通信基站幾種供電方案比較

[2018-09-08]

一 基站設備對電源的需求

隨著通信的發展和完善,無線市話大基站、移動邊際網的微蜂窩基站、CDMA的微基站、直放站等設備已經規模使用。這些基站設備一般應用在日曬雨淋的戶外,并安裝于樓頂或電線桿上或山頭上等室外供電質量特別差甚至沒有市電的地方。同時,電網中存在電涌、高壓尖峰、電壓下陷、EMI(Electro Magnetic Interference)、頻率偏移、市電中斷等問題。用戶對其網絡的安全性、可靠性提出越來越高的要求,而高質量的供電是網絡通信設備可靠工作的關鍵。

基站的供電方式一般分2種:一種是48VDC直流遠程饋電,適合耗電量小的小基站;另一種是對于耗電量大的基站則采用220VAC交流就地供電。而對于交流輸入的基站設備,里面的開關電源有2種,一種無APFC(Active Power Factor Correction),該方式可靠性高且成本低,但是穩壓精度稍差并對電網有一定的諧波電流污染;一種是有APFC,有APFC電路的開關電源有更好的電網低壓適用能力,甚至可以達到以美國為主110V電網和以歐洲、中國為主的220V電網兼容,但是對方波輸入電壓不合適?;驹O備故障大部分是基站內電源問題,所以保證基站設備不因市電停電而間斷、不因電源影響而故障成為運營商和主設備商必須考慮的問題。

二 太陽能供電方案

依靠太陽能光電板產生的能量對負載供電,電池直接供電或逆變為交流電提供工作電源,完全脫離市電局限,供電能量自給自足,具有安裝地點靈活可變、綠色能源的特點。

太陽能系統主要由太陽電池、蓄電池、控制器、逆變器、負載組成。

太陽能電池不是一般意義的電池,而是一種“光電裝置”,本身不能儲能,需要蓄電池等其他設備配合。太陽能方案大的好處是可以擺脫市電的局限,缺陷是初次投資大;太陽光能量密度較低,占地面積大;存在因晝夜、季節不同間歇性大;區域性強。因此,該方案在有市電的地方一般很少采用。

三 直流遠供方案

受市電供電影響,有人提出采用直流遠供方案。對于無線市話PHS系統,基站CS是由基站控制器CSC控制的?;究刂破鰿SC里有48VDC直流電源,CS到CSC的距離不能超過4km。

如果采用48VDC單獨供電而不用220VAC是否可行?目前大基站的消耗功率是100W左右,折算為電流是100W/48V=2A,線的電阻情況是:對于1.0mm2 是20Ω/km,如果遠處考慮4km太遠,但是1km總是可能的,單獨采用比較粗的線,1.0mm2是20Ω/k m×2 (來回形成回路)=40Ω,則壓降40Ω×2A=80V。

若采用2.5mm2的線則電阻是8Ω/km,如果遠處1km,則壓降16×2A=36V,到基站只有12VDC,不能接受。況且2km長2.5mm2導線的成本和布線工程等費用用戶也將難以承受。

采用高壓直流遠供方案:在CSC處將48VDC升壓到200~300VDC左右,采用雙絞線進行電力傳輸到基站CS處,對于功耗比較?。ü?0W以下)的基站,這倒是一個可以考慮的方案。但是以下幾個問題需要考慮:

● 對線路環路電阻有不能超過一定值的要求。

● 直流高壓容易造成人身觸電安全事故。

● 傳輸信號用的雙絞線用于高壓直流,需要考慮絕緣耐壓是否足夠。

● 雙絞線線經是0.5mm,甚至更小,不只是需要考慮通過電流時發熱,更要考慮其機械強度。

● 室外用端子板由于高壓直流,在室外潮濕和鹽霧等條件下,極易高壓打火,故端子間需要足夠距離和絕緣處理。

● 線路復用盡管可以減少U口的開銷,但是可能存在干擾以及需要調制解調。

● 長距離傳輸電力需要加倍考慮防雷。

四 UPS供電方案

1.電路拓撲的考慮

UPS根據電路拓撲結構不同,分為后備式、在線互動式、雙變換式。

后備式(standby)的工作原理是:當市電正常時,UPS輸出電壓穩壓精度基本能達到10%的指標。而10%的指標對于基站開關電源來說,是完全可以接受的。當市電超出范圍時,由電池逆變成方波交流電給基站負載。因為該種UPS控制電路簡單并且功率器件工作在低壓狀態(電池電壓一般為12V),符合“越簡單越可靠”原理,技術也很成熟,因此理論上該種UPS應該可靠性很高。不足是逆變時輸出是方波,不能帶具有APFC開關電源的基站負載(但是絕大部分基站內電源沒有APFC)。

在線互動式(line-interactive):與后備式一樣,當市電正常時,UPS輸出電壓穩壓精度基本能達到10%的指標。當市電超出范圍時,電池逆變為220V交流給基站負載供電。不同的是,這個逆變輸出波形已經是正弦波,即使是有APFC開關電源的基站,UPS也可以正常工作。在線互動式不足主要是交流工作時穩壓精度一般是10%,偏大。

雙變換式(double conversion):所謂雙變換,是指交流經過AC/DC整流成直流再經過逆變器DC/AC變換成交流給負載,因為經過了中間直流環節,所以更全面地解決電源問題。雙變換在線式分工頻機和高頻機。只有旁路也電氣隔離的工頻機,才能有效抑制輸入的共模干擾,才能保證基站要求交流電壓的零地電壓低于1Vac。高頻機是指整流和逆變采用高頻鏈技術而不含工頻變壓器的UPS,高頻機的輸入輸出不是電氣隔離的。如果要求輸入輸出電氣隔離,一般在輸入采用一個工頻隔離變壓器可以達到輸出零地電壓為零的要求。

高頻機中母線電壓高達760~800VDC,給絕緣帶來很大隱患。母線電壓是一般工頻機的母線電壓的十倍,按照P=U2/R公式,在絕緣電阻相同時,則功率是100倍!也就是危險性增加100倍!所以當高頻機用于室外時一定要重點考慮機器內部的絕緣。

2.蓄電池

室外UPS中電池的容量和壽命與溫度關系很大。低溫時特別在東北高寒地區,如需要充分利用蓄電池的容量,必須提高電池的外殼溫度。

高溫南方環境,需要降低電池溫度。一般12V的電池在20℃~25℃的環境下,壽命為3到5年,而在室外的高溫惡劣環境下,則壽命大為下降。

為此,有人建議將電池埋入地下恒溫。但埋入地下存在不能透氣和容易浸水的危險,不符合電池廠家建議“電池安裝在通風良好的地方”的要求。一旦浸水則電池很快報廢,維修更換時還得掘地三尺。另外對于安置在高樓房頂上的UPS,一般沒有供埋電池的地方,或從地下到房頂的電池線過長,UPS不能承受其線上壓降。ZXUPS L系列采用內外箱結構,有加熱板可選。

3. UPS冷卻方式

UPS變換時會產生熱量,散熱方式一般有2種,風冷或自然冷卻,風冷可使機器小巧,自冷笨重。但是風冷存在吸附塵埃多的缺陷,塵埃一多,勢必影響絕緣。因此UPS一定要有防塵考慮。

4.整機結構防護

IP防護等級系統是由IEC(國際電工委員會)起草的,我國等效標準是GB 4208-1993 《外殼防護等級(IP代碼)》。將電器依其防塵防濕氣之特性加以分級。IPxx防護等級是由兩個數字所組成,第1個數字表示電器防塵、防止外物侵入的等級,以免觸電;第2個數字表示電器防濕氣、防水侵入的密閉程度,數字越大表示其防護等級越高。如IP54中的“5”表示防塵,雖不能完全防止灰塵進入,但侵入的灰塵量并不會影響電器的正常工作,其中“4”防止飛濺的水侵入,防止各方向飛濺而來的水進入電器造成損害。

5. 印制板及結構件的三防處理

印制板及結構件進行三防(防鹽霧、防潮濕、防霉菌)處理,將大大提高室外UPS的可靠性和使用壽命。有測試條件的用戶,選型時可以通過高溫高濕試驗來驗證。中興ZXUPS L系列室外型產品,除了通過“額定負載,烘房溫度:60±2℃,濕度:93%-95%,運行時間24h,運行12h后將中斷市電4小時再接入市電。UPS正常運行24小時”的要求外,還通過了軍標GJB150.11的有關防鹽霧的規定。


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