廣播電視無線發射臺供配電系統的優化配置

廣西廣播電視技術中心桂林分中心：陶子群

近年來無線發射臺停播事故頻發，從停播事故的報告中了解到，較多事故跟供配電系統有關。為減少無線發射臺站故障，保證節目持續穩定播放，應積極提高供配電系統設計質量，提高供配電穩定性[1]。如何優化配置提高無線發射臺的供配電系統可靠性，以確保無線廣播電視的安全播出，成為無線發射臺設計者面臨的重點課題。本文認真分析了無線發射臺供配電系統傳統配置存在的問題，并結合供配電技術涉及的新技術、新標準、新理念，對無線發射臺供配電系統配置的科學性與合理性進行論述。

1. 當今供配電系統現狀概述

隨著廣播電視無線發射和覆蓋網絡容量的增加，自動化智能化設備的應用，設備的數量、傳輸的發射功率和用電要求也逐步在提高。建設改造一套穩定安全可靠高質量的供配電系統，對于廣播電視安全播出保障工作尤為重要[2]。根據《廣播電視播出管理規定》中對無線發射臺運行要求提高，推動了無線發射臺標準化改造工作，分析當前供配電系統存在的一些問題：①只有一路外部市電電源供電，當這路外部市電供電線路故障時，只能依靠無線發射臺內部柴油機組發電或UPS電源供電，沒有設計“一主一備”；②設計人員僅參考電力設計規范和施工手冊，未結合無線發射臺的實際情況，設計的供配電方案不適用；③設備迭代升級與數量增加，供配電系統滿足不了用電設備負荷需求，長期超負荷運行，會造成電氣元件加速老化和性能不穩定，容易發生線路短路引發火災。

2. 高壓供電系統改進

高壓10kV配電是電力系統中的一個重要樞紐，合理的供電線路不僅能更好地保障人們的用電需求，而且還能極大地提高供配電系統的穩定運行。供配電設計需滿足使用期間負荷需求，基于行業設計標準化設計，科學選擇設備、線纜型號，合理選擇配電室、變電站設備[3]。本文以安全播出保障等級為二級的無線發射臺供配電系統配置方式進行探討，如圖1所示，未標準化改造前只有A路10kV外部市電電源供電，在雨、雪、大風等惡劣天氣時，會頻發高壓線路故障停電，影響無線發射臺的正常運行。所以后期更改高壓供電方案，從鄰縣B的變電站牽引一路10kV外部市電作為備用電源。A路設計為主路，以架空電源進線方式，選用鋼芯鋁絞線電纜；B路為備路，以電纜進線方式，選用帶有鎧裝電纜。這樣“一主一備”的雙路高壓電源供電設計，當主路供電電源故障停電時，備路供電電源馬上投切使用，不會造成高壓停電現象，也為計劃停電檢修高壓線路提供便利。

同時，為了提高電網的功率因數，盡量做到無功分層分區就地平衡，在外部市電A路電源上增設高壓開關柜和電容補償柜，高壓柜選用KYN28-12型金屬鎧裝移開式開關柜，斷路器選用額定電流為630A，額定開斷電流為25 KA真空開關。根據分層分區無功平衡結果，結合調相、調壓計算，補償容量按主變容量的15.8%配置。選擇配置無功補償裝置1組1000kvar電容器組。容量配置符合Q/GDW 212-2008《國家電網公司電力系統無功補償配置技術原則》中規定容性無功補償容量按主變容量的15%～25%范圍內選擇的配置要求。10kV電容器組采用框架式電容器，單星形接線，電纜進線。由進線隔離開關（電容器側帶接地刀）、干式空芯串聯電抗器、避雷器、放電線圈、框架式并聯電容器及連接導體等組成。

高壓變壓器也是高壓供電系統的重要組成部分，我們要正確計算無線發射臺的總負載，合理選擇變壓器容量，因為變壓器容量選擇跟經濟運行和降低電能損耗密切相關。如果設計容量過大，會造成“大馬拉小車”，設備成本投入過高，變壓器輕載，使得無功損耗增加，功率因素降低，線損增加的危害；如果設計容量較小，會造成變壓器超負荷運行，長期超負荷運行，會導致變壓器電氣絕緣性能下降，嚴重可能會燒壞變壓器。

3. 低壓配電系統優化

低壓配電系統在電力系統運行中起到了重要保護作用，其主要是對電流的控制和保護，及時排除電力故障，保證電力穩定供應。如圖2所示，從低壓配電柜到的雙外電切換控制柜，其內部配置一款微機線路保護裝置，代替常規繼電器的切換，它可以精準實現兩路外電在主路斷電情況下，自動投切備路外正常供電。避免常規繼電器誤動作或未動作情況，微機線路保護裝置相對常規繼電器而言，它擁有遠程操控、事件記錄、精準控制等的優良性能，提升了供配電的自動化程度。

圖2 低壓配電圖

低壓配電系統設計也要遵循“一主一備”思路，當主路電源出現故障時，可以立即切換備路電源。如設計兩組0.4kV低壓柴油發電機組通過ATS自動切換，進行主備柴油機組的自動切換，柴油機組發電和市電也設計ATS自動切換，其中主路電源有問題，立即自動切換到備路電源。這樣的設計方案既可縮短倒換電時間，也避免了因人為倒換錯誤，或人工帶負載切換出現電弧現象。同時，低壓配電關鍵部分設計“旁路直通”應急功能，如隔離變壓器、穩壓柜和外電/發電機ATS控制柜有故障，及時閉合直通開關。采取旁路直通應急供電方案。如果ATS控制柜沒有旁路直通開關應急功能，在ATS柜出現問題時，就沒有電源輸出提供給后端負載供電，會造成相對較長時間的停播事故，即使ATS柜配備有切換功能，因其ATS柜切換操作規程有一定程度的復雜性，并且各種型號的ATS開關操作起來也不完全一樣，倒切換需要的時間會根據值班員熟悉情況，需要時間長短也不一致，從而造成一定時間的停播，更嚴重的情況是如果到ATS柜出問題時，值班員匆匆忙忙去找電纜線并接線。由于電力電纜線粗且很硬，值班員即使立馬接線應急處理都會需要一定時間，這樣做或多或少都會造成一定時間的停播。

系統布置科學合理，不僅有利于系統設備及線路的安裝維修，而且避免了設備之間的相互干擾，可降低線路出現串聯和短路事故的概率[4]。無線發射臺未標準化改造前，設備和線路布置都沒有制定標準。發射設備、信號源設備和監控設備之間交叉擺放，動力電纜和信號電纜布置雜亂，交流/直流電纜交叉布置，電纜沒有制作標識，電纜電容量較小，過負荷運行，在轉彎處沒有控制好倒角，負載分配不平衡，電壓波動較大等問題，導致無線發射臺經常發生因設備通訊故障、線路燒焦、電路板燒壞等故障。在臺站搶修時，因線路無標識、布線雜亂無序、設備擺放無規則，使得搶修工作難度加大、耗時費力。經過無線發射臺站標準化改造，臺站運行一段時間，沒有再次出現類似問題?？偨Y經驗如下：①電纜溝轉彎處兩側溝壁均采用45度倒角并滿足電纜轉彎半徑要求；②各電纜頭尾要有標識，每隔10m應在電纜外皮加印不可擦除褪色的電纜編號；③電壓等級、類別不同的線路應分開布置；④電纜選型要匹配用電環境和滿足負荷要求；⑤合理分配三相負載，保持三相電壓平衡；⑥動力電纜與信號電纜分開布置，避免相互干擾，若無法避開交叉布置；可采用屏蔽層或隔離層進行電磁隔離；⑦相同主機/備機不能用同相電源供電，避免因電源問題，主機/備機工作受影響。

4. UPS電源系統設計

無線發射臺外部市電有時會出現供電中斷或相關供電質量問題，如供電質量方面，可能出現瞬態尖峰、頻率突變、帶有振鈴式瞬態干擾波、換相失真干擾。浪涌、塌波等[5]。為了解決這些問題，我們會在用電設備前端配置UPS電源系統，通過UPS電源提升電能質量，因為UPS電源有如下優點：①通過濾波和抑制電磁干擾來提高供電質量；②有效防止因輸入電壓波動，引起電壓不穩定，保證穩定電壓輸出；③隔離用電設備與電網之間的電氣關聯，避免設備受電網波動干擾，延長設備壽命；④當市電失電時，UPS電池做備用電源，使UPS后端負載保持正常工作，不受電壓變化導致用電設備損壞等功能，確保了供電電源穩定地輸出。

在選用全臺UPS電源時，我們從工作方式、容量、電池組后備時間等特性去配置UPS電源。了解后備式、在線互動式、在線雙變換UPS各自工作特點，我們選擇穩定度、瞬間響應能力較高的在線雙變換UPS代替在線互動式UPS，它能夠抵抗來自電網的高壓、浪涌、尖峰等侵害，時刻輸出穩定電源，保護用電負載。在計算UPS容量時，我們要計算所需要保護的設備功率總和W=W1+W2+……+WN，通過設備總功率W/功率因素cosφ得出滿足設備負荷的UPS容量。在設計UPS容量時，一般計算負載功率占到UPS功率的30% ～70%之間，這樣既可以滿足UPS性能最優，又滿足30%預留擴充容量，以備系統升級時使用。UPS電源的電池組后備時間應滿足設計負荷工作30min以上，電池組延時時間計算：W*0.5h/U得出單節電池容量C，U/U1得出所用電池數量N，（U為UPS輸出電壓最小值，U1為單節電池電壓值），計算出電池組滿足負荷要求的后備時間需要的電池數量。

UPS電源系統作為無線發射臺供配電系統至關重要的組成部分，也設計了旁路直通應急功能，如圖3所示，它包括兩組電源進線，一路作為主路電源，另一路電源作為旁路電源。正常運行時，主路電源經過QF1整流逆變輸出到QF4，再次輸送給用電負載，需要檢修時，就斷開QF1合上QF3，如果UPS有故障不能使用，啟動應急預案手冊，合上QF2斷開QF4，使電源不經過UPS電源直接輸送到用電負載。

圖3 UPS電源系統圖

5. 防雷接地保護

無線發射臺通常建設在高山之山，很容易遭受雷擊，防雷接地設計是否合理，對無線發射臺安全運行以及值班人員生命安全都具有重大影響。分析無線發射臺遭受雷擊的歷史事件，發現多數事件是防雷接地設計不合理導致。要想做好防雷接地工作，必須從室內和室外全方位考慮。

室外防雷部分主要包括高壓輸電線路、變壓器和發射塔等，高壓母線進出線路和變壓器高/低壓兩側安裝避雷器。根據避雷器的額定電壓、負荷電流、保護雷電等級、額定放電電流和響應時間等參數設計。由于發射塔自身結構特殊，本身就是一個引雷裝置，雷雨天氣很容易遭到直擊雷，而且在它們的四周會產生感應雷，感應雷對無線發射臺危害非常嚴重，它會造成輸電線路過電壓，損壞變壓器和其他配電設備，還可能通過電磁干擾影響發射轉播設備中的電路板短路或其他故障。無線發射臺防雷接地未改造前，信號發射塔接地、建筑物接地、高壓變壓器接地都是單獨接地。這種防雷接地方式防護范圍受到限制，也不能有效地降低局部接地不良引起的危險，經常會發生部分發射機和信源設備被雷擊燒壞。通過后期整改，把信號發射塔接地、建筑物接地、高壓變壓器接地用鍍鋅扁鋼相互連接，形成一個聯合的主接地網。無線發射臺主接地網設計采用水平及垂直接地極聯合布置外加2個接地深井輔助接地型式，水平接地極選用4*40鍍鋅接地扁鋼及等電位接地銅網，垂直接地極選用2.5mL5鍍鋅接地角鋼，主接地網敷設深度為0.8m，接地深井深25m。做到聯合接地體的接地電阻值小于4Ω，來防止雷擊對發射臺設備帶來的危害。

室內低壓線路防雷設計，用電磁屏蔽、等電位連接和裝設電涌保護器（SPD）等措施來防止感應雷的危害。避雷器導線要求低阻率、導電性能和防腐能力良好的電力專用導線或裸導線；導線鋪設要求水平鋪設，減少彎角和直角，保證導線盡可能短，與其他線路分開鋪設；室內用電設備必須嚴格接地，每臺設備必須獨立連接接地網，禁止幾臺設備串聯接地，接母線與主接地極連接要求焊接或者彈簧墊、螺帽緊固連接，從而保證接地可靠連接；等電位連接選擇總等電位連接(MEB)方式，將PE干線、電氣裝置的接地干線、建筑物內各種金屬管道和構件全部連接起來，并與接地裝置連接形成等電位，保證室內接地電阻小于1Ω。

6. 結束語

本文主要討論了無線發射臺供配電系統的優化配置，包括外部市電高壓供電系統改進、低壓配電系統優化、UPS電源系統設計、防雷接地保護等內容。并把這種供配電配置特點應用到無線發射臺中，經過一段時間的驗證，供配電可靠性得到了明顯提升，無線發射臺穩定運行，從而保證廣播電視信號安全播出，讓黨的聲音傳送到千家萬戶。