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5G通讯基站消防现状及发展趋势

近年来受物联网业务高速增长影响,基站数量需求激增,据统计截止2019年上半年,国内移动通信基站总数已达到732万个,其中4G基站总数为445万个。2019年6月,工信部首次发放5G 商用牌照,标志着我国5G正式进入商用推广阶段。在全国各地5G新建或改建基站项目如火如荼进行时,通过通讯基站内机房、机柜、蓄电池、防雷箱、交流配电箱等实际着火案例分析,结合通讯基站消防现状调研及消防新技术研究,提出5G通讯基站消防系统实施策略。

1、引言

基站是移动通信中组成蜂窝小区的基本单元,完成移动通信网和移动通信用户之间的通信和管理功能。根据工信部统计数据显示,2018年,全国净增移动通信基站29万个,总数达648万个。其中4G基站净增43.9万个,总数达到372万个;2019年上半年,受物联网业务高速增长、基站需求增大,移动通信基站总数达732万个,其中4G基站总数为445万个,占60.8%。 2019年6月,工信部首次发放5G 商用牌照,标志着我国5G正式进入商用推广阶段,中国 5G 基站将迎来建设高峰。中国铁塔表示,中国铁塔目前已经接到运营商关于5G基站的建设需求10万个,今年建设主要是通过现有的铁塔改造来实现。此外各大通讯运营商也在紧锣密鼓的进行基站投资建设:

中国移动2019年1499亿元的资本开支预算,只有少量的5G试验网投资,5G基站初步预期建设3-5万个。此外,2019年6月,中国移动在上海发布“5G+计划”,5G商用元年,中国移动将在全国范围内建设超过5万个5G基站,在超过50个城市实现5G商用服务;2020年,将在所有地级以上城市提供5G商用服务。

2019年3月,中国电信表示2019年将投入90亿元用于5G建设;2019年5月17日,中国电信对外宣布,计划在上海建设近2万个5G基站。2019年7月,中国电信发布5G规模组网建设及应用示范工程(无线主设备部分)单一来源采购公示。公示显示,该项目采购内容为北京、河北、广东、上海、重庆、浙江、江苏、湖北、四川、甘肃、福建、海南等12省的3.5G频段5G无线网主设备及相关配套设备,采用租赁方式采购。中国电信5G建设正逐步占领各个省市。

2019年7月,中国联通透露,2019年计划在7个特大城市、33个大城市提供5G网络覆盖,并将重点覆盖多个垂直行业。同时中国联通发布了《5G基站设备技术白皮书》,明确了5G网络长期演进目标和5G基站设备路标规划。

在2020年3月24日发布的《工业和信息化部关于推动5G加快发展的通知》中指出:“为深入贯彻实习近平总书记关于推动5G网络加快发展的重要讲话精神,全力推进5G网络建设、应用推广、技术发展和安全保障,充分发挥5G新型基础设施的规模效应和带动作用,支撑经济高质量发展。现就有关事项通知如下:(一)加快5G网络建设进度。基础电信企业要进一步优化设备采购、查勘设计、工程建设等工作流程,抢抓工期,最大程度消除新冠肺炎疫情影响。支持基础电信企业以5G独立组网(SA)为目标,控制非独立组网(NSA)建设规模,加快推进主要城市的网络建设,并向有条件的重点县镇逐步延伸覆盖。(二)加大基站站址资源支持。鼓励地方政府将5G网络建设所需站址等配套设施纳入各级国土空间规划,并在控制性详细规划中严格落实;在新建、改扩建公共交通、公共场所、园区、建筑物等工程时,统筹考虑5G站址部署需求;加快开放共享电力、交通、公安、市政、教育、医疗等公共设施和社会站址资源。对于支持力度大的地区,基础电信企业要加大投资,优先开展5G建设”。

在国家政策的全面扶持下,2020年5G将全面进入人们生活当中,随着经济的不断发展,人民群众的生活条件不断进步,5G通讯基站已遍布在全国各大城市的每个角落乃至乡镇主要干道,为人民群众的生活带来极大的便利。也因此出现因基站消防设施未受到重视,以及各种阻碍5G大规模的推广、沿用的发展,尤其目前5G通讯基站单站功耗是4G通讯基站的3-4倍,故因电气引起的火灾事故必将更加频繁。

2、火灾案例

(1)2014年5月4日下午,位于广元剑阁县西成高铁石梯子隧道附近移动基站起火。基站内的设备基本烧坏,造成严重经济损失,及周边通讯信号中断等各种负面问题;经业内人士调查,起火原因为线缆老化造成线路短路造成。

(2)2019年11月30日下午,深圳龙岗大道爱联立交附近一个移动基站发生火情,基站内的设备全部烧坏,基本无法正常工作,事故造成涉事基站周边的手机及物联网断网,同时基站火灾造成变电站发生线路故障,周边企业断电,影响正常生产秩序,连带经济损失严重,社会影响极大。经调查,起火原因初步判断为蓄电池故障引起的火灾。

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(3)2020年1月2日上午,重庆市南岸区永宁路附近一个移动基站起火。基站内的大部分设备烧坏,基本无法正常工作。事故造成涉事基站周边的手机及物联网断网,社会影响极大。经调查,起火原因为蓄电池引起的火灾。

(4)2020年3月9日,柳州市龙屯路捷瑞驾校旁通信基站烧毁。基站内的设备全部烧坏。由于该基站为汇集基站,事故造成周边基站手机及物联网断网,间接经济损失严重,社会影响极大。经调查,起火原因初步判断为交流配电箱故障引起的火灾。

3、通讯基站火灾隐患

通过大量实际火灾案例分析,基站着火风险源主要如下:

(1)线缆老化。一般线缆的使用年限在15年-20年,电线主要靠外面一层包皮绝缘,时间一长,受到使用环境的腐蚀,绝缘性能逐渐降低,慢慢老化变硬,发脆或脱落,绝缘作用严重降低。如果两根电线碰在一起或火线碰到与地线,就会发生跑电现象,使局部电线的温度升高,产生火花,造成火灾;

(2)空调火灾。现今移动通讯基站里面的设备主要是BBU等精密电子产品,这些精密电子设备对工作环境要求较高,需常年保持温度恒定(温度波动控制在24±1~2oC之内),湿度恒定(相对湿度波动控制在50%±5%RH之内),如无法保持机房温度湿度恒定-会造成电子元气件的寿命大大降低。而空调一年四季全天24小时不间断运行,线路寿命缩减,非常容易发生火灾;

(3)防雷柜内防雷器老化或因质量不合格,雷击时防雷器漏流造成防雷器发热,因散热不畅过热起火造成的火灾;

(4)通讯基站交流变电箱空气开关老化、过载或因质量不过关引起的局部火灾,蔓延至机房内其他设备造成的火灾。

(5)UPS锂电池起火(常见火灾)。传统4G基站单站功耗780-930W,而5G基站单站功耗2700W左右。传统的铅酸电池由于能量密度比低,逐步被磷酸铁锂电池取代。但是近年来,磷酸铁锂火灾事故不断,磷酸铁锂电池电解液渗漏、SEI膜老化短路等问题极易引发火灾;该问题也是目前机房着火主要原因。

磷酸铁锂电池的正极主要由LiFePO2(磷酸铁锂)材料构成;负极主要包括石墨、中间相碳微球(MCMB)等材料;电解质是将锂盐溶于有机溶剂中形成的溶液,普遍选用的溶剂为PC(丙烯碳酸酯C4H6O3)、EC(乙烯碳酸酯C3H4O3)、DEC(二乙基碳酸酯C5H10O3)、DMC(二甲基碳酸酯C3H6O3)等;电解质盐主要有LiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiClO4等。当对锂离子电池进行充电式,电池正极上会分解出大量的锂离子,锂离子脱离正极后经电解液运动到电池负极。由于锂离子电池负极是由石墨、碳棒等碳元素物质组成,其内部含有大量的孔状结构且吸附力较强,运动到负极的锂离子就会吸附于这些孔状结构,吸附的锂离子越多,电池充电容量也就越大。反之则是锂离子放电过程。锂离子始终在正极于负极两者之间反复运动以实现锂离子电池的充放电。锂离子电池的化学式可表示为:

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电池内部的反应是造成锂电池发生燃烧的主要原因。锂电池正极及电解液均由活性物质组成,即使在正常使用的情况下,这些活性物质的反应液会放出一定的热量,而这些热量又会加快电池内部反应的进行,如此循环往复,当热量积累到一定程度时,就会造成电池温度超出安全范围,为锂电池的燃烧提供了有利条件。

此外,锂电池负极材料在其首次充放电过程中会与电解液发生反应,生成一种覆盖在电池负极表面的保护膜(SEI),其作用是阻止电解液和碳负极间的相互作用。但随着温度的升高,SEI膜会发生分解反应,并放出大量热量。SEI膜由稳定层(Li2CO3、LiF等)和亚稳定层{(CH2OCO2Li)2等}组成,亚稳定层会在高温环境中发生反应,并转变为稳定层。持续温升过程中SEI发生分解,将无法保护电池的负极,电池内部的溶剂会与金属锂或嵌入锂发生反应生成一氧化碳、氢气、乙烷、乙烯、丁烷等可燃气体。当热量累积到某一临界值时,便可能导致燃烧和爆炸。锂电池随温度变化如下图所示:

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4、国内对通讯机房消防设施建设要求

按照我国《电子信息系统机房设计规范》(GB 50174-2008),电子信息系统机房可根据使用性质、管理要求及由于场地设备故障导致电子信息系统运行中断在经济和社会上造成的损失或影响程度,分为A、B、C三级。

(1)A级机房

符合下列情况之一 的电子信息系统机房应为 A 级:

电子信息系统运行中断将造成重大的经济损失;

电子信息系统运行中断将造成公共场所秩序严重混乱。

(2)B级机房

符合下列情况之一的电子信息系统机房应为 B 级:

电子信息系统运行中断将造成较大的经济损失;

电子信息系统运行中断将造成公共场所秩序混乱。

(3)C级机房

不属于A级或B级的电子信息系统机房应为c级。

机房的等级不一样,重要性也不一样。但是,不管是几百平米的通讯机房还是几立方米的户外机柜,无论机柜的数量多与少,按照现行国家标准《建筑设计防火规范》GB 50016、《高层民用建筑设计防火规范》GB 50045和《气体灭火系统设计规范》GB 50370设置相应自动灭火系统。根据《电子信息系统机房设计规范》(GB 50174-2008)中13.1.2要求,A 级电子信息系统机房的主机房应设置洁净气体灭火系统。B 级电子信息系统机房的主机房,以及 A 级和 B 级机房中的变配电、不间断电源系统和电池室,宜设置洁净气体灭火系统,也可设置高压细水雾灭火系统。

5、国内通讯基站消防设施实际情况

虽然国家标准规范对基站的消防设施进行了要求,但实际情况是主流机房、机柜基本未安装自动灭火装置,仅仅在机房动力设备及机房环境集中监控模块上外接感烟探测器用来探测火情,发现火情后需维保人员赶赴现场用二氧化碳灭火器进行灭火。由于通讯基站一般在高层建筑的顶端或山顶上,且在长期无人值守的情况下持续运行,一旦发生火灾维保人员很难及时赶到现场,而机房内BBU等模块市值几十万、上百万,因消防设备未配备自动灭火系统很容易造成巨大经济损失。

在极少数安装有消防系统的基站,未按照《电子信息系统机房设计规范》(GB 50174-2008)要求选择气体灭火系统,存在非气体灭火系统误喷放后对基站内精密仪器造成严重的二次损坏;或选择的气体灭火设备无法做到免维护,如气体灭火设备无法得到有效的维护保养,发生火灾时气体灭火系统无法正常启动。

下面就几种灭火设备用在基站中存在的问题进行剖析:

5.1柜式七氟丙烷

在机房中安装柜式七氟丙烷灭火装置存在以下问题:

(1)七氟丙烷药剂灭火能力低(约670g/m),系统自身药剂量及药剂瓶组较重,在设计该灭火系统应充分考虑防护区承重要求。但是大部分落地机房为民用普通建筑,楼板承重无法满足要求,强行安装七氟丙烷灭火系统存在楼板坍塌风险。

(2)七氟丙烷灭火系统药剂钢瓶为压力容器,需每年应对钢瓶进行探伤等全面检查和维护,由于基站一般在高层建筑的顶端或山顶上,要将灭火装置罐体运至有资质的检测单位,成本极高。如代维未对七氟丙烷灭火系统进行有效的维护保养及检测,存在发生火情时装置因气瓶泄漏、欠压等其他因素无法正常启动。

(3)七氟丙烷灭火系统基本都具有不导电、腐蚀性小、无污渍、灭火后不留痕迹的特点,对大多数保护对象,包括电器设备、仪器仪表、图书档案等都是安全的。但是由于七氟丙烷受热分解出的HF酸性物质、高压气流的冲击和液化气体挥发引起的“结露”、“冷激”、“冷淬”现象,对保护对象的金属表面、电路板、芯片等会产生不同程度的损害,在保护精密设备和珍贵财物时应特别关注。

(4)在2016年10月10日至14日《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》第28次缔约方会议在卢旺达基加利召开并重新修订了协议书。该协议书规定:发达国家将从2019年开始停止生产及消费HFCs类气体(含HFC-227ea七氟丙烷);发展中国家(含中国)将在2024年停止生产及消费HFCs类气体(含HFC-227ea七氟丙烷),并逐年降低市场保有量。七氟丙烷退市后,后续灭火装置维保药剂充装将成问题。

5.2超细干粉灭火装置

在某些省市机柜内,部分安装了脉冲式干粉灭火装置,由于柜内空间较小,一般只有1-3m,常规气体灭火系统无法安装进去,虽然脉冲式干粉灭火装置体积小巧,可以内置于机柜内,但是脉冲式干粉灭火装置用于机柜存在以下问题:

(1)超细干粉灭火剂主要成分为磷酸二氢铵,喷放后极易吸潮板结,板结后的药剂很难清理。同时吸潮后的药剂对设备电路板等存在严重的腐蚀,对通讯机柜内精密仪器极易造成二次损坏。

(2)脉冲式干粉灭火装置采用的是烟火药剂瞬间产生冲击力将干粉打散喷出,因伴有很大的爆炸声音和冲击波,一旦发生火灾,会对周边造成释压冲击,会导致被保护物损坏甚至造成二次灾害发生。

(3)在通讯机柜内,设备遮挡较多,而干粉灭火药剂微粒较大,无法绕开障碍物灭火,因此灭火失败率极高。

6、各种灭火系统对比

既然七氟丙烷、干粉都不适和用在通讯基站场所,那通讯基站应该选择什么样的灭火药剂及灭火装置进行有效保护?专家认为,在通讯基站场景下筛选灭火剂时,主要考虑以下几种因素:灭火机理、药剂导电性、药剂腐蚀性、环境影响、灭火装置体积及重量、安全性、使用维修成本与装置造价。

目前主流的自动灭火装置主要有:水基灭火装置、干粉灭火装置、气体灭火装置、泡沫灭火装置等。下表对目前常见的灭火剂进行比选,不同灭火剂的特性如下:

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7、通讯基站系统解决方案

通过上章节各灭火药剂、系统的性能参数比对,对其中通讯电子设备的二次损坏作为基站灭火系统选型的关键性条款,具有一票否决权。因此水系统、泡沫、干粉灭火系统不能应用于通讯基站此类精密仪器场所。对于二氧化碳、七氟丙烷灭火系统,因其灭火效能低,所需药剂量大,因此系统体积大、重量重,对防护区的楼板承重等要求高;同时上述两种气体灭火系统在药剂钢瓶内中压充装,系统属于压力容器,按压力容器规程需定期对其进行维保检测,维护成本高、安全性低,发生火灾后自动启动灭火系统后,容易产生冲击波,故不太适合通讯基站无人值守特性。因此专家认为气溶胶、全氟己酮以其具有的对电子设备无二次损坏、无压贮存、易安装、灭火高效、体积小、重量轻、免维护等特点尤其适合用于通讯基站场所。针对两种灭火系统的特性,根据通讯基站的分类等级,有以下三种方案选择:

7.1隐患部位重点保护方案

城区外公路旁的机房,对机柜、蓄电池(磷酸铁锂)、防雷柜、交流配电箱易着火部位内置S型气溶胶灭火装置进行针对性保护,系统采用170℃热敏线或感温电缆探测,装置反馈信号与保护场所内动环系统相连。

优点:成本低、安装不占空间、灭火效率高、安装简单、免维护。

缺点:装置喷放后有少量降尘,装置喷放后二次清扫方便;装置探测方式单一,无法实现手动启动;点对点保护,如初期火失控,无法保护防护区内其他设备。

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7.2机房全方面保护

城区非政府办公区域旁机房,将机房、户外机柜当成独立防护区,选用全氟己酮灭火装置进行保护,采用感烟、感温探测器复合探测,装置反馈信号与保护场所内动环系统相连。

优点:成本适中、探测方式可靠;装置可实现被动+手动启动。

G通讯基站消防现状及发展趋势"缺点:对于蓄电池、机柜等相对密封场所火灾,探测系统响应时间慢,只有火灾蔓延到柜外才能发现,故在设计消防预装时,需由专业人士针对性布局实现快速响应。

7.3全方面保护+隐患部位重点保护

重要的军事指挥部门、大中城市的机场、广播电台、电视台、应急指挥中心、银行总行、高等院校、三级医院、大中城市的气象台、信息中心、疾病预防和控制中心、电力调度中心、交通指挥调度中心、国际会议中心、政府办公楼等重要场所周边的电子信息系统机房,应采用全方面保护+隐患部位重点保护方式,对机柜、蓄电池(磷酸铁锂)、防雷柜、交流配电箱易着火部位内置S型气溶胶灭火装置进行针对性保护,将火灾扼杀在初期阶段;机房、户外机柜选用全氟己酮灭火装置进行保护,在隐患部位灭火失效后进行补充灭火,系统采用感烟、感温探测器复合探测,装置反馈信号与保护场所内动环系统相连。

优点:易着火部位重点保护,将初期火情扼杀在摇篮中;对于火情失控蔓延情况,全氟己酮灭火装置作为二道防线,全淹没式灭火。

缺点:成本稍高。

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8、结论

推动5G基站建设,传统干粉灭火系统、七氟丙烷灭火系统的消防系统足以可见不太适合,从上述分析中可看出各类利弊,而从项目安全防控及成本上,气溶胶灭火系统、全氟己酮以其具有的对电子设备无二次损坏、灭火高效、体积重量轻、免维护等特点应用在基站及基站设备中,将杜绝基站的火灾隐患全覆盖,为5G通讯技术全面推广保驾护航。

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