某衛(wèi)星地面站UPS測試與分析

航天恒星科技有限公司 蔡祥梅

在某衛(wèi)星地面站運行過程中，天線驅(qū)動器經(jīng)常發(fā)生過流報警甚至斷電現(xiàn)象，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。為了分析定位故障原因，對給該設備供電電路中不同位置尤其是UPS 輸出端做了多次測試和分析，發(fā)現(xiàn)UPS 輸出電壓和諧波均存在超標現(xiàn)象。

1 供電背景

在某個地面站運行過程中，其中一副天線在柴油發(fā)電機和市電切換過程中經(jīng)常出現(xiàn)天線驅(qū)動過流報警甚至斷電問題。根據(jù)記錄發(fā)現(xiàn)具體現(xiàn)象如下：在市電斷電情況下，柴發(fā)作為備用電源啟動并接入系統(tǒng)作為整個地面站的供電輸入，此時天線較容易出現(xiàn)過流告警現(xiàn)象；當市電來電時自動切換為市電供電，此時也容易出現(xiàn)天線過流告警現(xiàn)象。這個過程中除了天線驅(qū)動有過流告警問題，地面站其他所有設備包括空調(diào)照明都正常運行。

該地面站供電設計如下：輸入端采用兩路獨立市電和柴油發(fā)電機并列輸入的模式；在市電輸入不穩(wěn)定的情況下，提供兩路獨立的市電輸入提高輸入的穩(wěn)定性；除市電外配置柴油發(fā)電機，在市電斷電的情況下及時啟動柴發(fā)給地面站供電。柴發(fā)不適合長期使用，長期使用會因為損耗過大增加故障率。

設備和天線分別配備了獨立供電的UPS。該地面站中UPS 均采用某品牌工頻12脈沖在線式UPS，為天線供電的為160kVA，為設備供電的為300kVA。衛(wèi)星地面站的UPS 采用在線式UPS。市電斷電時，因為逆變器和充電器同時工作，基本實現(xiàn)零延時工作。在線式UPS 充電器和逆變器同時工作[1-2]，在市電斷電后瞬間，逆變器輸入電流并沒有改變，當隨著時間延長電流不足、電壓降低，只要降低到低于電池電壓時，電池就開始向逆變器放電以補充電流的不足，所以供電是連續(xù)無間斷的[3]。

天線UPS 經(jīng)常出現(xiàn)過流告警現(xiàn)象，所以針對天線供電的在UPS 輸入端（測試點1）和輸出端（測試點2）做了對比測試；對UPS 輸出端（測試點2）不同供電模式進行了測試；同時安裝電能質(zhì)量分析儀進行測試；同時在天線輸入端（測試點3）進行了長期測試。為了對比分析，在設備輸入端（測試點4）也做了測試記錄。

為了定位故障原因，同時檢查了現(xiàn)場接地情況。市電和柴發(fā)在UPS 輸入端都配有良好的接地，并且零線配有開關。如果運行過程中零線中斷，會造成供電敏感設備斷電。因為三根火線經(jīng)過UPS 輸出，UPS 保證斷電時三根輸出的火線電壓是穩(wěn)定的，但是零線不在控制范圍內(nèi)。現(xiàn)場經(jīng)過仔細檢查零線開關并沒有斷開，可以排除零線開關斷開是引起設備過流告警的原因。同時，UPS 輸出端零地為接通狀態(tài)，設備端零地也為接通狀態(tài)。經(jīng)過測試，天線塔基機房各配電柜及塔基機柜接地電阻均小于1Ω，接地良好，符合接地要求。

2 電能質(zhì)量測試

為了分析故障原因，先后多次在不同位置安裝了電能質(zhì)量分析儀對天線驅(qū)動供電線路的不同位置進行了測試，如圖1所示。

圖1 測試位置示意圖

2.1 UPS 輸入輸出端同時測試

首先在160kVA UPS 輸入端（測試點1）和輸出端（測試點2）同時用電能質(zhì)量分析儀進行為期一周的測試。測試期間市電供電正常時，此時UPS 輸出端電能質(zhì)量也正常。某天下午出現(xiàn)了市電中斷、柴發(fā)啟動、再市電來電的過程，針對這個過程作詳細分析。

根據(jù)輸入電壓電流測試數(shù)據(jù)圖，可以看出8月9日下午出現(xiàn)了UPS 輸入端出現(xiàn)兩次輸入中斷，斷電時間分別為15：43到16：06；16：33到16：49；同時電流產(chǎn)生了脈沖，其中有三次大脈沖。第一次電流脈沖在16：06，第二次大沖擊電流在16：49，第三次沖擊電流在17：21。結(jié)合現(xiàn)場供電實際情況，當天下午15:43UPS 輸入端供電中斷，16:06柴發(fā)啟動給UPS 供電；16:32柴發(fā)關閉；16:49第二臺柴發(fā)啟動供電；17:21市電來電，UPS 輸入波形圖如圖2所示。

圖2 故障時間段UPS 輸入和輸出波形圖

從UPS 輸出波形圖可以看出，輸出端電壓波動明顯；16:06第一臺柴發(fā)啟動后輸出電壓波動范圍在359.6～406V，輸出電流產(chǎn)生近160A 的脈沖；16:49第二臺柴發(fā)啟動后產(chǎn)生輸出電壓波動范圍為360V～421V，電流產(chǎn)生158A 左右的脈沖，輸出電流再次中斷；17:21市電來電過程中，UPS 輸出電壓相對平穩(wěn)，波動范圍為370～390V，輸出電流產(chǎn)生接近152A 的脈沖。頻率變化范圍為49～51Hz，在正常范圍內(nèi)。電壓變化范圍超過正常值，供電電壓偏差最高達到10.7%，超過7%的標準。

現(xiàn)場天線驅(qū)動故障告警時間與電能質(zhì)量波形圖中電流產(chǎn)生三次大的脈沖時間基本一致。第一次電流脈沖和第二次電流脈沖分別為160A 和158A，超過設備承受范圍直接斷電；第三次脈沖為152A，僅僅過流告警，設備沒有斷電。

經(jīng)分析可知：市電斷電情況下，UPS 具有穩(wěn)壓作用，在斷電情況下仍能提供比較穩(wěn)定的輸出，所以設備正常運行；天線驅(qū)動過流告警與柴發(fā)和市電接入UPS 輸入端時間基本一致，柴發(fā)接入UPS 瞬間會引起電流變大，電流變大到一定程度引起設備過流報警甚至斷電。電流變大的同時電壓也會產(chǎn)生異常波動，電壓偏差和諧波均超過正常值；在這次測試中UPS 輸出頻率波動范圍在2%內(nèi)，基本正常。

2.2 不同供電模式下UPS 輸出端電能質(zhì)量測試

為了進一步驗證柴發(fā)對UPS 輸出端的影響，對啟動和關閉柴發(fā)接入UPS 的試驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，柴發(fā)輸入中斷，UPS 電池供電測試點2的電能質(zhì)量會出現(xiàn)異常；柴發(fā)接入UPS 供電瞬間測試點2的電能質(zhì)量會出現(xiàn)異常更明顯，如圖3至圖6所示。

圖3 柴發(fā)啟動瞬間UPS 輸出端波形圖

圖4 電流波形圖

圖5 柴發(fā)啟動瞬間300kVA UPS 輸出端波形圖

圖6 一周測試諧波的電壓電流示意圖

當柴發(fā)輸入中斷轉(zhuǎn)為UPS 電池供電時，UPS頻率在柴發(fā)斷開瞬間有小范圍波動，波動范圍為49.2～50.2Hz。柴發(fā)斷開后供電頻率非常平穩(wěn)，穩(wěn)定在50Hz。同時電壓在381～384V 波動，產(chǎn)生了較大的諧波，電壓總諧波畸變率THDv 達到了5.48%，超過國標要求的5%，此時電流從25A 上升到40A。柴發(fā)啟動接入UPS 工作時，頻率從50Hz 瞬間下降到48.6Hz，電壓諧波顯著增加，其中一相諧波增加到6.2%，另外兩相電壓總諧波畸變率分別為6.1%和5.4%，電流出現(xiàn)瞬間中斷，中斷時間239ms。

通過測試數(shù)據(jù)可以看出，柴發(fā)斷開或啟動時，UPS 輸出端頻率和電壓輸出有明顯的異常，電壓頻率和電流出現(xiàn)跳變和閃斷現(xiàn)象，電壓諧波超出正常標準范圍。為了做對比分析，對300kVA UPS 輸出終端（測試點4）做了測試分析。

對比分析300kVA UPS 測試數(shù)據(jù)圖發(fā)現(xiàn)，在柴發(fā)輸入中斷期間，UPS 輸出數(shù)據(jù)正常。在柴發(fā)輸入啟動接入UPS 期間，除了頻率有小范圍波動外，電壓電流都平穩(wěn)變化在正常范圍內(nèi)變化。

2.3 天線驅(qū)動前端測試數(shù)據(jù)

為了減少電路中的電壓和電流諧波對天線驅(qū)動的影響，在天線驅(qū)動前端加入了隔離變壓器。在隔離變壓器后端天線驅(qū)動前端進行了長期測試[4]。

在長期監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，在正常供電情況下，電壓諧波總畸變率在10%左右超出標準范圍；通過數(shù)據(jù)分析得知，C 相5次電壓諧波含有率95%概率值達到了6.3，7次諧波含有率95%概率值達到了5.8，電壓總諧波畸變率THDv 達到了11.1%。測試結(jié)果表明，加入隔離變壓器后電路中的諧波污染長期處于超標狀態(tài)，沒有從根本上解決問題[5]。另外從電流波形圖可以看出，設備供電出現(xiàn)中斷現(xiàn)象發(fā)生在市電斷電來電過程中，這個過程中并沒有柴發(fā)啟動接入UPS，從示波器圖形如圖7所示可以看出，捕捉到系統(tǒng)出現(xiàn)大電流后電流為零，同時輸出電壓和頻率中斷，中斷時長為3s。

圖7 示波器故障錄播圖形

2.4 解決方案

綜合上述測試結(jié)果，UPS 自身出現(xiàn)故障，沒有做到正常隔離，所以在柴發(fā)啟動或者市電啟動期間出現(xiàn)電壓偏差超限，諧波超限，甚至輸出電壓和頻率中斷等現(xiàn)象。在設備端加入隔離變壓器沒有從根本上解決問題，增大了電路中的諧波。為了解決這個問題，有兩種解決方案：考慮到負載的特殊性，增加無源濾波器，消除電路中的諧波；為避免負載出現(xiàn)更大的問題徹底更換UPS 設備，消除供電隱患。

綜上所述，衛(wèi)本文通過大量試驗測試數(shù)據(jù)分析，判斷出該地面站天線UPS 輸出諧波較大，電壓偏差較大，供電超出了標準要求。建議后續(xù)項目設計中，首先優(yōu)化整站供電設計方案，其次對UPS 設備設計和選型作嚴謹分析，選擇適合地面站使用要求的[6]；再次安裝前對UPS 輸出電能質(zhì)量作嚴格的測試，滿足要求后再接到地面站中運行。