一起变电站通信电源故障分析

程振凯，刘 莉，闫 单

（国网安徽省电力公司马鞍山供电公司，安徽 马鞍山 243000）

2014-04-21T11:26，某变电站在进行所用变电源切换过程中，发生站内通信专用高频开关电源因市电失压导致故障的事件，影响了变电站内通信设备、保护通道、远动通道的正常运行。

1 故障经过

根据省检修公司的工作安排，2014-04-21 T08:00—17:00，变电站运行人员进行站用交流电切换工作。在站用电切换过程中，由于通信电源故障，导致站用交流电短时间全停。

当日11:26，在站用电切换过程中，站用交流电短时间全停，通信系统-48 V通信高频开关电源1，2号屏均于11:26:16发生交流失电。在交流失电的情况下，1号蓄电池组投运30 s、2号蓄电池组投运32 s后，1，2号通信高频开关电源产生了直流电压低的告警，随后启动了负载下电，导致了通信设备失电，全站通信设备、调度自动化系统通道、2M保护通道中断。11:27:43交流恢复，1,2号通信高频开关电源恢复运行，通信设备、调度自动化系统通道、2M保护通道陆续恢复正常。

2 通信电源配置情况

该站通信电源由2组250 A高频开关电源和2组300 Ah蓄电池组成，1组开关电源带1组蓄电池。每台高频开关电源从站用电各引入2路交流电源，2台高频开关电源的直流输出从负载支路1引入直流分配屏，电池保护支路未接负载。在直流分配屏中2段输入-48 V通过1根铜牌连通，并带4排负载空气开关。通信电源接线如图1所示。

图1 通信电源接线示意

2014-05-06，对通信电源系统进行了以下一系列的检查和处理。

(1)在1号蓄电池组处断开电源侧的正、负极连接线，对1号蓄电池组进行放电试验。第1次设置放电电流100 A(放电负载仪型号：台湾群菱DCLT-4810，最大负载电流为100 A)，终止电压43.2 V，放电仪启动后立即停止。第2次设置放电电流30 A，终止电压43.2 V，放电仪放电5 min后测试电池单体电压，发现1号蓄电池组19号电池单体电压已降至0.26 V。据此判断1号蓄电池组有较少容量(放出2.5 Ah电量)，但不能满足大电流使用要求。

(2)在2号蓄电池组处断开和电源侧的正、负极连接线，对2号蓄电池组进行放电试验。设置放电电流100 A，电池组电压很快降至46.9 V并稳定放电；发现有单体电池电压降至1.7 V后，停止放电，2号蓄电池组共放出143 Ah的容量。

3 故障原因分析

3.1 通信电源及蓄电池组检测分析

(1)蓄电池组的放电试验表明：1号蓄电池组容量非常小，无法满足大电流的使用要求；2号蓄电池组虽然容量不满，但还有一半的容量。

(2)2次调整2台开关电源的直流电压，负载电流随即发生转移，证明了直流分配屏中的2个单向二极管运行正常，不存在一组蓄电池组向另一组供电的可能。

根据事故当日通信电源交流失电的情况分析，当开关电源的交流输入全停时，蓄电池组开始带负载，由于1号蓄电池组电量较少，负载能力低(有1只电池电压低)，可能小电流(估计不会超过30 A)带负载30 s后负载下电动作；2号蓄电池组提供大电流(估计100 A以上)，在1号蓄电池组下电后2号蓄电池组带全部负载，2 s后2号开关电源负载下电动作。根据2号电池组的放电试验结果，不应该在供电32 s后就启动负载下电。

现场通信电源实际接线情况是，2组蓄电池在1楼交直流室，通过长35 m，截面积70 mm2的电缆分别和2楼机房内的2套开关电源连接。

事故当日，交流失电2号蓄电池组带全部负载，原负载电流是132 A/53.5 V，电池放电时负载电流是150 A/46.9 V(根据P=IU计算)。理论计算当时电缆上直流压降ΔU=IR=IρL/S=150×0.0 175×2×35/70≈2.63 V，其中，R(导线电阻)=ρ×L/S，ρ(铜的电阻率)=0.0 175 Ω·mm2/m，L(导线长度)=2×35=70 m，S(导体截面积)=70 mm2；I(电池供电时电流)=150 A。正常情况下直流配电屏及熔丝压降值取0.2 V，则总体压降为2.83 V。

为保证数据的准确性，模拟长为35 m、截面积为70 mm2的电缆进行实验。实验结果为，在46.6 V/149.2 A时，电缆上的直流电压为3.14 V，高于理论值。开关电源设置的负载下电电压是44 V，电池保护电压是43.2 V，负载下电和电池保护允许都设置为“是”，即当电池组端电压达到47.14 V时，就启动负载下电动作；如考虑配电屏及熔丝压降0.2 V，则当电池组端电压达到47.34 V时，就启动负载下电动作。

分析当时的情况为：当交流失电时，蓄电池组开始带负载，由于端电压低，1，2号开关电源均发出直流电压低告警(设置为45 V)，说明开关电源处电压值低于45 V(日志显示1，2号开关电源交流停电与直流电压低告警是同一时间)。由于1号蓄电池组电量较少，组电压低(有1只电池电压低)，带了较少负载，在30 s后负载下电动作(按电流74 A计算，需0.62 Ah电量，小于实验中1号蓄电池组放出的容量2.5 Ah)。此时由2号蓄电池组带全部负载，电流增大1倍(132 A/53.5 V，150 A/46.9 V)，电缆上直流压降也增大1倍(按电流增加74 A计算,理论压降增加74×0.0 175×2×35/70≈1.3 V。模拟实验中，在74 A电流时直流压降为1.63 V)，2号开关电源处的电压2 s后掉至44 V以下，虽然2号电池组还有容量，在带全部负载后，仅运行2 s开关电源就启动了负载下电，导致所有通信设备失去电源。

通信电源于2006年8月投运，截至2012年下半年2台开关电源的负载电流合计不超过50 A，分摊到2组电源上，直流压降影响微小。之后连续新投了OTN设备、综合数据网设备等，负载电流迅速升高。虽然当时扩容了开关电源的整流模块，但未考虑到单电源供电时，电缆上直流压降较大(比初设时增加5倍)造成的影响，这成为了此次事件的主要原因。

3.2 原因分析

(1)正常运行时，1台站用变压器供全站低压母线负荷，另外2台站用变备用，而每季度的切换电源试验对各类设备均是一次冲击考验。此次通信电源失电就发生在站用电切换试验时。

(2)1号蓄电池组中的1只蓄电池容量严重不足，造成整组不能正常供电，全部负荷均由2号蓄电池组供电，较大电流在导线上的压降造成蓄电池组供电时低电压下电保护切除负荷，这是造成此次事件的直接原因。

(3)通信设备不断增加，尤其是大容量设备增加时，未考虑通信电源蓄电池组容量及较长导线(蓄电池组与直流母线分配屏不在一处安装)的电压降，负荷下电保护的采样电压与电池组端电压实际值存在偏差，导致错误地切除负荷，这也是本次事件的直接原因。

(4)通信电源直流分配为单母线供电，形成线路薄弱点，失去了电源线路双配置的优势。

4 整改措施

(1)重新核算负载下电保护的电压整定值。将2套艾默生高频开关电源的负载下电和电池保护电压均设定为41.6 V(41.6=43.2-1.6，负载全部在负载下电开关上)，保证在交流失电时，满足电池保护(大于43.2 V)的要求，最大限度地输出电池能量，同时又不会因电压过低(SDH通信设备最低工作电压为40 V)而对设备造成影响。

双电源供电时，按每电池组48 V/80 A供电，电缆直流压降ΔU=IR=IρL/S =80×0.0 175×2×35/70=1.4 V，加上熔丝压降0.2 V,全部压降为1.6 V。在单电源供电时，全程压降为3.14 V；此时，负载下电电压设定为41.6 V，电池端电压在44.56 V时动作，电池存在较早下电的问题。为解决下电参数设置问题，可增加电池组处电压监测单元，按电池组处电压进行控制，但由于电缆压降的存在，可能会出现通信设备处电压过低的隐患，因而最终可通过减小电缆电阻来解决。

(2)通信电源已投运8年，接近使用寿命，可纳入下季度改造计划。通信电源系统的更换改造应考虑：

① 更换容量不足的蓄电池组；

② 直流母线分段，分为1号电源—1号蓄电池组—1号直流母线至各通信设备第1电源；2号电源—2号蓄电池组—2号直流母线至各通信设备第2电源，凡是不具备第2电源接入的通信设备，都按图2进行改造；

③ 增加蓄电池至电源屏之间的导线截面积，按2×70 mm2施工。

图2 不具备第2电源接入的通信设备改造示意

(3)站用电的正常运行方式改为：1号站用电变压器供400 V一段母线，2号站用电变压器供400 V二段母线，0号站用电变压器作为2个母线的备用，任一母线失电应能实现自投。

在未改变目前运行方式前，应建立电源失电联系机制，在电源切换前告知通信人员，尽量缩短切换电源时的失电时间。

(4)建议对直流负载大的通信电源供电系统使用220 V直流电源，以降低总回路和各支路的电流。