基站开关电源的管理及维护
2016/5/24 网优雇佣军
来源微信公众号：建维之家 (微信ID：jianweizhijia)
目录
第一部分 类型及使用场景
1.组合式开关电源
2.嵌入式开关电源
3.壁挂式开关电源
第二部分 配置原则及算法
1.新建时配置原则
2.共享改造时配置原则
3.容量算法
第三部分 日常管理及维护
1.基本组成
2.各部分主要功能说明
3.日常维护
附件1：直流开关电源系统防雷原理与维护
附件2：开关电源选配表
摘要：本文重点介绍了开关电源的“类型及使用场景、配置原则及算法、日常管理及维护”三部分内容。
背景：交流电经过整流，可以得到直流电。但是，由于交流电压及负载电流的变化，整流后得到的直流电压通常会造成20%到40%的电压变化。为了得到稳定的直流电压，必须采用稳压电路来实现稳压。按照实现方法的不同，稳压电源可分为三种：线性稳压电源、相控稳压电源和开关稳压电源。
开关稳压电源与线性稳压电源和相控稳压电源相比，具有功率转换效率高(65%~90%)、发热少、体积小、重量轻，对电网电压大范围变化的适应性强，对输出电压、负载的稳定度高等特点。目前基站机房的电源部分，几乎全部采用开关稳压电源。
第一部分 类型及使用场景
目前主要使用三种开关电源类型。
1.组合式开关电源
(1)配置：机架48V/300A、48V/600A；整流模块50A(建议N高+1普配置)。
(2)使用场景：用于室内具备机房条件的电源场景；
2.嵌入式开关电源
(1)配置：机架48V/200A、48V/400A；整流模块50A(建议N高+1普配置)。
(2)使用场景：用于室外一体柜内的电源场景；
3.壁挂式开关电源
(1)配置：机架48V/200A；
(2)使用场景：用于室分、或无地面空间放置机柜的电源场景。
第二部分 配置原则及算法
主要包含了“新建、共享改造的配置以及容量算法”三部分内容。
1.新建时配置原则
(1)机柜满配容量按远期用电需求考虑，预警门限值为≤80%。即(负载电流+充电电流)/ 额定电流≤80%。
(2)电源系统位置应尽可能靠近负荷中心，合理选择线路路由，降低线路损耗
(3)整流模块数量按本期负荷考虑，本期负荷应按负荷实际电流来确定(不考虑电池充电电流)。数量宜按N+1配置，N≤8时，备用1只；N≥9时，备用2只。
a.精准配置模块:只考虑负载电流的N+1冗余配置(不考虑充电电流)，优先满足负载供电，拉长电池充电时长;
b.适配高效模块:实际工作中应按照N块配置高效模块，+1块配置普通模块。日常工作中高效模块工作，+1备份模块休眠，当负载电流增大到N块整理模块容量之上或高效模块故障时，启动普通模块应急;
c.采用休眠技术:开关电源柜具备模块休眠功能。部分模块休眠提升其余模块负载率。平时供电时，采用高效模块工作，标准模块休眠；在电池均充时启动标准模块工作，电池浮充时标准模块休眠.
(4)系统选型时应考虑技术先进、安全可靠的高效节能产品，或混合使用。
(5)3个月内为本期规划，1年内为近期规划，2年内为远期规划。
2.共享改造时配置原则
(1)新增设备后，整流模块的配置，只考虑设备负载电流的满足，且+1冗余，不考虑电池的充电电流。
(2)新增设备后，直流输出端子数量不够时，是通过创新改造或增加直流配电箱来满足需求。
(3)开关电源端子改造：分为一次下电端子和二次下电端子，采取创新改造或新增直流配电箱、新增DCDU等改造方式来满足需求：
一次/二次下电端子都满足：直接利旧。
一次下电端子不满足：新增DCDU。
一次/二次下电端子都不满足：新增直流配电箱。
3.容量算法
根据当地区域实际供电质量，以及站点供电保障能力综合考虑。
(1)机架容量算法：
A.负载总电流=设备总电流+电池均充总电流。(设备总电流=额定功率的60%/53V；电池均充电流=0.1C(C为电池总容量))
B.结合配置原则综合考虑得出容量大小
(2)整流模块算法
A.模块数N=负载总电流/50(向上取整)
B.结合实际功率与额定电流差值来综合考虑。
第三部分 日常管理及维护
主要包含了“开端电源组成、各部分功能说明及日常维护”三部分内容。
1.基本组成(如图所示)
开关电源系统一般由“交流配电、整流模块、监控模块和直流配电”四部分组成，其整体结构如下图所示
备注：机柜各部分电流走向流程：
市电—电源总空开—交流端及SPD--整流器分路空开—整流器—直流母排—直流SPD—负载熔丝—负载。
2.各部分主要功能说明
(1)交流配电单元
A.基本组成(如图所示)
B.主要功能
交流配电——输入市电或油机电，将交流电分配给各路交流负载。当市电中断或市电异常时(过压、欠压、缺相等)，配电屏能自动发出告警信号，有的电源系统还能自动切换到第二路市电或自动切断交流电源，保护系统。
C.主要组成器件
(A)交流输入空开：交流接入一般通过空气开关，交流接入开关的容量即为交流配电屏的容量。
(B)整流器交流输入开关：交流配电单元分别为系统的每一个整流器提供一路交流输入，开关容量根据整流器容量确定。
(C)交流切换机构：有自动切换机构和手动切换机构。自动切换机构由机械电子双重互锁的接触器或ATS组成。
(D)交流采样电路：由变压器和整流器件组成的电路板，将交流电压、电流和频率等转换成监控电路可以处理的电信号。
(E)交流切换控制电路：完成两路交流自动切换、过欠压保护、告警等功能。
(F)交流监控电路：集散式监控中专门处理交流配电各种信息的微处理器电路，可以完成信号检测、处理、告警、显示以及与监控模块通信等功能。
(G)C级与D级防雷器。
D.重要器件详细说明
(A)交流输入空开
(B)C级防雷器
直流开关电源中常用的防雷器件是“压敏电阻和气体放电管”。
a.压敏电阻：电压高于385V时，电阻下降，电压越高，电阻越小；
b.气体放电管：电压高于255V时，气体击穿导通。
c.防雷空开：压敏电阻热击穿时，火线对零线短路，防雷空开跳开，防止线路着火。正常时必须合上。
如何判断防雷器的好坏：1.压敏电阻：窗口绿色-好；窗口红色-坏；2.气体放电管：难以直接判断!随压敏电阻一起更换；3.直流防雷：指示灯全亮-好；指示灯不全亮-坏。
备注说明：附后有详细的“直流开关电源系统防雷原理与维护”说明。
(C)整流器空开
作用：整流器空开用于控制单个整流器输入交流的连通与断开；
注意：一个整流器空开对应一个整流器， 整流器在安装时尽量保持三相电压平衡负担，槽位与相线关系为：123456对应ABCABC。
(2)整流模块
A.基本组成(如图所示)
作用：将交流电(85V-295V)转换为直流电(42V-59V)。
特点：支持热插拔；风扇自动控制。
类型：高效(97%以上)、普效(92%以上)
容量：30A、50A。
现象：绿灯1(交流输入)常亮-正常、绿灯2(直流输出)闪烁-限流； 黄灯常亮-告警、黄灯闪烁-通信中断；红灯常亮-故障；绿灯1常亮绿灯2关闭-休眠。
B.主要功能
整流模块——从交流配电取得交流电能，将交流电整流成直流电，输出到直流母排。交流异常或直流输出异常时发出告警或自动保护。整流模块发生严重故障时，自动关机，退出工作。
C.更换步奏(热插拔)
1.检查新整流模块，看是否有明显的运输损坏。
2.松开整流模块的把手固定螺钉。将模块抽出机架。小心烫伤。
3.抓住新整流模块把手，缓慢将模块推进到机柜，确保输入、输出插座连接良好。4.模块运行指示灯经过短时延迟后会发光，风扇运转。
5.检查新的整流模块工作是否正常。包括：监控模块是否能识别新整流模块；是否和其他整流模块均流；当重新拔出该整流模块时，观察监控模块上是否有相应告警。
6.固定好新模块。
(3)直流配电单元
将直流母排上的直流电能分配给不同容量的负载，并给电池充电。当直流供电异常时要产生告警或保护。如熔断器断告警、电池欠压告警、电池过放电保护等。
A.基本组成(如图所示)
B.主要功能
(A)负载下电和电池保护
(B)电池欠压告警值：45V(可调)
(C)次要负载下电(一次下电)值：44V
(D)电池低电压保护(二次下电)值：43.2V
C.技术要求
直流配电屏位于整流器与通信负载之间，主要用于整流器、蓄电池组的接入和直流负荷的分配。其主要技术要求如下：
(A)同一种电压同型号的直流配电屏应能并联使用。
(B)可接入两组蓄电池。
(C)负荷分路及容量可根据系统实际需要确定。
(D)在低阻配电系统中，直流屏带额定负荷时，屏内放电回路电压降≤500mV。
(E)具有过压、欠压、过流保护和低电压告警功能。
(F)对于蓄电池充放电回路以及主要输出分路应能够进行监测。
D.重要器件详细说明
(1)负载熔丝和空开
作用：提供负载设备的接入及保护。
原理：当负载设备电流大于熔丝(空开)额定电流时，熔丝熔断，空开脱扣，保护负载设备。
注意：1.熔丝熔断时，须及时更换；2.选配时熔丝(空开)容量为负载电流的1.5-2倍。
(2)分流器
作用：精密电阻用来测量负载、电池电流(“负载、电池组1、电池组2”各装1个分流器，用来检测实际电流大小)。
原理：将电流信号转换成毫伏级电压信号。分流器通过检测输出0~75mv电压信号送至监控单元，监控单元根据设置的分流器规格，按比例关系计算实际电流。
同时分流器的方向性功能，可以显示蓄电池充电时电流(正)、放电的时电流(负)。
规格：300A/75mv；
(3)直流接触器
作用：电池保护、负载下电(包括一次下电、电池下电)。
原理：接触器采用常闭接法，当接收到下电信号(45V、43V)时，线圈加电，接触器断开；市电来电后，接触器自动吸合。
断开现象：母排电压正常(53.5V)，一次下电排或电池下电排电压为0时。
注意：实际工作中，由于其他器件故障时，可能会造成直流接触器断开。此时需要断开故障器件，并强制上电恢复供电。
以ZJ开头，常闭型，正常情况下长通。上下两端无电位差。
使用说明：线圈额定电压48V；常闭型(无电闭合，加电断开)
(4)监控单元
监控模块是高频开关电源系统中的智能装置，对开关电源系统的运行进行统一的管理。该模块通过内部通信接口，根据预定的工作程序，对开关整流模块、交、直流配电屏及电池的运行状态进行实时监视、控制和管理。一套开关电源系统有一个监控模块，可同时监控多个高频开关整流模块和配电装置。另外，通过RS232/485外部接口纳入上一级监控管理系统，发送并接收相应的信息，执行监控系统的命令；同时，还具有完成对各种参数及运行信息的存储，由维护人员在现场进行运行参数的调整，将系统的运行状态与参数进行实时的显示等功能。
A.基本组成(如图所示)
作用：完成系统运行状态、蓄电池管理、各种参数设置、查看实时告警和历史告警、数据远程传输等功能。
现象：绿灯1(直流供电)常亮-正常、绿灯2(运行状态)闪烁-正常；红灯闪烁-告警。
注意：一旦监控单元损坏，应及时更换监控单元。
监控单元损坏对系统运行举例：1.当蓄电池放电时，监控单元不能下电保护(直流接触器失效)，蓄电池可能会深度放电；2.整流器只能输出53.5V直流电为电池组充电(默认为浮充)；3.电池充电电流不受限制(对蓄电池充电管理功能失效)；4.动环系统监控中断(失效)。
B.主要功能：1.显示功能：监控模块可在其液晶显示屏上分屏显示系统各种运行信息，如交流输入电压、直流输出电压/电流，电池的均/浮充状态等。
2.参数设置：可通过键盘和显示屏输入、修改电源系统的工作参数。这些参数将在以后电源系统的运行过程中，影响整个系统的工作，所以设置参数时，必须确保输入的参数值与实际情况一致，否则监控模块不能正确地监控电源系统。
3.控制功能：监控模块根据系统的运行状态，对被监控对象发出相应的动作指令，主要包括：
(1)改变整流模块的限流点；
(2)控制整流模块的开/关机状态和均/浮充状态；
(3)电池欠压保护等。
4.告警功能：监控模块可以根据采集到的数据，对系统交直流配电开关量、模拟量、电池运行状态进行监控，并综合相关信息处理进一步的告警。
5.历史记录：监控模块将电源系统运行过程中的一些重要状态和数据，根据时间或其它条件存储起来，以备查询。监控模块可提供五条的历史告警信息，每一条信息都包括告警类型、起始时间和结束时间，并保证掉电后不会消失。用户随时可以在液晶显示屏上浏览。
6.电池管理功能：监控模块可根据用户设定的数据(如充电限流值、均/浮充转换电流值、二次下电电压值和电池保护电压值等)调整电池的充电方式、充电电流，并实施各种保护措施(如充电限流、浮充温度补偿、二次下电和电池保护等)。
3.日常维护部分
(1)电气连接检测
A.检测交流输入回路的短路故障
操作步骤：
1. 将本设备外接的电源开关(在交流配电箱内)置于OFF。
2. 将本设备内的交流输入空开置于OFF。
3. 将万用表调到蜂鸣器档。
4. 在本设备的交流输入空开处检测交流输入回路是否存在短路故障。
检测触点检验标准如下
交流输入模式
检测触点
检验标准
三相交流输入
L1-L2、L2-L3、L3-L1
1.蜂鸣器不响，表明无短路故障，检验结果合格；
2.蜂鸣器响，表明有短路故障存在，需找出短路的故障点，重新连接线缆。
L1-N、L2-N、L3-N、
L1-PE、L2-PE、L3-PE、
示例：检测交流输入端子L1和L2之间的短路故障
B.检测直流输出回路的短路故障
操作步骤1. 将万用表调到蜂鸣器档；
2.检测直流输出回路是否存在短路故障。
检测触点不检验标准参见下表：
检测确点
检测标准
黑笔 -48V母排
1.蜂鸣器不响，表明无短路故障，检验结果合格；
2.蜂鸣器响，表明有短路故障存在，需找出短路的故障点，重新连接线缆。
红笔 GND母排
示例：
C.检测交流输入电压
操作步骤如下：
1. 确认本设备内的交流输入空开仍然置于OFF。
2. 将外接的电源开关(在交流配电箱内)置于ON。
3. 将万用表调到交流电压档。
4. 在本设备内的交流输入空开位置处检测交流输入电压。
5. 完成检测后，将本设备外接的电源开关置于OFF。
检测触点不检验标准参见下表：
交流输入模式
检测触点
检验标准
三相交流输入
N-PE
1.零地电压应小于5 V。如果丌满足要求，雹要用户改造电网以减小零地电压差；
2.相电压在80 V ~ 300 V范围内。如果丌满足要求，建议启劢油机供电。
L1-N、L2-N、L3-N、
示例：检测交流输入L1与L2之间的电压
D.检测电池组的端电压
操作步骤：1. 将万用表调到直流电压档。
2. 在电池熔丝座位置处检测每一路电池组的端电压，并将检测值记录在以下表格中。
检测触点与检验标准
检测对象
检测触点
端电压
检验标准
电池组-1#
红笔：GND汇流排
1. 检测值为正数，表明检验合格；
2. 检测值为负数，表明电池线缆的极性被接反，检验不合格
黑笔：电池空开1的输出侧
电池组-12#
红笔：GND汇流排
黑笔：电池空开1的输出侧
示例：检测电池组1的端电压
(2)开关电源设置建议
1.电源设置必须与基站现场情况一致，不得使用出厂默认值；
2.电源设置重点在电池管理、电源模块数量正确(部分厂家自适应系 统不用设置模块数量)；
3.开关电源一二次下电设置值：应根据基站类型，路途遥远，电池容量及负载情况设置，对于2.5G传输站和传输链路上下挂较多站点的基站，以保证传输供电为重点，宜将一次下电值设为46V，二次下电值设为43.2(44)V；
4.普通基站一次下电值建议设为45.6V、二次下电值设为44.4V；
5.端站(不用对传输做保护的站)宜将一、二次下电均设置为44V；
6.直流低压告警值：传输节点站、重要站点、高山站的直流电压低告警值宜设为48V，普通基站设为47V；
7.普通站：充电限流值：0.1C10，定时均充时间3-6个月，停电频繁站：均充限流值增加为0.15-0.2C10，加快电池充电；定时均充时间1-2个月。
附件1：直流开关电源系统防雷原理与维护
按照通信用高频开关整流器规范，直流开关电源配置C级防雷器。有经验的电源工程师了解防雷器接线方法，也熟知防雷器告警的原因及处理方法，但对其中的细节可能不甚清楚。业界认为艾默生电源重视防雷设计，系统防雷做得很好，但防雷问题是系统工程，不是只要有配置了防雷器的电源就可以完全解决的。如果能全面了解电源系统防雷思想，不但有助于分析设备故障，并有助于建设高可靠的通信动力系统，为通信网络提供有力保障。
一、雷击过电流产生的原理
雷电流的入侵首先表现为过电压，当存在泄放通道时，产生雷电流。不论是由于直击雷产生的线路来波，抑或电磁感应的过电压均是如此。过电压有共模过电压和差模过电压两种类型，如图1所示。
图1 共模与差模过电压、过电流
由于寄生电容的广泛存在，雷电过电压击穿空气或在常压下绝缘的器件，形成强大的雷电流，造成设备损坏。
为了抑制雷电的影响，应在雷电能量进入设备前将能量泄放至大地。对于共模过电压，应在输入电缆与防雷地之间安装防雷器件(或称防雷片)；对于差模过电压，应在输入电缆火线和零线之间安装防雷器件。由于雷电流是属于浪涌电流，防雷器件是一种浪涌抑制保护器件(Surge Protection Device)，简称SPD。
二、常用放雷器件的特性
直流开关电源中常用的防雷器件是压敏电阻和气体放电管。
1、压敏电阻
压敏电阻为限压型器件，当两端施加工作电压时阻值很高，漏电流为μA级。随着端电压升高，压敏电阻阻值降低，端电压超过一定值后阻值急剧降低，漏电流可高达20~40KA，形成雷电泄放通道。当电压降低至工作电压后，压敏电阻的漏电流迅速减小，恢复原来状态。
直流开关电源常用的压敏电阻主要参数如下，关键参数含义如图2所示。
U
图2 常用压敏电阻特性
随着工作时间的增加，尤其是多次泄放雷电流，压敏电阻漏电流逐渐增大。如果施加标称电压U
图3 常用气体放电管特性
气体放电管主要参数与压敏电阻类似，如U
图4 常规接法与凯文接法
在具体应用凯文接法时，可能无法做到入、出电缆均直接与防雷器连接，但应尽可能地缩短入、出线交叉点与防雷器接线端子之间的距离，一般不要超过0.5米。
四、4P防雷器
4P防雷器指由4个压敏电阻构成的防雷器，如图4所示。在我国市场上仅有少量4P防雷器，但在其它国家如印度，直流开关电源配置的防雷器多是4P的。
图5 4P防雷器接线方法
当某相压敏电阻失效短路时，相电流通过地回流至电源。由于TN供电系统电源端地网与设备端地网有直接的金属连接，电阻极小，短路电流很大，防雷空开跳闸，使防雷器迅速脱离电源。但如果4P防雷器应用于TT供电系统(如基站供电)中，由于TT供电系统电源接地地网与设备端地网没有直接连接，短路电流经过电阻较高的大地流回电源。按通信电源、空调维护规程，基站接地电阻小于5Ω，回路总电阻可能高达10Ω，短路电流只有22A，防雷空开不能脱扣，持续强电流可能导致线路和防雷器着火。
五、3P+1防雷器
在我国，大型局站通信动力系统供电均采用TN方式，可以应用4P防雷器。大量中小局站则多采用TT供电系统，宜选用3P+1防雷器，即由3个压敏电阻和一个气体放电管组成的防雷器，如图6所示。
图6 3P+1防雷器接线方法
3P+1防雷器与4P防雷器的第一个不同点在于压敏电阻安装在相线与零线之间，能有效地泄放差模雷电过电压，共模过电压由气体放电管泄放。由于气体放电管响应时间长于压敏电阻，在气体放电管响应前，相线上的对地过电压不能泄放，防雷器总的响应时间为压敏电阻与气体放电管之和，因此有必要优先选用响应速度更快的气体放电管。
3P+1防雷器与4P防雷器的第二个不同点在于零线与地线之间采用气体放电管作为防雷片。气体放电管有续流问题，灭弧电压低，在3P+1防雷器中却正好可以进一步降低零地电压，使零线上的残压很低，有利于负载正常工作。
附件2：开关电源选配表
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