电子论文-大红鹰南基站电气灾害分析与解决方案

大红鹰南基站电气灾害分析与解决方案苑京成1徐义2（1．中国联通宁波分公司宁波3150402．福禄克公司北京办事处北京101004）摘要：本文就大红鹰南基站多次动力设备故障成因进行分析，并通过使用先进电能质量分析仪对谐波对基站设备的影响进行分析，并根据现场实际情况和技术条件，提出相应技术解决方案。关键词：移动通信基站电能质量分析和测量谐波隔离变压器一、引言大红鹰南基站位于宁波市郊一不锈钢冶炼厂区内，自2005年5月份起已连续发生多起电气灾害：5月20日：基站室内配电箱、防雷箱起火故障；5月28日：基站开关电源一整流模块发生故障。5月30日：基站开关电源一整理模块故障。6月9日：基站开关电源一整流模块故障。8月15日：室外电表箱起火。9月16日：基站空调室外机压敏电阻烧毁、保险管熔断。12月25日：基站开关电源两整流模块故障。针对上述多起故障，宁波分公司动力维护人员多次现场查勘处理，并用数字万用表和钳型表进行测量未见电压、电流有异常情况，事故原因一时难以查明。后通过不锈钢厂方技术人员了解到大红鹰南基站的外市电引自该厂的炼钢车间，厂内有着数量众多、功率较大的整流、变频设备，低压配电采用IT供电系统，即电源侧零线不接地。宁波分公司动力维护人员在无相应仪器进行详细的数据测试的情况下，初步分析事故原因为中频感应炉等大功率整流变频设备在工作期间，产生大量的谐波，造成该厂电网电压异常波动，因过电压导致基站的动力设备上述故障。由于基站位于该厂区内，安装外市电独立变压器难度较大。如何有效改善该站的外市电状况一时成为难题。二、现场数据测试经了解，该不锈钢厂的运行工况一般为：白天开启轧钢设备和无功补偿设备。夜间开启中频感应电炉，关闭无功补偿设备。2．1第一次数据测试分析2005年12月份，宁波分公司动力维护人员经过调查，分析福禄克公司生产的手持式电能质量分析仪最适合现场分析测试，宁波分公司动力维护人员利用新购F434电能质量分析仪于12月8日对大红鹰南基站外市电配电箱的电能质量进行测量。A、B、C、零线有效值、波形、谐波分量等数据如下图1～3所示：（图1）三相相电压波形（图2）零线电压谐波图1～图3为12月8日下午14点左右电能质量测试记录资料。由图1三相电压波形图分析可知：零线电压波形含有大量3次、9次谐波；三相电压幅值基本均衡；而零线电压达到148.6V，零线电压畸变率达到了99.9％（见图2），A、B、C三相（B、C相同于A相）的电压总谐波畸变率在9％左右，远超出5％的国家标准允许范围，相电压谐波主要为5、7次谐波分量（见图3），更高次谐波分量应已通过该厂的无功补偿装置过滤掉。（图3）A相电压谐波2．2第二次数据测试与分析为了解中频感应电炉（以下简称电炉）工作时对大红鹰南基站外市电供电质量的影响，宁波分公司动力中心维护人员于12月26日凌晨1点左右再次对该站供电状况进行现场测试。测量记录见图4～6。（图4）电炉工作时三相电压波形（图5）电炉工作时A相电压谐波（图6）电炉工作时零线电压谐波（图7）三相电压异常记录由图4～7，我们可以获取以下信息：z电炉在工作时产生大量高次谐波，各相电压谐波均含有5、7、11、13、17、19等6n±1次谐波，此为典型的三相6脉整流电路特征。各相电压总谐波畸变率totalharmonicdistortion（THD）均超出国家标准。z零线电压异常升高，达到223.8V。且相位与B相电压相反，由此可以判断，零线回路存在中断现象，且电炉B相存在对地绝缘不良的情况。（相对于A、C相）zA、B、C、N相电压谐波均含有大量高次谐波成分，主要原因为电炉工作时，该厂无功补偿设备（电容）退出运行。z在凌晨1：44分，监测到三相电压异常情况，持续时间约几分钟，期间A、B、C三相电压严重不均衡，B相电压低至42.2V，C相电压高达310V，超过额定电压40％，远远高于7%的国家标准，也超出了该型号开关电源允许正常工作125V～285V电压范围。在12月25基站开关电源有有A、C相两个模块烧毁（B相模块正常），极有可能由此引起。同时零线电压达到299.2V，远远超过由于三相负载不均衡、零线存在正常回路阻抗引起的零电位漂移。上述电压异常现象分析如下：（图8）低压三相供电示意图如图（8）所示，在不锈钢厂的低压三相供电系统中，取主变压器低压侧中性点O为电压参考点，相电压幅值为Uo，则主变压器输出三相供电电压矢量表达式为：o&00∠=UEa，，，这里abEE&&2α=ccEE&&α=32παje=为矢量算子设定A、B、C相、零线等效导纳（包括负载与线路部分）分别为Ya、Yb、Yc、Yn。依据节点电压法可以得到负荷侧中性点对电源中性点的电压：aancbacbancbaccbbaanEEYYYYYYYYYYYEYEYEYU&&&&&&λαα=+++++=+++++=2式（1）由式（1）可知，一般零线回路接通的情况下，其等效阻抗远小于各相等效阻抗，等效导纳远大于各相导纳。因此，λ1，中性点电压偏移值小于相电压。而当发生零线断线的情况时，由于零线回路导纳远小于各相导纳，式（1）中Yn值可忽略不计。故acbacbancbaccbbaanEYYYYYYYYYYEYEYEYU&&&&&++++≈+++++=αα2式（2）由式（2）可知，此时若三相导纳性质不同（譬如分别为容性、感性），则完全可能发生：12≥++++cbacbaYYYYYYαα式（3）即中性点偏移电压值大于相电压。同样可对三相负载相电压异常现象进行类似分析。由此可知，发生上述电压异常原因可确定为零线回路存在电气接触不良的地方。据此，宁波分公司动力维护人员在确认基站外市电引入零线无中断的情况下向该厂有关人员提出以下建议：检查炼钢车间配电柜至主变压器之间是否存在零线接触不良现象；检查中频感应电炉B相的绝缘情况。2．3第三次数据测试与分析在12月30日夜间，宁波分公司动力维护人员再次对大红鹰南基站的外市电质量进行监测，向电炉操作人员了解到该厂于近日已对配电系统的零线回路进行过检查和维护。图9即为此次监测结果记录。由图9可知，虽然在电炉工作时仍有大量谐波产生，但零线电压幅值已明显低于12月26日所测结果。图9中频电炉工作时三相电压波形三、成灾原因分析由上述现场测试和分析结果可知，大红鹰南基站的外市电供电质量非常恶劣，主要体现在：电压谐波分量严重超标、三相电压严重不平衡、零线电压过高等三个方面。而该站点的多次电气灾害事故原因与上述因素有关。根据12月26日现场测试捕获的电压异常数据分析，在某些情况下，发生了了三相电压严重不平衡现象。其中A、C相、零地电压已远高于正常市电电压值。从而导致以下故障发生：z大红鹰南基站原安装使用的某品牌的防雷模块为4线对地模式，即在A-PE、B-PE、C-PE、N-PE间都为相同的限压型SPD，且无热脱扣装置。当某相或零线对地电压持续较高水平，导致该相SPD失效起火，火势向上蔓延导致该站室内配电箱起火烧毁。z电表箱起火的原因亦是由于某相电压过高导致电表内部的电压线圈发热严重从而引发火灾。z基站空调室外机压敏电阻烧毁、保险管熔断亦是由于单相电压过高引起同时根据多次现场测试结果，大红鹰南基站外市电谐波分量严重超标。谐波在通信行业的危害主要表现为：引起动力设备内部电气元件(异步电机、变压器、电容器等)的附加损耗和发热，导致电气元件的温度升高，效率降低，绝缘加速老化，缩短使用寿命，甚至损坏；降低配电系统继电保护、控制、以及检测装置的工作精度和可靠性；增加无功功率损耗，降低功率因数；甚至有可能引发并联或串联谐振，损坏电气设备以及干扰通信线路的正常工作。由于涉及商业机密，难以获得开关电源厂家整流模块内部线路图，对于大红鹰南基站开关电源模块多次烧毁的故障原因，可做如下分析：图（10）开关电源EMI电路示意图根据厂家提供的艾默生PS48400-2C/50用户手册，开关电源整流模块交流输入电路第一部分即为EMI（ElectromagneticSusceptibility）电路，该电路一般结构形式如上图（10）所示。该电路起到两方面的作用：避免电网中含有的共模和差模噪声对开关电源产生干扰；减少开关电源整流电路对外界电网的电磁干扰。其中共模干扰的抑制是通过相线、零线与地（机壳）之间并联电容实现。由此可知，过高的相线、零线对地电压和零线高次谐波对电容影响较大。当达到一定程度后即可造成电容击穿、烧毁的严重后果。12月25日大红鹰南A、C相整流模块烧毁后，在对开关电源检查过程中发现烧毁的两模块的安装槽道与机架固定螺丝处有烧熔现象，由于整流模块是通过槽道与机壳实现电气接地的。而固定螺丝处为整流模块对地回路接触电阻最大处。由此可以推断，整流模块起火原因有两种可能：一种即为单相电压过高或零地电压过高引起模块内部SPD发热烧毁；第二种原因即为由于电网过压和高次谐波，使得模块EMI电路共模抑制回路过载而引发，尤其是零地回路无空气开关，过载时无法切断回路，极易烧毁设备。四、解决方案根据上述分析，由于不锈钢厂的特殊供电结构和大量整流设备的应用，造成大红鹰南基站外市电的供电质量极为恶劣。针对该站的供电环境，宁波分公司动力中心提出两套解决方案。方案一即为安装外市电独立10KV变压器，优点在于可以基本解决不锈钢厂谐波干扰问题，且单独开户后安装独立变压器可以降低电价（现协议电价1元/度，开户后可降低至0.784元/度），缺点为：一次性投入较大、现场安装条件困难。方案二为在该基站安装低压1：1DYn电源隔离变压器，实现对3n此谐波隔离的同时，还可实现基站输入外市电的TT接线方式。即使市电输入侧发生零线中断的严重故障，也不会对隔离变压器输出产生严重影响。该方案优点为工程一次性投入较低，但需向不锈钢厂继续按照原协议电价支付电费，长期运行经济成本相对较高。隔离变压器接线示意图如下图所示。AanBbCc图11隔离变压器接线示意图初级线圈次级线圈具体采用何种方案需与当地供电部门以及不锈钢厂方协商后，综合考虑技术、经济因素后确定。五、结论1、零线回路阻抗直接影响三相电压均衡度以及零地电压，在运行维护、故障检修、工程建设时应确保零线回路电气连接良好，严禁零线回路单独安装熔断器、开关等设备。对于重要负荷，零线线径应不小于相线。2、基站外市电电能质量直接关系到今后基站动力设备的安全运行，在选站勘址是应对外市电环境进行了解，必要时应进行现场测试取得第一手资料。3、日常运行维护中应对谐波污染问题予以重视，在动力设备选型时应对该设备的电磁兼容性能予以关注。4、对于现场维护工作人员的仪器配置中，一些先进的仪器要必须配备和选购。5、移动基站的防雷模块应要求有热脱扣装置，避免因电网电压异常波动或模块失效引起火灾事故。参考文献：1、国标GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》2、国标GB12325-90《电能质量供电电压偏差》3、艾默生PS48400-2C/50用户手册4、钱照明程肇基著电力电子系统电磁兼容设计基础及干扰抑制技术浙江大学出版社2004年1月