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        基站設(shè)備斷電節(jié)能凝露現(xiàn)象的研究

        2021-05-17 08:00:44付吉祥張瑞艷張敏陶琳鄧偉
        電信科學(xué) 2021年4期
        關(guān)鍵詞:基站設(shè)備試紙露點(diǎn)

        付吉祥,張瑞艷,張敏,陶琳,鄧偉

        (中國移動通信有限公司研究院,北京 100053)

        1 引言

        一直以來,通信設(shè)備的電費(fèi)支出都是運(yùn)營商成本重要的一部分,如何節(jié)能省電降成本自然成為運(yùn)營商的重要課題[1]。隨著5G 基站的快速建設(shè),其功耗較4G 設(shè)備大幅提升的缺點(diǎn)日益嚴(yán)峻,特別是在用戶較少的初期階段,更是一個(gè)顯著痛點(diǎn)。

        當(dāng)前,對基站設(shè)備進(jìn)行節(jié)能的方法主要是一步步關(guān)斷設(shè)備中的子器件、子功能,甚至完全下電。然而直接斷電固然可以大幅降低設(shè)備功耗,達(dá)到終極形態(tài)的節(jié)能效果,但由此可能帶來的凝露問題卻不容忽視。

        凝露是一種自然界中廣泛存在的自然現(xiàn)象,空氣中的水汽會凝結(jié)在溫度低于露點(diǎn)溫度的物體表面,形成微觀水膜甚至宏觀上的水滴。凝露所造成的危害被廣泛發(fā)現(xiàn)于各類戶外設(shè)備中,學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界均對其進(jìn)行了大量的研究。羅宣國等[2-5]分析了電動汽車和小型戶外電子設(shè)備凝露產(chǎn)生的原理和危害;韋生文等[6-8]使用人工肺研究了雷達(dá)及電子設(shè)備的呼吸凝露,發(fā)現(xiàn)密封腔體的呼吸作用會使設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生凝露,并解釋了凝露對電子產(chǎn)品的危害;Ou-Qing 等[9]分析了電信設(shè)備機(jī)柜內(nèi)部產(chǎn)生凝露的一種典型場景以及凝露對設(shè)備產(chǎn)生的危害;Zhang 等[10-12]分析了建筑內(nèi)部的濕度變化規(guī)律以及高濕度空氣甚至建筑表面凝露對建筑物帶來的危害。

        本文基于基站通信設(shè)備領(lǐng)域,對其凝露場景進(jìn)行了分析,針對性地設(shè)計(jì)了等效凝露實(shí)驗(yàn),從實(shí)踐角度探究了基站設(shè)備完全下電的凝露風(fēng)險(xiǎn),并進(jìn)一步分析基站設(shè)備部分關(guān)斷時(shí)的節(jié)能邊界,給出了極限的節(jié)能功耗。

        2 凝露的基本概念

        凝露是一種普遍的自然現(xiàn)象,如清晨草葉上的露珠、冬天玻璃上形成的水霧等。凝露是溫度變化導(dǎo)致的水分析出現(xiàn)象,當(dāng)物體表面溫度低于空氣露點(diǎn)溫度時(shí),就會在物體表面形成凝露。凝露的水來自于空氣,人們所接觸的空氣中都是含有水蒸氣的,空氣在不同溫度下能含有的最大水汽質(zhì)量E(g/m3)可以通過飽和濕度表查找,見表1。

        表1 空氣在不同溫度下的飽和濕度

        從表1 可以看到,溫度越高,單位體積空氣中最大所能蘊(yùn)含的水量越大,如25℃時(shí),單位體積(m3)空氣可含有23 g 水汽。當(dāng)水汽質(zhì)量達(dá)到表1 中的值時(shí),該溫度下的空氣濕度已經(jīng)飽和,即相對濕度RH=100%。相對濕度的計(jì)算方式為RH=e/E×100%,其中e為實(shí)際的水汽質(zhì)量(g/m3),E為表1 中該溫度條件下的飽和水汽質(zhì)量(g/m3)。

        由于溫度變化,當(dāng)物體表面溫度低于空氣露點(diǎn)溫度時(shí),就會在物體表面形成凝露。不同相對濕度的空氣要求的露點(diǎn)溫度不同,相對濕度RH越高,露點(diǎn)溫度與環(huán)境溫度的差值越小。即當(dāng)相對濕度較高時(shí),物體表面溫度比環(huán)境溫度稍低一些就會產(chǎn)生凝露。不同溫度濕度情況下的露點(diǎn)溫度如圖1 所示,環(huán)境溫度為25 ℃時(shí),相對濕度為90%、80%、60%、40%時(shí),物體表面溫度分別為24 ℃、21 ℃、16 ℃、10 ℃即會產(chǎn)生凝露。

        圖1 不同溫度、濕度情況下的露點(diǎn)溫度

        3 基站設(shè)備凝露實(shí)驗(yàn)

        通過上述理論分析,當(dāng)基站設(shè)備內(nèi)PCB 表面溫度低于設(shè)備內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度時(shí),就會在設(shè)備PCB 及器件上形成凝露?;驹O(shè)備斷電時(shí),不再保持發(fā)熱的狀態(tài),外部高濕空氣進(jìn)入設(shè)備內(nèi),再經(jīng)過溫度變化,導(dǎo)致設(shè)備PCB 溫度低于空氣中露點(diǎn)溫度,形成凝露。本節(jié)通過理論假定分析和實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方式驗(yàn)證下電設(shè)備會存在凝露。

        3.1 理論分析

        通過對現(xiàn)網(wǎng)基站設(shè)備應(yīng)用條件的分析,下電的室外基站設(shè)備主要在清晨日出和暴雨兩個(gè)場景下較易產(chǎn)生凝露。下電的基站在這兩種場景下產(chǎn)生凝露的過程不盡相同,凝露機(jī)理一致。理論示意過程忽略溫濕度動態(tài)變化,以最終穩(wěn)定方式計(jì)算凝露量。下電基站設(shè)備在清晨日出后凝露的產(chǎn)生過程如圖2 所示。

        圖2 清晨日出前后凝露的產(chǎn)生過程

        清晨日出前基站處于下電狀態(tài):夜間空氣中相對濕度較高,相對濕度達(dá)到100%,由于基站設(shè)備呼吸作用[5],基站內(nèi)部的空氣溫度與相對濕度逐漸與外界環(huán)境相同。清晨溫度隨著太陽即將升起,溫度逐漸升高,基于熱力學(xué)基本定律:熱量Q=C×m×ΔT,C為比熱容,m為質(zhì)量,ΔT為溫升。由于基站內(nèi)部PCB 表面為銅等金屬材料,假定金屬材料的質(zhì)量是腔體空氣的1 000 倍,空氣比熱容為1.005 J/(kg.℃),銅的比熱容為0.39 J/(kg.℃),導(dǎo)致PCB、器件等溫度上升遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于空氣溫度。此時(shí),在溫度相對較低的PCB、器件等表面產(chǎn)生了凝露。圖2 中,通過理論計(jì)算清晨日出導(dǎo)致的凝露量理論值為7.3 g/m3。

        下電基站設(shè)備夏日暴雨后凝露的產(chǎn)生過程如圖3 所示。

        圖3 夏日暴雨前后凝露的產(chǎn)生過程

        炎熱潮濕的夏日暴雨前基站設(shè)備下電狀態(tài):空氣溫度達(dá)到35 ℃,相對濕度達(dá)到95%。由于基站設(shè)備具有呼吸作用[5],基站內(nèi)部的空氣溫度與相對濕度逐漸與外界環(huán)境相同?;驹O(shè)備內(nèi)部空氣中絕對含水量達(dá)到39.6 g/m3,降雨使基站設(shè)備溫度和腔體空氣溫度快速降低,導(dǎo)致空氣中允許的水汽含量變低,多余的水分凝結(jié),產(chǎn)生凝露。通過理論計(jì)算夏日暴雨導(dǎo)致的凝露量理論值為22.3 g/m3。

        3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        為快速驗(yàn)證下電和節(jié)能態(tài)的基站設(shè)備是否有凝露的產(chǎn)生,基于第3.1 節(jié)的理論分析,采用下雨的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬驗(yàn)證。

        3.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求及實(shí)驗(yàn)條件

        為了模擬真實(shí)自然條件下的降雨,實(shí)現(xiàn)在降雨過程中的等晗條件,通過算法控制,設(shè)計(jì)一款新型的高溫淋雨設(shè)備,實(shí)現(xiàn)模擬不同雨量、溫度和濕度的三綜合實(shí)驗(yàn)箱。為保證實(shí)驗(yàn)條件的有效性,降雨參考全國累積降水量實(shí)況分布圖,選擇的降雨等級為6 個(gè)等級中的第4 個(gè)等級:暴雨。該等級的降雨量在全國大多數(shù)?。▍^(qū)市)均存在,具有一定的典型意義。

        5G 基站設(shè)備AAU 和RRU 兩種形態(tài)在三綜合實(shí)驗(yàn)箱中模擬暴雨凝露驗(yàn)證,每種形態(tài)的基站選取兩臺樣本,一臺間隔斷電,一臺節(jié)能不下電,兩臺設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。被測設(shè)備實(shí)驗(yàn)前照片如圖4 所示。

        圖4 被測設(shè)備實(shí)驗(yàn)前照片

        實(shí)驗(yàn)步驟如圖5 所示,驗(yàn)證條件如下:

        步驟1實(shí)驗(yàn)前對所有設(shè)備PCB 及器件上進(jìn)行濕度檢測試紙和凝露檢測試紙布點(diǎn);

        步驟2布點(diǎn)完成后產(chǎn)品正常進(jìn)行組裝,保證設(shè)備組裝與商用發(fā)貨產(chǎn)品一致;

        步驟3設(shè)備抱桿安裝置于實(shí)驗(yàn)箱內(nèi),被測模塊電源線,光纖連接按照現(xiàn)網(wǎng)安裝方法安裝;

        步驟4確保上電模塊硬件功能正常;

        步驟5溫箱初始態(tài)保持25℃,50% RH,穩(wěn)定20 min;溫度按照1℃/min 升溫到55 ℃后,濕度在30 min 內(nèi)升至95% RH,并保持60 h;2 號設(shè)備上電保持3 h,下電1 h 后淋雨0.5 h,降雨量為2 L/min,淋雨完成后保持下電狀態(tài)0.5 h,再上電;

        圖5 實(shí)驗(yàn)步驟

        步驟6重復(fù)步驟5 進(jìn)行淋雨下電操作,淋雨循環(huán)要求≥15 次;

        步驟71 號設(shè)備全過程正常工作;

        步驟8淋雨結(jié)束先降濕至50% RH 以下(降濕過程中打開干風(fēng)吹掃系統(tǒng)),并保持5 h 左右,再降溫至25 ℃,保持2 h 開箱。

        3.2.2 實(shí)驗(yàn)判定依據(jù)及要求

        設(shè)備在實(shí)驗(yàn)過程中完全模擬現(xiàn)網(wǎng)的工作狀態(tài),過程中不進(jìn)行設(shè)備的拆裝,通過“濕度”檢測試紙和“凝露”檢測試紙的顏色作為判定的依據(jù)。其中,“濕度”檢測試紙可以檢測環(huán)境的相對濕度,“凝露”檢測試紙可以檢測是否有液態(tài)水形成。兩種試紙配合使用可以給出直接的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。“濕度”檢測試紙和“凝露”檢測試紙的說明見表2。

        3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

        將測試的AAU 和RRU 兩類共4 件樣品從溫箱中取出進(jìn)行開蓋檢測,觀察濕度檢測試紙和凝露檢測試紙的顏色變化情況。

        (1)AAU 產(chǎn)品不下電模塊實(shí)驗(yàn)前后試紙的顏色變化情況如圖6 所示。

        該不下電AAU 模塊中濕度檢測試紙50%變藍(lán),凝露檢測試紙無變色。說明該樣品部分區(qū)域相對濕度達(dá)到RH85%以上,但PCB 板卡無凝露出現(xiàn)。

        圖6 不下電AAU 模塊實(shí)驗(yàn)前后試紙顏色變化情況

        (2)AAU 產(chǎn)品間隔斷電模塊實(shí)驗(yàn)前后試紙的顏色變化情況如圖7 所示。

        圖7 間隔斷電AAU 模塊實(shí)驗(yàn)前后試紙顏色變化情況

        表2 濕度檢測試紙和凝露檢測試紙的說明

        該間隔斷電AAU 模塊中濕度檢測試紙100%變藍(lán),凝露檢測試紙10%變色,說明該樣品相對濕度達(dá)到RH85%以上,且PCB 板卡部分區(qū)域有凝露形成。

        (3)RRU 產(chǎn)品不下電模塊實(shí)驗(yàn)前后試紙的顏色變化情況如圖8 所示。

        該不下電RRU 模塊中濕度檢測試紙28%變藍(lán),凝露檢測試紙無變色。說明該樣品部分區(qū)域相對濕度達(dá)到RH85%以上,但PCB 板卡無凝露出現(xiàn)。

        (4)RRU 產(chǎn)品下電模塊實(shí)驗(yàn)前后試紙的顏色變化情況如圖9 所示。

        圖8 不下電RRU 模塊實(shí)驗(yàn)前后試紙顏色變化情況

        圖9 間隔斷電RRU 模塊實(shí)驗(yàn)前后試紙顏色變化情況

        該間隔斷電RRU 模塊中濕度檢測試紙100%變藍(lán),凝露檢測試紙4.1%變色,說明該樣品相對濕度達(dá)到RH85%以上,且PCB 板卡部分區(qū)域有凝露形成。

        該實(shí)驗(yàn)?zāi)M了夏日暴雨前后環(huán)境下,基站設(shè)備間隔斷電時(shí)凝露的形成情況。通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),無論是AAU 產(chǎn)品形態(tài)還是RRU 產(chǎn)品形態(tài)、設(shè)備是否斷電,濕度檢測試紙均有大量變色,這是由于基站設(shè)備IP65 防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備內(nèi)外部空氣是可以自由流通的,外部環(huán)境的高濕空氣可以自由地進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部,同時(shí)設(shè)備工作時(shí)也可以通過空氣的流通進(jìn)行散熱。

        通過對比實(shí)驗(yàn),由于物理形態(tài)及功耗等方面的差別,AAU 產(chǎn)品與RRU 產(chǎn)品凝露的位置及程度有所不同,但無論是AAU 產(chǎn)品形態(tài)還是RRU產(chǎn)品形態(tài),在該環(huán)境下如果設(shè)備剛好處于斷電狀態(tài),內(nèi)部PCB 板上均出現(xiàn)凝露。而設(shè)備一直上電保持工作狀態(tài)時(shí)則沒有出現(xiàn)凝露。該現(xiàn)象的主要原因是設(shè)備下電冷卻后,PCB 板溫度和外面環(huán)境溫度相近,而設(shè)備內(nèi)空氣的相對濕度很大,此時(shí)降雨使得設(shè)備溫度驟降,達(dá)到凝露形成條件,在設(shè)備內(nèi)部的PCB 板、天線板上都有凝露產(chǎn)生。設(shè)備在一直上電時(shí),有一定的功耗,在PCB 及器件上產(chǎn)生熱量,溫度高于露點(diǎn)溫度,破壞了凝露的形成條件,因此沒有產(chǎn)生凝露。

        4 避免凝露的基站設(shè)備節(jié)能的極限條件分析

        綜上可見,基站設(shè)備現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用過程中進(jìn)行間隔斷電時(shí)具有凝露的風(fēng)險(xiǎn)。需采用有效措施進(jìn)行規(guī)避,增加基站設(shè)備防護(hù)等級可以減緩?fù)獠砍睗窨諝獾倪M(jìn)入,但也同時(shí)阻礙了設(shè)備自身的散熱,由此帶來成本的增加及過溫的問題。在PCB 板卡表面涂覆聚氨酯材料可以在發(fā)生凝露時(shí)保護(hù)關(guān)鍵器件不發(fā)生損壞,但由此也帶來散熱及屏蔽蓋與單板接地的問題。

        通過上文分析可見,保持一定的功耗可以使得基站設(shè)備內(nèi)部維持一定的溫度,從而避免凝露的產(chǎn)生。通過式(1)[11]可以根據(jù)模塊內(nèi)部空氣溫度及相對濕度計(jì)算得到當(dāng)前狀態(tài)下的露點(diǎn)溫度?;驹O(shè)備節(jié)能時(shí)只要保持基站內(nèi)部PCB 及器件溫度在露點(diǎn)溫度T2以上便可以破壞凝露的產(chǎn)生條件,避免凝露的形成。此時(shí)設(shè)備維持住該溫度所需要的功耗便是節(jié)能的極限,當(dāng)繼續(xù)降低功耗時(shí)便有形成凝露損傷設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。其中,T為空氣溫度,RH 為相對濕度,T2為露點(diǎn)溫度。

        通過凝露計(jì)算式的分析理論,借用第3.2.1 節(jié)實(shí)驗(yàn)條件驗(yàn)證當(dāng)前主流的5G 設(shè)備節(jié)能態(tài)下不產(chǎn)生凝露的邊界功耗值。應(yīng)用5G AAU 設(shè)備,設(shè)備開啟深度休眠功能,此時(shí)設(shè)備功耗為140 W。設(shè)備內(nèi)部增加濕度傳感器和板溫傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊內(nèi)部空氣濕度、模塊內(nèi)部空氣溫度、PCB 溫度,并實(shí)時(shí)計(jì)算露點(diǎn)溫度。在該功耗水平下,PCB板溫度傳感器溫度有10 min 低于露點(diǎn)溫度,通過分析此時(shí)有凝露形成的風(fēng)險(xiǎn),實(shí)驗(yàn)結(jié)束檢視凝露試紙,發(fā)現(xiàn)試紙檢測到凝露產(chǎn)生,證實(shí)140 W 功耗下PCB 上有凝露產(chǎn)生。140 W 功耗時(shí)模塊內(nèi)部溫度、濕度及露點(diǎn)變化曲線如圖10 所示。

        通過熱仿真計(jì)算不同功耗下模塊PCB 溫升,通過板溫升高,破壞凝露產(chǎn)生的過程,實(shí)驗(yàn)選取節(jié)能下功耗為170 W,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,模塊PCB板溫度始終高于露點(diǎn)溫度,防止凝露產(chǎn)生。通過圖11 可見在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,板溫度始終高于露點(diǎn)溫度,模塊內(nèi)部沒有凝露的產(chǎn)生。

        基站設(shè)備應(yīng)用時(shí)模塊內(nèi)部PCB 及器件的溫度受功耗、外界氣象條件、使用環(huán)境等多種因素的影響,為避免凝露帶來危害,節(jié)能狀態(tài)下需要考慮產(chǎn)品的可靠性應(yīng)用。

        5 結(jié)束語

        本文基于基站通信設(shè)備領(lǐng)域,針對基站節(jié)能下凝露風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行深入分析,研究凝露在基站設(shè)備中產(chǎn)生的機(jī)理,借助三綜合設(shè)備模擬現(xiàn)實(shí)生活中暴雨后設(shè)備凝露風(fēng)險(xiǎn),佐證了基站設(shè)備間隔斷電下凝露的必然發(fā)生。同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到設(shè)備節(jié)能態(tài)下避免凝露的最低功耗邊界值,使設(shè)備內(nèi)PCB 及器件溫度高于露點(diǎn)溫度,進(jìn)而保障設(shè)備在節(jié)能下無凝露帶來的設(shè)備損壞。

        圖10 140 W 功耗時(shí)模塊內(nèi)部溫度、濕度及露點(diǎn)變化曲線

        圖11 170 W 功耗時(shí)模塊內(nèi)部溫度、濕度及露點(diǎn)變化曲線

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