多采用3相交流，单个电源模块的用电基本单相220V交流，电源设备正常工作时，电源模块的使用排列为由ABC的3相交流线路平均分担.例如某一基站的直流供电电流为60A,使用额定30A的电源模块3个，每个模块平均分担的电流约20A左右，余量超过30%，足

10、以应付一般的停电后在开机充电的情况。但是如果有一相断路，3个模块就变成2个，这两个模块的供电电流就由原来的20A,变成30A.达到模块电流的使用极限。实际上由于受使用年限和多次维修的影响，有相当多的电源模块的技术性能早已大幅下降，不足以维持正常使用，这时如果发生停电再启动的情况，两个模块所承担的实际负载电流将会大幅度增大，在这种情况下电源模块的损坏就在所难免了。如果此刻有两相线路断相，3块模块的60A电流，将全部由一块模块承担，在这种情况下电源模块必定会被烧坏。另外，3相动力线中的中性线断路的情况会更加糟糕，它会使原来加在各模块间的220V的相电压，突然大幅度升高(特定情况下最高可升至380V

11、左右)，中性线断相的情况在农村电网的发生概率始终保持高。1.5 其他导致通信基站电源设备损坏的原因除上述因素外，基站的一次电源设备的防雷击措施不完善，多次电源设备维修所导致的电源设备性能下降，通信基站内部防护功能不足等原因，也是导致基站电源设备损坏的原因。2 解决方案2.1 基本思路通过以上分析，我们清楚地了解到设备本身的不足才是造成电源设备毁损的主要原因。解决办法：在基站电源设备中设置一个能够自动检测、自动控制电源设备，并在一定时间内能够自动开关机的保护装置。当出现雷击、异常电压波动、欠压、断相等情况时，保护装置便会自动将两种异常情况检测出来，并通过链接其后的控制执行装置，将基站设备的交流供

12、电自动切换为基站自身的直流蓄电池供电。一定时间(可以根据当地的发生危害的实际状况，自主设定一个短暂时间，这个时间可以设置为20min、30min和45min三个档位且可随意调节)过后再自动恢复交流供电状态。造成动力电源出现异常情况通常都发生在雷雨季节和农村电网地区,其特点是电流强度突然由弱逐渐变强，再由强变弱，直至消失。无规律可寻，随时都会发生，并持续几分钟至几十分钟不等。根据河北省气象局防雷减灾中心提供的数据，河北省大部分地区的雷暴持续周期均在24分钟以内，强度同样是经历由小到大，再由大减小的过程。因此，在检测到哪怕较小的异常情况时，也要将受控负载的电源切断，等危害消除后再恢复供电，这样可以

13、有效避免对通信基站的毁损。实际上由于基站内部的48V DC电池组平时和电源直流48V输出端并联，其功用即是为通信基站提供后备电源，容量配置一般不低于400A/小时，通常可以在交流供电中断的状况下维持12-20小时以上。因此采用以上方法，并不影响基站的正常工作。2.2 解决方案图1是为实现上述目标而设计的通信基站电源设备安全运行的保护装置的电路原理。该防护装置由电压超限自动检测、欠压、断相自动检测、中央执行控制装置、定时控制器、DC-DC直流供电电路等电路组成，其工作原理如下。2.2.1 电压超限自动检测电路电压超限自动检测电路的功能是：自动检测动力电源线路的电压变化情况。一旦发生因雷击、电压异

14、常波动以及其他导致动力电源电压突然升高时，电压超限自动检测电路会自动告警，同时还将这个告警信息检测出来，送到中央执行控制电路。2.2.2 欠压、断相自动检测电路欠压、断相自动检测电路的功能是：自动检测动力技术广角2009 0669电源线路的欠压和断相的情况。当电源线路出现欠压和断相情况时，电路会自动告警，同时还将这个告警信息检测出来，送入中央执行控制电路。2.2.3 中央执行控制电路中央执行控制电路是整个防护装置的电路控制中心。它的功能是接收由电压超限自动检测、欠压、断相自动检测电路输入的告警信号，并通过执行控制电路将基站供电的380V动力电源线路切断，自动转换成基站的48V直流供电，以达到保

15、护基站电源设备的目的。2.2.4 定时控制电路定时控制电路的功能是：通过自主设定的20min、30min、45min三个时段定时，自动控制中央控制执行电路的保护时间。当中央控制执行电路进入保护状态时，定时电路开启，当到达设定的时段时，电路会自动向中央控制执行电路发出释放指令，控制执行电路恢复交流供电。2.2.5 DCDC直流供电电路DCDC直流供电电路的功能是：为防护装置的各单元电路提供相应的直流供电电压。通常根据控制电路的供电需要，采用CD-CD变换方式取出5V、12V、24V和48V几组电压。实际的DCDC直流供电电路可采用固态的DC-DC变换模块，为DCDC直流供电电源采用48V直流电源

16、取自通信基站自身的48V蓄电池组，可以有效提高防护装置的可靠性。以上几部分只是通信基站安全防护装置的基本电路构成原理，实际上完整的基站防护系统还包括远端基站控制中心对防护装置的远端控制开关机功能、远端对本机工作状态的监控功能、告警功能等。目前采用这项技术研发的产品已经在基站安装使用，并取得良好效果。图1 通信基站电源设备安全运行防护装置原理方框图Broad Angle on Technology信息通信技术70作者简历Analysis of the Protection Principles and Solutions of the Safe Operation of Communicatio

17、n Base Stations Power EquipmentWu MingLong-distance Communications Transmission Bureau of Hebei Province,Shi Jiazhuang 050021,ChinaAbstract The reasons for damaging the power equipment of the communication base stations are given by analyzing the protection principle of the current power equipment,a

18、nd the operation principle,technical performance and characteristics of a new solution for protecting the communication base stations power equipment from lightning strikes are introduced in this paper.Keywords Communication Base Station;Power Equipment;Secondary Lightning Strike;Ground Potential Counterattack;Voltage Fluctuation;Phase Failure;Automatic Detection吴 明中国联通河北省分公司河北长途通信传输局技术经理，高级工程师，全国技术能手，中央企业劳动模范。2009年2月被河北省人民政府同时授予“河北省十大金牌工人”、“河北省百名能工巧匠”两个荣誉称号和“河北省五一劳动奖章”。近几年来连续开发研制了一系列直接服务于通信生产的产品和设备，取得了显著经济效益，并以第一完成人的身份获得“国家级企业现代化管理创新成果二等奖”一项、“河北省科技成果一等奖”一项、“中国通信学会科学技术二等奖”一项。技术广角