广播电视无线发射台供配电系统的优化配置

广西广播电视技术中心桂林分中心：陶子群

近年来无线发射台停播事故频发，从停播事故的报告中了解到，较多事故跟供配电系统有关。为减少无线发射台站故障，保证节目持续稳定播放，应积极提高供配电系统设计质量，提高供配电稳定性[1]。如何优化配置提高无线发射台的供配电系统可靠性，以确保无线广播电视的安全播出，成为无线发射台设计者面临的重点课题。本文认真分析了无线发射台供配电系统传统配置存在的问题，并结合供配电技术涉及的新技术、新标准、新理念，对无线发射台供配电系统配置的科学性与合理性进行论述。

1. 当今供配电系统现状概述

随着广播电视无线发射和覆盖网络容量的增加，自动化智能化设备的应用，设备的数量、传输的发射功率和用电要求也逐步在提高。建设改造一套稳定安全可靠高质量的供配电系统，对于广播电视安全播出保障工作尤为重要[2]。根据《广播电视播出管理规定》中对无线发射台运行要求提高，推动了无线发射台标准化改造工作，分析当前供配电系统存在的一些问题：①只有一路外部市电电源供电，当这路外部市电供电线路故障时，只能依靠无线发射台内部柴油机组发电或UPS电源供电，没有设计“一主一备”；②设计人员仅参考电力设计规范和施工手册，未结合无线发射台的实际情况，设计的供配电方案不适用；③设备迭代升级与数量增加，供配电系统满足不了用电设备负荷需求，长期超负荷运行，会造成电气元件加速老化和性能不稳定，容易发生线路短路引发火灾。

2. 高压供电系统改进

高压10kV配电是电力系统中的一个重要枢纽，合理的供电线路不仅能更好地保障人们的用电需求，而且还能极大地提高供配电系统的稳定运行。供配电设计需满足使用期间负荷需求，基于行业设计标准化设计，科学选择设备、线缆型号，合理选择配电室、变电站设备[3]。本文以安全播出保障等级为二级的无线发射台供配电系统配置方式进行探讨，如图1所示，未标准化改造前只有A路10kV外部市电电源供电，在雨、雪、大风等恶劣天气时，会频发高压线路故障停电，影响无线发射台的正常运行。所以后期更改高压供电方案，从邻县B的变电站牵引一路10kV外部市电作为备用电源。A路设计为主路，以架空电源进线方式，选用钢芯铝绞线电缆；B路为备路，以电缆进线方式，选用带有铠装电缆。这样“一主一备”的双路高压电源供电设计，当主路供电电源故障停电时，备路供电电源马上投切使用，不会造成高压停电现象，也为计划停电检修高压线路提供便利。

同时，为了提高电网的功率因数，尽量做到无功分层分区就地平衡，在外部市电A路电源上增设高压开关柜和电容补偿柜，高压柜选用KYN28-12型金属铠装移开式开关柜，断路器选用额定电流为630A，额定开断电流为25 KA真空开关。根据分层分区无功平衡结果，结合调相、调压计算，补偿容量按主变容量的15.8%配置。选择配置无功补偿装置1组1000kvar电容器组。容量配置符合Q/GDW 212-2008《国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则》中规定容性无功补偿容量按主变容量的15%～25%范围内选择的配置要求。10kV电容器组采用框架式电容器，单星形接线，电缆进线。由进线隔离开关（电容器侧带接地刀）、干式空芯串联电抗器、避雷器、放电线圈、框架式并联电容器及连接导体等组成。

高压变压器也是高压供电系统的重要组成部分，我们要正确计算无线发射台的总负载，合理选择变压器容量，因为变压器容量选择跟经济运行和降低电能损耗密切相关。如果设计容量过大，会造成“大马拉小车”，设备成本投入过高，变压器轻载，使得无功损耗增加，功率因素降低，线损增加的危害；如果设计容量较小，会造成变压器超负荷运行，长期超负荷运行，会导致变压器电气绝缘性能下降，严重可能会烧坏变压器。

3. 低压配电系统优化

低压配电系统在电力系统运行中起到了重要保护作用，其主要是对电流的控制和保护，及时排除电力故障，保证电力稳定供应。如图2所示，从低压配电柜到的双外电切换控制柜，其内部配置一款微机线路保护装置，代替常规继电器的切换，它可以精准实现两路外电在主路断电情况下，自动投切备路外正常供电。避免常规继电器误动作或未动作情况，微机线路保护装置相对常规继电器而言，它拥有远程操控、事件记录、精准控制等的优良性能，提升了供配电的自动化程度。

图2 低压配电图

低压配电系统设计也要遵循“一主一备”思路，当主路电源出现故障时，可以立即切换备路电源。如设计两组0.4kV低压柴油发电机组通过ATS自动切换，进行主备柴油机组的自动切换，柴油机组发电和市电也设计ATS自动切换，其中主路电源有问题，立即自动切换到备路电源。这样的设计方案既可缩短倒换电时间，也避免了因人为倒换错误，或人工带负载切换出现电弧现象。同时，低压配电关键部分设计“旁路直通”应急功能，如隔离变压器、稳压柜和外电/发电机ATS控制柜有故障，及时闭合直通开关。采取旁路直通应急供电方案。如果ATS控制柜没有旁路直通开关应急功能，在ATS柜出现问题时，就没有电源输出提供给后端负载供电，会造成相对较长时间的停播事故，即使ATS柜配备有切换功能，因其ATS柜切换操作规程有一定程度的复杂性，并且各种型号的ATS开关操作起来也不完全一样，倒切换需要的时间会根据值班员熟悉情况，需要时间长短也不一致，从而造成一定时间的停播，更严重的情况是如果到ATS柜出问题时，值班员匆匆忙忙去找电缆线并接线。由于电力电缆线粗且很硬，值班员即使立马接线应急处理都会需要一定时间，这样做或多或少都会造成一定时间的停播。

系统布置科学合理，不仅有利于系统设备及线路的安装维修，而且避免了设备之间的相互干扰，可降低线路出现串联和短路事故的概率[4]。无线发射台未标准化改造前，设备和线路布置都没有制定标准。发射设备、信号源设备和监控设备之间交叉摆放，动力电缆和信号电缆布置杂乱，交流/直流电缆交叉布置，电缆没有制作标识，电缆电容量较小，过负荷运行，在转弯处没有控制好倒角，负载分配不平衡，电压波动较大等问题，导致无线发射台经常发生因设备通讯故障、线路烧焦、电路板烧坏等故障。在台站抢修时，因线路无标识、布线杂乱无序、设备摆放无规则，使得抢修工作难度加大、耗时费力。经过无线发射台站标准化改造，台站运行一段时间，没有再次出现类似问题。总结经验如下：①电缆沟转弯处两侧沟壁均采用45度倒角并满足电缆转弯半径要求；②各电缆头尾要有标识，每隔10m应在电缆外皮加印不可擦除褪色的电缆编号；③电压等级、类别不同的线路应分开布置；④电缆选型要匹配用电环境和满足负荷要求；⑤合理分配三相负载，保持三相电压平衡；⑥动力电缆与信号电缆分开布置，避免相互干扰，若无法避开交叉布置；可采用屏蔽层或隔离层进行电磁隔离；⑦相同主机/备机不能用同相电源供电，避免因电源问题，主机/备机工作受影响。

4. UPS电源系统设计

无线发射台外部市电有时会出现供电中断或相关供电质量问题，如供电质量方面，可能出现瞬态尖峰、频率突变、带有振铃式瞬态干扰波、换相失真干扰。浪涌、塌波等[5]。为了解决这些问题，我们会在用电设备前端配置UPS电源系统，通过UPS电源提升电能质量，因为UPS电源有如下优点：①通过滤波和抑制电磁干扰来提高供电质量；②有效防止因输入电压波动，引起电压不稳定，保证稳定电压输出；③隔离用电设备与电网之间的电气关联，避免设备受电网波动干扰，延长设备寿命；④当市电失电时，UPS电池做备用电源，使UPS后端负载保持正常工作，不受电压变化导致用电设备损坏等功能，确保了供电电源稳定地输出。

在选用全台UPS电源时，我们从工作方式、容量、电池组后备时间等特性去配置UPS电源。了解后备式、在线互动式、在线双变换UPS各自工作特点，我们选择稳定度、瞬间响应能力较高的在线双变换UPS代替在线互动式UPS，它能够抵抗来自电网的高压、浪涌、尖峰等侵害，时刻输出稳定电源，保护用电负载。在计算UPS容量时，我们要计算所需要保护的设备功率总和W=W1+W2+……+WN，通过设备总功率W/功率因素cosφ得出满足设备负荷的UPS容量。在设计UPS容量时，一般计算负载功率占到UPS功率的30% ～70%之间，这样既可以满足UPS性能最优，又满足30%预留扩充容量，以备系统升级时使用。UPS电源的电池组后备时间应满足设计负荷工作30min以上，电池组延时时间计算：W*0.5h/U得出单节电池容量C，U/U1得出所用电池数量N，（U为UPS输出电压最小值，U1为单节电池电压值），计算出电池组满足负荷要求的后备时间需要的电池数量。

UPS电源系统作为无线发射台供配电系统至关重要的组成部分，也设计了旁路直通应急功能，如图3所示，它包括两组电源进线，一路作为主路电源，另一路电源作为旁路电源。正常运行时，主路电源经过QF1整流逆变输出到QF4，再次输送给用电负载，需要检修时，就断开QF1合上QF3，如果UPS有故障不能使用，启动应急预案手册，合上QF2断开QF4，使电源不经过UPS电源直接输送到用电负载。

图3 UPS电源系统图

5. 防雷接地保护

无线发射台通常建设在高山之山，很容易遭受雷击，防雷接地设计是否合理，对无线发射台安全运行以及值班人员生命安全都具有重大影响。分析无线发射台遭受雷击的历史事件，发现多数事件是防雷接地设计不合理导致。要想做好防雷接地工作，必须从室内和室外全方位考虑。

室外防雷部分主要包括高压输电线路、变压器和发射塔等，高压母线进出线路和变压器高/低压两侧安装避雷器。根据避雷器的额定电压、负荷电流、保护雷电等级、额定放电电流和响应时间等参数设计。由于发射塔自身结构特殊，本身就是一个引雷装置，雷雨天气很容易遭到直击雷，而且在它们的四周会产生感应雷，感应雷对无线发射台危害非常严重，它会造成输电线路过电压，损坏变压器和其他配电设备，还可能通过电磁干扰影响发射转播设备中的电路板短路或其他故障。无线发射台防雷接地未改造前，信号发射塔接地、建筑物接地、高压变压器接地都是单独接地。这种防雷接地方式防护范围受到限制，也不能有效地降低局部接地不良引起的危险，经常会发生部分发射机和信源设备被雷击烧坏。通过后期整改，把信号发射塔接地、建筑物接地、高压变压器接地用镀锌扁钢相互连接，形成一个联合的主接地网。无线发射台主接地网设计采用水平及垂直接地极联合布置外加2个接地深井辅助接地型式，水平接地极选用4*40镀锌接地扁钢及等电位接地铜网，垂直接地极选用2.5mL5镀锌接地角钢，主接地网敷设深度为0.8m，接地深井深25m。做到联合接地体的接地电阻值小于4Ω，来防止雷击对发射台设备带来的危害。

室内低压线路防雷设计，用电磁屏蔽、等电位连接和装设电涌保护器（SPD）等措施来防止感应雷的危害。避雷器导线要求低阻率、导电性能和防腐能力良好的电力专用导线或裸导线；导线铺设要求水平铺设，减少弯角和直角，保证导线尽可能短，与其他线路分开铺设；室内用电设备必须严格接地，每台设备必须独立连接接地网，禁止几台设备串联接地，接母线与主接地极连接要求焊接或者弹簧垫、螺帽紧固连接，从而保证接地可靠连接；等电位连接选择总等电位连接(MEB)方式，将PE干线、电气装置的接地干线、建筑物内各种金属管道和构件全部连接起来，并与接地装置连接形成等电位，保证室内接地电阻小于1Ω。

6. 结束语

本文主要讨论了无线发射台供配电系统的优化配置，包括外部市电高压供电系统改进、低压配电系统优化、UPS电源系统设计、防雷接地保护等内容。并把这种供配电配置特点应用到无线发射台中，经过一段时间的验证，供配电可靠性得到了明显提升，无线发射台稳定运行，从而保证广播电视信号安全播出，让党的声音传送到千家万户。