某衛星地面站UPS測試與分析

航天恒星科技有限公司 蔡祥梅

在某衛星地面站運行過程中，天線驅動器經常發生過流報警甚至斷電現象，影響了系統的穩定運行。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，發現UPS 輸出電壓和諧波均存在超標現象。

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電機和市電切換過程中經常出現天線驅動過流報警甚至斷電問題。根據記錄發現具體現象如下：在市電斷電情況下，柴發作為備用電源啟動并接入系統作為整個地面站的供電輸入，此時天線較容易出現過流告警現象；當市電來電時自動切換為市電供電，此時也容易出現天線過流告警現象。這個過程中除了天線驅動有過流告警問題，地面站其他所有設備包括空調照明都正常運行。

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電機并列輸入的模式；在市電輸入不穩定的情況下，提供兩路獨立的市電輸入提高輸入的穩定性；除市電外配置柴油發電機，在市電斷電的情況下及時啟動柴發給地面站供電。柴發不適合長期使用，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，所以供電是連續無間斷的[3]。

天線UPS 經常出現過流告警現象，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，同時檢查了現場接地情況。市電和柴發在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。因為三根火線經過UPS 輸出，UPS 保證斷電時三根輸出的火線電壓是穩定的，但是零線不在控制范圍內。現場經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，設備端零地也為接通狀態。經過測試，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量分析儀對天線驅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 輸出端電能質量也正常。某天下午出現了市電中斷、柴發啟動、再市電來電的過程，針對這個過程作詳細分析。

根據輸入電壓電流測試數據圖，可以看出8月9日下午出現了UPS 輸入端出現兩次輸入中斷，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。結合現場供電實際情況，當天下午15:43UPS 輸入端供電中斷，16:06柴發啟動給UPS 供電；16:32柴發關閉；16:49第二臺柴發啟動供電；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第一臺柴發啟動后輸出電壓波動范圍在359.6～406V，輸出電流產生近160A 的脈沖；16:49第二臺柴發啟動后產生輸出電壓波動范圍為360V～421V，電流產生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，波動范圍為370～390V，輸出電流產生接近152A 的脈沖。頻率變化范圍為49～51Hz，在正常范圍內。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。

現場天線驅動故障告警時間與電能質量波形圖中電流產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。

經分析可知：市電斷電情況下，UPS 具有穩壓作用，在斷電情況下仍能提供比較穩定的輸出，所以設備正常運行；天線驅動過流告警與柴發和市電接入UPS 輸入端時間基本一致，柴發接入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，基本正常。

2.2 不同供電模式下UPS 輸出端電能質量測試

為了進一步驗證柴發對UPS 輸出端的影響，對啟動和關閉柴發接入UPS 的試驗數據分析發現，柴發輸入中斷，UPS 電池供電測試點2的電能質量會出現異常；柴發接入UPS 供電瞬間測試點2的電能質量會出現異常更明顯，如圖3至圖6所示。

圖3 柴發啟動瞬間UPS 輸出端波形圖

圖4 電流波形圖

圖5 柴發啟動瞬間300kVA UPS 輸出端波形圖

圖6 一周測試諧波的電壓電流示意圖

當柴發輸入中斷轉為UPS 電池供電時，UPS頻率在柴發斷開瞬間有小范圍波動，波動范圍為49.2～50.2Hz。柴發斷開后供電頻率非常平穩，穩定在50Hz。同時電壓在381～384V 波動，產生了較大的諧波，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%，電流出現瞬間中斷，中斷時間239ms。

通過測試數據可以看出，柴發斷開或啟動時，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跳變和閃斷現象，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 測試數據圖發現，在柴發輸入中斷期間，UPS 輸出數據正常。在柴發輸入啟動接入UPS 期間，除了頻率有小范圍波動外，電壓電流都平穩變化在正常范圍內變化。

2.3 天線驅動前端測試數據

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

在長期監測中發現，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；通過數據分析得知，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，沒有從根本上解決問題[5]。另外從電流波形圖可以看出，設備供電出現中斷現象發生在市電斷電來電過程中，這個過程中并沒有柴發啟動接入UPS，從示波器圖形如圖7所示可以看出，捕捉到系統出現大電流后電流為零，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

綜合上述測試結果，UPS 自身出現故障，沒有做到正常隔離，所以在柴發啟動或者市電啟動期間出現電壓偏差超限，諧波超限，甚至輸出電壓和頻率中斷等現象。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；為避免負載出現更大的問題徹底更換UPS 設備，消除供電隱患。

綜上所述，衛本文通過大量試驗測試數據分析，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。建議后續項目設計中，首先優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 輸出電能質量作嚴格的測試，滿足要求后再接到地面站中運行。