基站開關電源的管理及維護

導讀

本文重點介紹了開關電源的“類型及使用場景、配置原則及算法、日常管理及維護”三部分內容。

第一部分 類型及使用場景

1.組合式開關電源

2.嵌入式開關電源

3.壁掛式開關電源

第二部分 配置原則及算法

1.新建時配置原則

2.共享改造時配置原則

3.容量算法

第三部分 日常管理及維護

1.基本組成

2.各部分主要功能說明

3.日常維護

附件1：直流開關電源系統防雷原理與維護

附件2：開關電源選配表…

交流電經過整流，可以得到直流電。但是，由于交流電壓及負載電流的變化，整流后得到的直流電壓通常會造成20%到40%的電壓變化。為了得到穩定的直流電壓，必須采用穩壓電路來實現穩壓。按照實現方法的不同，穩壓電源可分為三種：線性穩壓電源、相控穩壓電源和開關穩壓電源。

開關穩壓電源與線性穩壓電源和相控穩壓電源相比，具有功率轉換效率高（65%~90%）、發熱少、體積小、重量輕，對電網電壓大范圍變化的適應性強，對輸出電壓、負載的穩定度高等特點。目前基站機房的電源部分，幾乎全部采用開關穩壓電源。

第一部分 類型及使用場景

目前主要使用三種開關電源類型。

1.組合式開關電源

（1）配置：機架48V/300A、48V/600A；整流模塊50A（建議N高 1普配置）。

（2）使用場景：用于室內具備機房條件的電源場景；

2.嵌入式開關電源

（1）配置：機架48V/200A、48V/400A；整流模塊50A（建議N高 1普配置）。

（2）使用場景：用于室外一體柜內的電源場景；

3.壁掛式開關電源

（1）配置：機架48V/200A；

（2）使用場景：用于室分、或無地面空間放置機柜的電源場景。

第二部分 配置原則及算法

主要包含了“新建、共享改造的配置以及容量算法”三部分內容。

1.新建時配置原則

（1）機柜滿配容量按遠期用電需求考慮，預警門限值為≤80%。即（負載電流 充電電流）/ 額定電流≤80%。

（2）電源系統位置應盡可能靠近負荷中心，合理選擇線路路由，降低線路損耗

（3）整流模塊數量按本期負荷考慮，本期負荷應按負荷實際電流來確定（不考慮電池充電電流）。數量宜按N 1配置，N≤8時，備用1只；N≥9時，備用2只。

a.精準配置模塊:只考慮負載電流的N 1冗余配置（不考慮充電電流），優先滿足負載供電，拉長電池充電時長;

b.適配高效模塊:實際工作中應按照N塊配置高效模塊， 1塊配置普通模塊。日常工作中高效模塊工作， 1備份模塊休眠，當負載電流增大到N塊整理模塊容量之上或高效模塊故障時，啟動普通模塊應急;

c.采用休眠技術:開關電源柜具備模塊休眠功能。部分模塊休眠提升其余模塊負載率。平時供電時，采用高效模塊工作，標準模塊休眠；在電池均充時啟動標準模塊工作，電池浮充時標準模塊休眠.

（4）系統選型時應考慮技術先進、安全可靠的高效節能產品，或混合使用。

（5）3個月內為本期規劃，1年內為近期規劃，2年內為遠期規劃。

2.共享改造時配置原則

（1）新增設備后，整流模塊的配置，只考慮設備負載電流的滿足，且 1冗余，不考慮電池的充電電流。

（2）新增設備后，直流輸出端子數量不夠時，是通過創新改造或增加直流配電箱來滿足需求。

（3）開關電源端子改造：分為一次下電端子和二次下電端子，采取創新改造或新增直流配電箱、新增DCDU等改造方式來滿足需求：

一次/二次下電端子都滿足：直接利舊。

一次下電端子不滿足：新增DCDU。

一次/二次下電端子都不滿足：新增直流配電箱。

3.容量算法

根據當地區域實際供電質量，以及站點供電保障能力綜合考慮。

（1）機架容量算法：

A．負載總電流=設備總電流 電池均充總電流。（設備總電流=額定功率的60%/53V；電池均充電流=0.1C（C為電池總容量））

B．結合配置原則綜合考慮得出容量大小

（2）整流模塊算法

A．模塊數N=負載總電流/50（向上取整）

B．結合實際功率與額定電流差值來綜合考慮。

第三部分 日常管理及維護

主要包含了“開端電源組成、各部分功能說明及日常維護”三部分內容。

1.基本組成（如圖所示）

開關電源系統一般由“交流配電、整流模塊、監控模塊和直流配電”四部分組成，其整體結構如下圖所示

備注：機柜各部分電流走向流程：

市電—電源總空開—交流端及SPD--整流器分路空開—整流器—直流母排—直流SPD—負載熔絲—負載。

2.各部分主要功能說明

（1）交流配電單元

A．基本組成（如圖所示）

B．主要功能

交流配電——輸入市電或油機電，將交流電分配給各路交流負載。當市電中斷或市電異常時（過壓、欠壓、缺相等），配電屏能自動發出告警信號，有的電源系統還能自動切換到第二路市電或自動切斷交流電源，保護系統。

C．主要組成器件

（A）交流輸入空開：交流接入一般通過空氣開關，交流接入開關的容量即為交流配電屏的容量。

（B）整流器交流輸入開關：交流配電單元分別為系統的每一個整流器提供一路交流輸入，開關容量根據整流器容量確定。

（C）交流切換機構：有自動切換機構和手動切換機構。自動切換機構由機械電子雙重互鎖的接觸器或ATS組成。

（D）交流采樣電路：由變壓器和整流器件組成的電路板，將交流電壓、電流和頻率等轉換成監控電路可以處理的電信號。

（E）交流切換控制電路：完成兩路交流自動切換、過欠壓保護、告警等功能。

（F）交流監控電路：集散式監控中專門處理交流配電各種信息的微處理器電路，可以完成信號檢測、處理、告警、顯示以及與監控模塊通信等功能。

（G）C級與D級防雷器。

D．重要器件詳細說明

（A）交流輸入空開

（B）C級防雷器

直流開關電源中常用的防雷器件是“壓敏電阻和氣體放電管”。

a.壓敏電阻：電壓高于385V時，電阻下降，電壓越高，電阻越小；

b.氣體放電管：電壓高于255V時，氣體擊穿導通。

c.防雷空開：壓敏電阻熱擊穿時，火線對零線短路，防雷空開跳開，防止線路著火。正常時必須合上。

如何判斷防雷器的好壞：

1.壓敏電阻：窗口綠色-好；窗口紅色-壞；

2.氣體放電管：難以直接判斷！隨壓敏電阻一起更換；

3.直流防雷：指示燈全亮-好；指示燈不全亮-壞。

備注說明：附后有詳細的“直流開關電源系統防雷原理與維護”說明。

（C）整流器空開

作用：整流器空開用于控制單個整流器輸入交流的連通與斷開；

注意：一個整流器空開對應一個整流器， 整流器在安裝時盡量保持三相電壓平衡負擔，槽位與相線關系為：123456對應ABCABC。

（2）整流模塊

A．基本組成（如圖所示）

作用：將交流電（85V-295V）轉換為直流電（42V-59V）。

特點：支持熱插拔；風扇自動控制。

類型：高效（97%以上）、普效（92%以上）

容量：30A、50A。

現象：綠燈1（交流輸入）常亮-正常、綠燈2（直流輸出）閃爍-限流； 黃燈常亮-告警、黃燈閃爍-通信中斷；紅燈常亮-故障；綠燈1常亮綠燈2關閉-休眠。

B．主要功能

整流模塊——從交流配電取得交流電能，將交流電整流成直流電，輸出到直流母排。交流異常或直流輸出異常時發出告警或自動保護。整流模塊發生嚴重故障時，自動關機，退出工作。

C．更換步奏（熱插拔）

1.檢查新整流模塊，看是否有明顯的運輸損壞。

2.松開整流模塊的把手固定螺釘。將模塊抽出機架。小心燙傷。

3.抓住新整流模塊把手，緩慢將模塊推進到機柜，確保輸入、輸出插座連接良好。

4.模塊運行指示燈經過短時延遲后會發光，風扇運轉。

5.檢查新的整流模塊工作是否正常。包括：監控模塊是否能識別新整流模塊；是否和其他整流模塊均流；當重新拔出該整流模塊時，觀察監控模塊上是否有相應告警。

6.固定好新模塊。

（3）直流配電單元

將直流母排上的直流電能分配給不同容量的負載，并給電池充電。當直流供電異常時要產生告警或保護。如熔斷器斷告警、電池欠壓告警、電池過放電保護等。

A.基本組成（如圖所示）

B．主要功能

（A）負載下電和電池保護

（B）電池欠壓告警值：45V（可調）

（C）次要負載下電（一次下電）值：44V

（D）電池低電壓保護（二次下電）值：43.2V

C．技術要求

直流配電屏位于整流器與通信負載之間，主要用于整流器、蓄電池組的接入和直流負荷的分配。其主要技術要求如下：

(A)同一種電壓同型號的直流配電屏應能并聯使用。

(B)可接入兩組蓄電池。

(C)負荷分路及容量可根據系統實際需要確定。

(D)在低阻配電系統中，直流屏帶額定負荷時，屏內放電回路電壓降≤500mV。

(E)具有過壓、欠壓、過流保護和低電壓告警功能。

(F)對于蓄電池充放電回路以及主要輸出分路應能夠進行監測。

D．重要器件詳細說明

（1）負載熔絲和空開

作用：提供負載設備的接入及保護。

原理：當負載設備電流大于熔絲（空開）額定電流時，熔絲熔斷，空開脫扣，保護負載設備。

注意：1.熔絲熔斷時，須及時更換；2.選配時熔絲（空開）容量為負載電流的1.5-2倍。

（2）分流器

作用：精密電阻用來測量負載、電池電流（“負載、電池組1、電池組2”各裝1個分流器，用來檢測實際電流大小）。

原理：將電流信號轉換成毫伏級電壓信號。分流器通過檢測輸出0~75mv電壓信號送至監控單元，監控單元根據設置的分流器規格，按比例關系計算實際電流。

同時分流器的方向性功能，可以顯示蓄電池充電時電流（正）、放電的時電流（負）。

規格：300A/75mv；

（3）直流接觸器

作用：電池保護、負載下電（包括一次下電、電池下電）。

原理：接觸器采用常閉接法，當接收到下電信號（45V、43V）時，線圈加電，接觸器斷開；市電來電后，接觸器自動吸合。

斷開現象：母排電壓正常（53.5V），一次下電排或電池下電排電壓為0時。

注意：實際工作中，由于其他器件故障時，可能會造成直流接觸器斷開。此時需要斷開故障器件，并強制上電恢復供電。

以ZJ開頭，常閉型，正常情況下長通。上下兩端無電位差。

使用說明：線圈額定電壓48V；常閉型（無電閉合，加電斷開）

（4）監控單元

監控模塊是高頻開關電源系統中的智能裝置，對開關電源系統的運行進行統一的管理。該模塊通過內部通信接口，根據預定的工作程序，對開關整流模塊、交、直流配電屏及電池的運行狀態進行實時監視、控制和管理。一套開關電源系統有一個監控模塊，可同時監控多個高頻開關整流模塊和配電裝置。另外，通過RS232／485外部接口納入上一級監控管理系統，發送并接收相應的信息，執行監控系統的命令；同時，還具有完成對各種參數及運行信息的存儲，由維護人員在現場進行運行參數的調整，將系統的運行狀態與參數進行實時的顯示等功能。

A.基本組成（如圖所示）

作用：完成系統運行狀態、蓄電池管理、各種參數設置、查看實時告警和歷史告警、數據遠程傳輸等功能。

現象：綠燈1（直流供電）常亮-正常、綠燈2（運行狀態）閃爍-正常；紅燈閃爍-告警。

注意：一旦監控單元損壞，應及時更換監控單元。

監控單元損壞對系統運行舉例：

1.當蓄電池放電時，監控單元不能下電保護（直流接觸器失效），蓄電池可能會深度放電；

2.整流器只能輸出53.5V直流電為電池組充電（默認為浮充）；

3.電池充電電流不受限制（對蓄電池充電管理功能失效）；

4.動環系統監控中斷（失效）。

B．主要功能：

1.顯示功能：監控模塊可在其液晶顯示屏上分屏顯示系統各種運行信息，如交流輸入電壓、直流輸出電壓/電流，電池的均/浮充狀態等。

2.參數設置：可通過鍵盤和顯示屏輸入、修改電源系統的工作參數。這些參數將在以后電源系統的運行過程中，影響整個系統的工作，所以設置參數時，必須確保輸入的參數值與實際情況一致，否則監控模塊不能正確地監控電源系統。

3.控制功能：監控模塊根據系統的運行狀態，對被監控對象發出相應的動作指令，主要包括：

（1）改變整流模塊的限流點；

（2）控制整流模塊的開/關機狀態和均/浮充狀態；

（3）電池欠壓保護等。

4.告警功能：監控模塊可以根據采集到的數據，對系統交直流配電開關量、模擬量、電池運行狀態進行監控，并綜合相關信息處理進一步的告警。

5.歷史記錄：監控模塊將電源系統運行過程中的一些重要狀態和數據，根據時間或其它條件存儲起來，以備查詢。監控模塊可提供五條的歷史告警信息，每一條信息都包括告警類型、起始時間和結束時間，并保證掉電后不會消失。用戶隨時可以在液晶顯示屏上瀏覽。

6.電池管理功能：監控模塊可根據用戶設定的數據（如充電限流值、均/浮充轉換電流值、二次下電電壓值和電池保護電壓值等）調整電池的充電方式、充電電流，并實施各種保護措施（如充電限流、浮充溫度補償、二次下電和電池保護等）。

3.日常維護部分

（1）電氣連接檢測

A．檢測交流輸入回路的短路故障

操作步驟：

1. 將本設備外接的電源開關（在交流配電箱內）置于OFF。

2. 將本設備內的交流輸入空開置于OFF。

3. 將萬用表調到蜂鳴器檔。

4. 在本設備的交流輸入空開處檢測交流輸入回路是否存在短路故障。

檢測觸點檢驗標準如下

示例：檢測交流輸入端子L1和L2之間的短路故障

B．檢測直流輸出回路的短路故障

操作步驟1. 將萬用表調到蜂鳴器檔；

2.檢測直流輸出回路是否存在短路故障。

檢測觸點不檢驗標準參見下表：

示例：

C．檢測交流輸入電壓

操作步驟如下：

1. 確認本設備內的交流輸入空開仍然置于OFF。

2. 將外接的電源開關（在交流配電箱內）置于ON。

3. 將萬用表調到交流電壓檔。

4. 在本設備內的交流輸入空開位置處檢測交流輸入電壓。

5. 完成檢測后，將本設備外接的電源開關置于OFF。

檢測觸點不檢驗標準參見下表：

示例：檢測交流輸入L1與L2之間的電壓

D．檢測電池組的端電壓

操作步驟：

1. 將萬用表調到直流電壓檔。

2. 在電池熔絲座位置處檢測每一路電池組的端電壓，并將檢測值記錄在以下表格中。

檢測觸點與檢驗標準

示例：檢測電池組1的端電壓

（2）開關電源設置建議

1.電源設置必須與基站現場情況一致，不得使用出廠默認值；

2.電源設置重點在電池管理、電源模塊數量正確（部分廠家自適應系 統不用設置模塊數量）；

3.開關電源一二次下電設置值：應根據基站類型，路途遙遠，電池容量及負載情況設置，對于2.5G傳輸站和傳輸鏈路上下掛較多站點的基站，以保證傳輸供電為重點，宜將一次下電值設為46V，二次下電值設為43.2（44）V；

4.普通基站一次下電值建議設為45.6V、二次下電值設為44.4V；

5.端站（不用對傳輸做保護的站）宜將一、二次下電均設置為44V；

6.直流低壓告警值：傳輸節點站、重要站點、高山站的直流電壓低告警值宜設為48V，普通基站設為47V；

7.普通站：充電限流值：0.1C10，定時均充時間3－6個月，停電頻繁站：均充限流值增加為0.15-0.2C10，加快電池充電；定時均充時間1－2個月。

附件1：直流開關電源系統防雷原理與維護

按照通信用高頻開關整流器規范，直流開關電源配置C級防雷器。有經驗的電源工程師了解防雷器接線方法，也熟知防雷器告警的原因及處理方法，但對其中的細節可能不甚清楚。業界認為艾默生電源重視防雷設計，系統防雷做得很好，但防雷問題是系統工程，不是只要有配置了防雷器的電源就可以完全解決的。如果能全面了解電源系統防雷思想，不但有助于分析設備故障，并有助于建設高可靠的通信動力系統，為通信網絡提供有力保障。

一、雷擊過電流產生的原理

雷電流的入侵首先表現為過電壓，當存在泄放通道時，產生雷電流。不論是由于直擊雷產生的線路來波，抑或電磁感應的過電壓均是如此。過電壓有共模過電壓和差模過電壓兩種類型，如圖1所示。

圖1 共模與差模過電壓、過電流

由于寄生電容的廣泛存在，雷電過電壓擊穿空氣或在常壓下絕緣的器件，形成強大的雷電流，造成設備損壞。

為了抑制雷電的影響，應在雷電能量進入設備前將能量泄放至大地。對于共模過電壓，應在輸入電纜與防雷地之間安裝防雷器件（或稱防雷片）；對于差模過電壓，應在輸入電纜火線和零線之間安裝防雷器件。由于雷電流是屬于浪涌電流，防雷器件是一種浪涌抑制保護器件（Surge Protection Device），簡稱SPD。

二、常用放雷器件的特性

直流開關電源中常用的防雷器件是壓敏電阻和氣體放電管。

1、壓敏電阻

壓敏電阻為限壓型器件，當兩端施加工作電壓時阻值很高，漏電流為μA級。隨著端電壓升高，壓敏電阻阻值降低，端電壓超過一定值后阻值急劇降低，漏電流可高達20~40KA，形成雷電泄放通道。當電壓降低至工作電壓后，壓敏電阻的漏電流迅速減小，恢復原來狀態。

直流開關電源常用的壓敏電阻主要參數如下，關鍵參數含義如圖2所示。

Uc：最大持續工作交流電壓，一般為385V。

U1mA：標稱電壓，指漏電流達到1mA時施加的端電壓，一般為630V。

UP：殘壓，指通過壓敏電阻泄放限壓后兩端最高電壓，一般為1500V。

In：額定通流能力，能在額定通流能力內安全泄放多次雷電流，一般為20KA。

Imax：最大通流能力，能安全泄放1次，一般為40KA，泄放后，壓敏電阻可能損壞。

此外，壓敏電阻的響應時間也很關鍵，一般響應時間為10~100ns。

圖2 常用壓敏電阻特性

隨著工作時間的增加，尤其是多次泄放雷電流，壓敏電阻漏電流逐漸增大。如果施加標稱電壓U1mA的90%電壓時漏電流就達到1mA，就認為壓敏電阻性能達不到要求，需要更換。基于此，可以比較容易地檢測壓敏電阻性能。

與防雷器有關的行業標準、國際標準有很多，目前并未統一，一般要求壓敏電阻能耐受In電流正反各沖擊5次，耐受Imax電流正負各沖擊一次，10%In電流沖擊100次。壓敏電阻失效時，表現為短路，窗口由綠變紅；偶爾也會因為壓敏電阻爆炸斷裂，表現為開路。

2、氣體放電管

氣體放電管為開關型器件，主要由電極及電極之間的氣隙組成。當氣體放電管兩端施加的電壓小于促發電壓時，氣體放電管為斷路狀態，基本無漏電流。當電壓高于促發電壓時，氣隙被擊穿，可認為短路。促發電壓與氣體放電管種類有關，并且有一定的光敏效應，即在有光和無光的情況下偏差較大。直流開關電源常用的氣體放電管長期耐受工作電壓為255V，促發電壓為400V左右。當兩端的電壓下降至工作電壓以內時，氣隙不能滅弧，繼續有電流通過，這就是氣體放電管的續流問題。氣體放電管的滅弧電壓很低，一般為20~50V，因此不能安裝在火線與零線、火線與地線之間。圖3表示了氣體放電管的一般特性。

圖3 常用氣體放電管特性

氣體放電管主要參數與壓敏電阻類似，如UC、UP、In、Imax等。氣體放電管失效時，表現為開路，偶爾可能因為氣體放電管變形造成短路。

三、凱文接線方法

由于雷電流很大，任何較長電纜的電感不可忽略，如果防雷片兩端的電纜較長，最終施加在設備上的電壓等于防雷片殘壓與電纜上感應電壓之和，如圖4左圖所示，這對設備來說是危險的。為了降低加在設備上的殘余雷電過電壓，應采用如圖4右圖所示的接線方法，這種方法稱為凱文接法。

圖4 常規接法與凱文接法

在具體應用凱文接法時，可能無法做到入、出電纜均直接與防雷器連接，但應盡可能地縮短入、出線交叉點與防雷器接線端子之間的距離，一般不要超過0.5米。

四、4P防雷器

4P防雷器指由4個壓敏電阻構成的防雷器，如圖4所示。在我國市場上僅有少量4P防雷器，但在其它國家如印度，直流開關電源配置的防雷器多是4P的。

圖5 4P防雷器接線方法

當某相壓敏電阻失效短路時，相電流通過地回流至電源。由于TN供電系統電源端地網與設備端地網有直接的金屬連接，電阻極小，短路電流很大，防雷空開跳閘，使防雷器迅速脫離電源。但如果4P防雷器應用于TT供電系統（如基站供電）中，由于TT供電系統電源接地地網與設備端地網沒有直接連接，短路電流經過電阻較高的大地流回電源。按通信電源、空調維護規程，基站接地電阻小于5Ω，回路總電阻可能高達10Ω，短路電流只有22A，防雷空開不能脫扣，持續強電流可能導致線路和防雷器著火。

五、3P 1防雷器

在我國，大型局站通信動力系統供電均采用TN方式，可以應用4P防雷器。大量中小局站則多采用TT供電系統，宜選用3P 1防雷器，即由3個壓敏電阻和一個氣體放電管組成的防雷器，如圖6所示。

圖6 3P 1防雷器接線方法

3P 1防雷器與4P防雷器的第一個不同點在于壓敏電阻安裝在相線與零線之間，能有效地泄放差模雷電過電壓，共模過電壓由氣體放電管泄放。由于氣體放電管響應時間長于壓敏電阻，在氣體放電管響應前，相線上的對地過電壓不能泄放，防雷器總的響應時間為壓敏電阻與氣體放電管之和，因此有必要優先選用響應速度更快的氣體放電管。

3P 1防雷器與4P防雷器的第二個不同點在于零線與地線之間采用氣體放電管作為防雷片。氣體放電管有續流問題，滅弧電壓低，在3P 1防雷器中卻正好可以進一步降低零地電壓，使零線上的殘壓很低，有利于負載正常工作。