某卫星地面站UPS测试与分析

航天恒星科技有限公司 蔡祥梅

在某卫星地面站运行过程中，天线驱动器经常发生过流报警甚至断电现象，影响了系统的稳定运行。为了分析定位故障原因，对给该设备供电电路中不同位置尤其是UPS 输出端做了多次测试和分析，发现UPS 输出电压和谐波均存在超标现象。

1 供电背景

在某个地面站运行过程中，其中一副天线在柴油发电机和市电切换过程中经常出现天线驱动过流报警甚至断电问题。根据记录发现具体现象如下：在市电断电情况下，柴发作为备用电源启动并接入系统作为整个地面站的供电输入，此时天线较容易出现过流告警现象；当市电来电时自动切换为市电供电，此时也容易出现天线过流告警现象。这个过程中除了天线驱动有过流告警问题，地面站其他所有设备包括空调照明都正常运行。

该地面站供电设计如下：输入端采用两路独立市电和柴油发电机并列输入的模式；在市电输入不稳定的情况下，提供两路独立的市电输入提高输入的稳定性；除市电外配置柴油发电机，在市电断电的情况下及时启动柴发给地面站供电。柴发不适合长期使用，长期使用会因为损耗过大增加故障率。

设备和天线分别配备了独立供电的UPS。该地面站中UPS 均采用某品牌工频12脉冲在线式UPS，为天线供电的为160kVA，为设备供电的为300kVA。卫星地面站的UPS 采用在线式UPS。市电断电时，因为逆变器和充电器同时工作，基本实现零延时工作。在线式UPS 充电器和逆变器同时工作[1-2]，在市电断电后瞬间，逆变器输入电流并没有改变，当随着时间延长电流不足、电压降低，只要降低到低于电池电压时，电池就开始向逆变器放电以补充电流的不足，所以供电是连续无间断的[3]。

天线UPS 经常出现过流告警现象，所以针对天线供电的在UPS 输入端（测试点1）和输出端（测试点2）做了对比测试；对UPS 输出端（测试点2）不同供电模式进行了测试；同时安装电能质量分析仪进行测试；同时在天线输入端（测试点3）进行了长期测试。为了对比分析，在设备输入端（测试点4）也做了测试记录。

为了定位故障原因，同时检查了现场接地情况。市电和柴发在UPS 输入端都配有良好的接地，并且零线配有开关。如果运行过程中零线中断，会造成供电敏感设备断电。因为三根火线经过UPS 输出，UPS 保证断电时三根输出的火线电压是稳定的，但是零线不在控制范围内。现场经过仔细检查零线开关并没有断开，可以排除零线开关断开是引起设备过流告警的原因。同时，UPS 输出端零地为接通状态，设备端零地也为接通状态。经过测试，天线塔基机房各配电柜及塔基机柜接地电阻均小于1Ω，接地良好，符合接地要求。

2 电能质量测试

为了分析故障原因，先后多次在不同位置安装了电能质量分析仪对天线驱动供电线路的不同位置进行了测试，如图1所示。

图1 测试位置示意图

2.1 UPS 输入输出端同时测试

首先在160kVA UPS 输入端（测试点1）和输出端（测试点2）同时用电能质量分析仪进行为期一周的测试。测试期间市电供电正常时，此时UPS 输出端电能质量也正常。某天下午出现了市电中断、柴发启动、再市电来电的过程，针对这个过程作详细分析。

根据输入电压电流测试数据图，可以看出8月9日下午出现了UPS 输入端出现两次输入中断，断电时间分别为15：43到16：06；16：33到16：49；同时电流产生了脉冲，其中有三次大脉冲。第一次电流脉冲在16：06，第二次大冲击电流在16：49，第三次冲击电流在17：21。结合现场供电实际情况，当天下午15:43UPS 输入端供电中断，16:06柴发启动给UPS 供电；16:32柴发关闭；16:49第二台柴发启动供电；17:21市电来电，UPS 输入波形图如图2所示。

图2 故障时间段UPS 输入和输出波形图

从UPS 输出波形图可以看出，输出端电压波动明显；16:06第一台柴发启动后输出电压波动范围在359.6～406V，输出电流产生近160A 的脉冲；16:49第二台柴发启动后产生输出电压波动范围为360V～421V，电流产生158A 左右的脉冲，输出电流再次中断；17:21市电来电过程中，UPS 输出电压相对平稳，波动范围为370～390V，输出电流产生接近152A 的脉冲。频率变化范围为49～51Hz，在正常范围内。电压变化范围超过正常值，供电电压偏差最高达到10.7%，超过7%的标准。

现场天线驱动故障告警时间与电能质量波形图中电流产生三次大的脉冲时间基本一致。第一次电流脉冲和第二次电流脉冲分别为160A 和158A，超过设备承受范围直接断电；第三次脉冲为152A，仅仅过流告警，设备没有断电。

经分析可知：市电断电情况下，UPS 具有稳压作用，在断电情况下仍能提供比较稳定的输出，所以设备正常运行；天线驱动过流告警与柴发和市电接入UPS 输入端时间基本一致，柴发接入UPS 瞬间会引起电流变大，电流变大到一定程度引起设备过流报警甚至断电。电流变大的同时电压也会产生异常波动，电压偏差和谐波均超过正常值；在这次测试中UPS 输出频率波动范围在2%内，基本正常。

2.2 不同供电模式下UPS 输出端电能质量测试

为了进一步验证柴发对UPS 输出端的影响，对启动和关闭柴发接入UPS 的试验数据分析发现，柴发输入中断，UPS 电池供电测试点2的电能质量会出现异常；柴发接入UPS 供电瞬间测试点2的电能质量会出现异常更明显，如图3至图6所示。

图3 柴发启动瞬间UPS 输出端波形图

图4 电流波形图

图5 柴发启动瞬间300kVA UPS 输出端波形图

图6 一周测试谐波的电压电流示意图

当柴发输入中断转为UPS 电池供电时，UPS频率在柴发断开瞬间有小范围波动，波动范围为49.2～50.2Hz。柴发断开后供电频率非常平稳，稳定在50Hz。同时电压在381～384V 波动，产生了较大的谐波，电压总谐波畸变率THDv 达到了5.48%，超过国标要求的5%，此时电流从25A 上升到40A。柴发启动接入UPS 工作时，频率从50Hz 瞬间下降到48.6Hz，电压谐波显著增加，其中一相谐波增加到6.2%，另外两相电压总谐波畸变率分别为6.1%和5.4%，电流出现瞬间中断，中断时间239ms。

通过测试数据可以看出，柴发断开或启动时，UPS 输出端频率和电压输出有明显的异常，电压频率和电流出现跳变和闪断现象，电压谐波超出正常标准范围。为了做对比分析，对300kVA UPS 输出终端（测试点4）做了测试分析。

对比分析300kVA UPS 测试数据图发现，在柴发输入中断期间，UPS 输出数据正常。在柴发输入启动接入UPS 期间，除了频率有小范围波动外，电压电流都平稳变化在正常范围内变化。

2.3 天线驱动前端测试数据

为了减少电路中的电压和电流谐波对天线驱动的影响，在天线驱动前端加入了隔离变压器。在隔离变压器后端天线驱动前端进行了长期测试[4]。

在长期监测中发现，在正常供电情况下，电压谐波总畸变率在10%左右超出标准范围；通过数据分析得知，C 相5次电压谐波含有率95%概率值达到了6.3，7次谐波含有率95%概率值达到了5.8，电压总谐波畸变率THDv 达到了11.1%。测试结果表明，加入隔离变压器后电路中的谐波污染长期处于超标状态，没有从根本上解决问题[5]。另外从电流波形图可以看出，设备供电出现中断现象发生在市电断电来电过程中，这个过程中并没有柴发启动接入UPS，从示波器图形如图7所示可以看出，捕捉到系统出现大电流后电流为零，同时输出电压和频率中断，中断时长为3s。

图7 示波器故障录播图形

2.4 解决方案

综合上述测试结果，UPS 自身出现故障，没有做到正常隔离，所以在柴发启动或者市电启动期间出现电压偏差超限，谐波超限，甚至输出电压和频率中断等现象。在设备端加入隔离变压器没有从根本上解决问题，增大了电路中的谐波。为了解决这个问题，有两种解决方案：考虑到负载的特殊性，增加无源滤波器，消除电路中的谐波；为避免负载出现更大的问题彻底更换UPS 设备，消除供电隐患。

综上所述，卫本文通过大量试验测试数据分析，判断出该地面站天线UPS 输出谐波较大，电压偏差较大，供电超出了标准要求。建议后续项目设计中，首先优化整站供电设计方案，其次对UPS 设备设计和选型作严谨分析，选择适合地面站使用要求的[6]；再次安装前对UPS 输出电能质量作严格的测试，满足要求后再接到地面站中运行。