核心通信局基礎設施安全運營深度評估探索與實踐

楊超

中國電信股份有限公司徐州分公司

0 引言

電源、空調、動環監控等組成的通信局基礎設施，是保障通信業務安全、高效運營的基礎。隨著業務規模不斷擴大和基礎設施DC化重構深入，以及通信設備功率密度不斷提高，核心通信局用電負荷持續增長，對電源、空調等設備的維護和保障要求也持續提高。為提升安全、高效的維護服務能力，保障核心通信局供電供冷安全，江蘇電信在2017至2019年集中全省專家和骨干多次對省級核心機樓開展供電安全評估，取得良好效果。本文抽取其中7個核心機樓在評估過程中發現的272項各類問題進行分析總結，特別是對典型隱患進行介紹，希望對同業者有所借鑒。

1 重點評估內容

基礎設施安全運營深度評估主要內容包括：高低壓交流配電系統評估、直流供電系統評估、UPS系統評估、末端配電設備評估、空調系統評估、動環監控系統評估等。其中系統容量、容錯冗余、蓄電池放電能力、全程溫升檢查、發電機組帶載能力、動環監控告警有效性、應急能力等作為重點評估項目，每個系統每臺設備每個開關逐一實施。

7個核心機樓在評估過程中共發現各類隱患272項，按照隱患原因排序，前3類分別是異常溫升43項，設備容量不足22項，開關整定值不合理21項。按照設備分類，前5位分別是高低壓交流配電、蓄電池、開關電源、動環監控、列頭柜，具體見表1。

表1 隱患數量匯總

2 高低壓交流配電典型隱患分析

2.1 低壓供電系統容錯冗余和容量冗余隱患

核心通信局低壓配電系統一般采用多套2進線1母聯的經典結構，每臺變壓器負載率不大于45%，當一臺變壓器故障或停電時，另一臺變壓器能夠承擔全部負荷。此種供電結構簡潔，可靠性高，但是在評估過程中也發現末端電源設備為提高可靠性而盲目采用雙路電源自動切換，反而人為造成隱患。如圖1，由兩路市電供電的4臺變壓器均處于分供狀態，UPS系統1與UPS系統2組成2N供電系統，其主路和旁路電源分別接到兩路市電供電的兩個變壓器下；DC240V高壓直流和48V開關電源的兩個整流機架采用負載均分方式，其整流機架分別接到兩個變壓器，每個整流機架可承擔全部負荷。當市電1停電時，DC240與48V系統整流機架1承擔全部負荷，UPS系統2承擔全部負荷，T2與T3變壓器負載率90%，此時K2和K5母聯開關如果處于自動狀態，由于兩個母聯開關動作的不同步或者某個母聯開關無法合閘，例如K2先動作，則T2變壓器相當于帶載了T1、T2、T4的所有負載，從而引發過載。

圖1 供電系統示意圖

另外，如圖2，有3套低壓系統分別接到兩路市電，UPS系統1和UPS系統2為2N關系，UPS系統3和UPS系統4為2N關系。當市電1停電或閃斷時，由于末端設備的負載自動切換，T2變壓器將承擔起T1與T3變壓器下的所有自動切換負荷，極有可能造成T2變壓器過載。

圖2 供電系統示意圖

因此，設置末端電源設備雙路電源自動切換時必須嚴格根據供電系統結構合理配置，充分考慮停電狀態下對變壓器影響，在容量緊張時優先保障高等級電源系統自動切換保護，其他系統可設置為手動切換保護，同時應保障整個供電系統結構簡潔，路由清晰，避免過度保護造成的復雜結構引發誤操作，避免由小故障引起的范圍擴大，同時應合理規劃，統籌分配負荷，提高供電系統可靠性和利用率。

2.2 交流斷路器（空開）容量配置與整定參數設置隱患

斷路器參數設置不合理隱患數量約占總隱患數量的8%，該類隱患在低壓配電系統普遍存在，同時因整定參數問題引發的故障也是屢見不鮮，該類問題需要引起足夠重視。整定參數設置不合理隱患主要應關注以下方面：

（1）工程結束后沒有對各級配電開關進行整定值設定，各參數處于出廠狀態，其中In默認處于最小值，隨著設備擴容負荷增加沒有同步調整參數設置，存在跳閘隱患。特別是抽屜式開關整定參數從外面無法檢查，隱蔽性較高。需要在抽屜面板粘貼整定參數相關信息。

（2）整定值設置不合理造成與上級開關容量倒掛，存在越級跳閘隱患。

（3）熱磁脫扣與電子脫扣保護裝置上下級搭配使用，存在由于動作靈敏度差異引發越級跳閘隱患。

（4）長延時整定電流Ir、短延時整定電流Isd、短路瞬時電流Ii及對應動作時間整定值設置不合理，特別是上下級配合與協同保護不合理，失去選擇性保護功能，存在越級跳閘隱患，其中Isd、Ii設置較小，Isd ＞ Ii現象最為常見。

（5）長延時整定電流Ir與配電電纜載流量不匹配，設定值大幅超過電纜或母線載流量，存在安全隱患。

（6）UPS旁路輸入各級斷路器由于使用頻率低，其整定參數易疏忽，常處于不合理狀態，其各級配電開關短延時整定電流和短路瞬時電流應適度提高。

3 列頭柜典型隱患分析

3.1 末端交直流配電設備雙路由供電保護不足隱患

重要網絡設備一般采用雙路電源輸入，當其中一個電源模塊故障時另一個電源模塊可以承擔起供電任務。根據業務等級不同，兩路輸入電源可來自一套電源或兩套電源，但均要求全程雙路由供電。對于此類負荷，要求配電設備輸入端熔斷器或空氣開關負載率不超過45%，但是在評估過程中經常發現主備列頭柜的輸入保護裝置負載率大于50%，分析原因主要包括：

（1）現場維護作業項目缺失或未按要求落實檢查。

（2）兩個單路輸入列頭柜互為主備，但兩個列頭柜放置距離較遠，誤作為單路供電設備維護使用。

（3）列頭柜輸入開關容量大于上級直流屏開關容量，形成保護裝置容量倒掛，現場維護作業只關注列頭柜輸入端，造成上級直流屏側保護裝置超載。例如列頭柜輸入為兩個400A熔絲，上級直流屏輸出為兩個300A熔絲，當列頭柜側每路輸入160A時直流屏側熔絲已失去雙路保護功能。

（4）現場基礎資料不全，標簽不準確或缺失，線纜對應關系錯亂。

（5）加電流程及用電管控制度缺失，造成加電不規范，隨著負荷增長對應開關過載。例如，一套240V直流供電系統配置兩個整流機架，每個整流機架按規范各配置1個160A輸入空開，此兩個空開分別從兩個交流屏引入，隨著設備擴容這兩個交流屏用電設備不斷增加，從而忽略了后端雙路電源自動切換特性，當其中1號整流機架故障時，造成2號整流機架對應的交流屏輸入空開過載跳閘。

4 發電機組典型隱患分析

發電機組作為通信機樓重要后備電源，其可靠性直接影響供電安全，由于近年市電可用性保持較高水平，發電機組使用率普遍不高，維護部門對發電機組實際帶載和運行數據掌握不足，發電機組帶載成功率偏低，長時間帶載故障率偏高。根據安全評估情況，發電機組隱患主要體現在以下方面：

（1）發電機組配置容量與實際負荷不匹配，存在發電機組功率配置誤區，致使發電機組容量無法滿足實際負載要求。例如，某通信機樓實際配置1臺2000KVA變壓器，配置1臺1600KW發電機組。1600KW發電機組銘牌額定電流2886A，2000KVA變壓器銘牌額定電流2886A。按照銘牌電流比對1600KW發電機組能夠滿足要求，但是發電機組2886A電流是在功率因素0.8基礎上計算得出，實際應用中通信機樓自然功率因素普遍高于0.9，在變壓器負載率較高情況下，1600KW發電機組功率無法滿足實際帶載要求。

（2）發電機組帶容性負荷功率不足。通信機樓發電機組主要負載為UPS、開關電源、高壓直流、機房空調、服務器電源模塊直供等，其中UPS、開關電源、服務器電源模塊、高壓直流設備均為非線性負載，該類設備的整流濾波電路、輸入端的電容器件、諧波等因素均對發電機組帶載能力產生影響，特別是當UPS負載率較低時呈現明顯的容性特征，并且通信機樓配置的發電機組功率普遍偏小，帶載瞬間沖擊對發電機組穩定運行更為不利。對于以上問題可采取以下措施減少影響：

①新建工程選用瞬態響應能力好的發電機組，改善帶容性負載能力。

②新建工程發電機組功率配置應按功率因素0.9-1核算。

③提高UPS系統的負載率，盡量采用諧波較小的設備。

④發電機組帶載時并聯電容補償裝置應切除。

⑤當有多套低壓系統時，UPS等非線性負荷應與機房空調等感性負載搭配組合，優化功率因素，減少對發電機組影響。

⑥發電機組帶載應采用分步加載，多個ATS應設置不同延時，多套UPS和高壓直流應分套帶載，減少對發電機組沖擊，提高帶載成功率。

⑦高壓直流等系統應選用帶載軟啟動功能和沖擊啟動沖擊較小的品牌。

同時，發電機基礎維護與應急演練缺失也是引起各類問題的重要原因，主要表現在：

①周期性保養項目缺失，認為發電機使用頻率低僅需要定期空載試機即可。

②發電機組帶載測試長期缺失或帶載時間過短或帶載季節選擇不合理。發電機組每年至少帶載一次，帶載時間應大于50分鐘，應盡量選擇在室外環境30℃以上時進行帶載，摸底測試機組性能。

③發電機組外部和配套設施因素是造成故障多發的重要原因，主要包括進排風風量不足；日用油箱和柴油管路長期不維護；冷卻水箱表面長期不維護；排煙管路過長或不順暢；外置控制系統或接線松動等。

5 蓄電池典型隱患分析

蓄電池隱患占比13.6%，作為供電保障的最后環節，必須保證蓄電池的工作可靠，確保作業維護落實到位，應重點關注以下內容：

（1）整體容量不足。主要表現：總電壓在放電初期電壓反彈弱；放電過程中總電壓下降速度快；沒有特別明顯的落后電池，單體電池容量較一致；整組后備時間明顯少于理論時間；實際容量小于80%額定容量。此種情況5年以上蓄電池組較常見，可視為電池組性能劣化，并隨時間增長劣化嚴重，需加強關注及時更新。

（2）單體落后電池。落后電池在蓄電池整個生命周期都會發生，如果不及時更換有可能在放電時突然形成反極引發事故。整組電池中如果個別電池落后應進行單體更換，如果大批量出現落后應進行整組更換。

（3）超年限使用。其最大問題在于可靠性下降，內阻增加，正極板腐蝕嚴重，在大電流沖擊下易引發突然失效，核心局蓄電池在達到使用年限后應及時退出。

（4）表面物理變化。常見的隱患包括漏夜、腐蝕、鼓脹、開裂、變形、連接松動等，特別是漏夜可能造成短路，連接條松動可引起高溫，甚至引發火災，應定期巡檢及時處理。

以上隱患通過加強放電測試、溫升測試、螺栓緊固等作業項目，大部分可以被及時發現，消滅在萌芽狀態。

6 機房空調典型隱患分析

機房局部高溫是經常遇到的隱患，引發的主要原因包括以下幾種：

（1）送風或回風通道不順暢，致使送風量不足，熱量積聚。例如送風管路過長或者彎頭過多，造成風量損失過多；送風管路的管徑過??；設備擴容后未同步考慮空調改造；設備安裝在拐角等不合理位置。

（2）設備功率密度超出冷卻能力。每種送風方式都有其制冷量的最大限值，當設備散熱量超出供冷能力范圍時就會形成局部高溫，特別是當前高密機柜越來越多，而普通機房改造跟不上主設備更新或新建速度時，此類問題更是多發。

（3）主設備機架擺放不合理。主要體現在列間距過小，仍按照傳統交換或傳輸設備列間距擺放；更新設備后沒有同步調整列間距；未按照“面對面，背靠背”方式布置機架，使得熱風接力。

（4）空調老化或數量缺少引發制冷量不足。

（5）主設備進出風設計不合理。例如前進前出、前進側出等設備造成氣流組織混亂，散熱困難，制冷效率下降。

冷水機組在評估過程中應重點關注以下幾點：

（1）冷凍水管路需采用雙回管路或AB管路完全隔離供水方式。

（2）應配置與蓄電池后備時間匹配的儲冷裝置。

（3）冷凍水泵、末端空調、群控系統等應采用UPS供電。

7 異常溫升典型隱患分析

溫升過高和異常發熱隱患占比15.8%，需高度重視，應重點關注以下方面：

（1）開關、熔絲、斷路器等保護裝置異常發熱。主要包括滿載或接近滿載運行、接觸不良、產品質量等原因，需要加強用電管理與負荷管控，作業執行落到實處。

（2）接觸器、刀閘等控制裝置異常發熱。主要原因包括觸頭接觸不良；接觸器老化、灰塵過多造成異響和過熱；長期閑置造成氧化，接觸電阻增大等。例如，某核心機樓發電機組供電采用刀閘人工切換，安全評估檢查發電機組帶載時發現該轉換刀閘B相觸頭溫度高達90度，A、C相觸頭溫度正常。停機后檢查發現該刀閘B相觸頭壓緊裝置螺絲松動，并且因為長期不使用該觸頭氧化嚴重，如果該問題發生在中性線則可能引起嚴重故障。

（3）電纜異常發熱。主要原因包括電纜線徑選擇不合理，引發過載；電纜溝、孔洞等電纜集中堆積處，通風不暢、散熱困難，引發異常發熱；電纜與銅鼻子壓接質量不過關，造成連接處接觸電阻過大，引發異常發熱；電纜布放不規范，過度彎曲引起發熱。

（4）變壓器、電抗器、互感器等鐵芯發熱。諧波是造成變壓器和電抗器運行溫度升高的主要原因，部分電抗器運行溫度超過100℃。接觸不良和安裝不規范是造成互感器異常發熱、異常聲響的主要原因，特別是近年能耗檢測使用的互感器大量安裝，并且由于場地限制造成安裝不規范，引發殼體發熱燒毀、變形。評估時發現某核心機房配電室低壓配電柜上方互感器異常發熱，殼體變形，因此需要定期測試檢查，特別是隱蔽位置要檢查仔細。

（5）電容補償裝置發熱。電容補償柜內部元器件是溫升異常的高發位置，包括接觸器、電容器、熔斷器、連接端子、連接線等，電容器組工作電流高達數十至上百安培，電容器燒毀事故也屢見不鮮，評估過程也發現個別接觸器溫升較高，應定期巡檢，檢查元器件表面有無變色、燒蝕現象，定期更換補償電容器。

（6）渦流引起的異常發熱。在通電母排周圍由于渦流效應可引起機柜、背板、固定鐵件等異常溫升，需要特別引起重視，定期用熱成像儀掃描檢查，避免引發事故。評估過程發現某核心機樓低壓配電柜交流母排周圍多處固定螺栓溫度高達70～80℃，但大部分螺栓溫度正常，經檢查發現發熱的螺栓均為鐵質，而其他螺栓為不銹鋼質地，不銹鋼屬非導磁材料，所以不存在渦流效應。另外，在渦流引發的事故中，單相交流電纜穿鐵管布放引發過熱燒毀故障時有發生，需引起重視。

8 結束語

安全運營評估應充分保證參加人員數量和能力，保證儀器儀表準確高效，利用熱成像儀、電力分析儀、動環監控等先進儀表或手段，充分提高評估效率。深度評估應做到橫向到邊，縱向到底，對蓄電池容量、配電結構、冗余保護等重點評估項目應每臺設備逐一測試逐一檢查，保障能力全面起底，針對存在的隱患制定解決方案和保障預案，全面提升應急保障能力，確保通信網絡和業務運行安全。