电压暂降及其抑制方法

[摘要]电压暂降是典型的暂态电能质量问题,越来越受到关注,文章介绍了电压暂降的概念、特征、识别,分析电压暂降产生的成因和对电网的不利影响,重点从供电侧解决电压暂降与暂时中断的措施、供电侧装设补偿设备、用户侧改善措施等方面较详细地讨论抑制方案;由于电压暂降等已经成为系统可靠性分析和电能质量研究的重要内容,制定相关国家标准迫在眉捷。

[关键词]电压暂降　电压中断　DVE　电能质量

0　引言

电能质量问题的抑制与治理已经成为电网环保、节能降耗的重要内容之一,不同种类的用户受电能质量问题的影响是不同的。对于工业用户,随着电力电子技术的深入发展与应用,配电网中用电设备对系统干扰更加敏感,对电能质量提出了高可靠性、高可控性的要求,电压暂降和暂时断电已经成为越来越受关注、影响越来越大的电能质量问题。因此,对其成因、特征、及其抑制的措施进行分析和研究,有助于暂态电能质量问题的及时有效的解决,对工程实际也具有重要的指导意义。

1　概念

电压暂降(Voltage dip or Sag),也称电压骤降、电压跌落、或电压下凹,是指在工频情况下电压或电流的有效值降低至0.1～0.9p.u,且持续时间在0.5个周波到1s,通常不会超过1min。电压中断(Voltage Interruptions)则被称为电压暂降的极端延续或特例,也称暂时断电,即供电电压低至0.1p.u.以下且持续时间不超过1min。

电压暂降,在工程中通常用三个特征量来描述:暂降幅度(Sag Magnitude)、持续时间(Duration Time)、相位移动(Pbase variation)。电压暂降按持续时间可以分为瞬时、暂时即短时。一般地,电压暂降幅度深,持续时间较短;或幅度浅,持续时间较长;而相位移动则很少发生。

2　原因及识别

导致电压暂降的原因复杂,有自然因素,也有人为因素,有供电系统保护的因素,也有设备原因等;易发生电压暂降与暂时断电的典型场合有:系统故障、雷击闪电、重合闸、启动重负荷或大容量的电动机、控制误动等,电压暂降也时常发展成暂时断电,如变电站的重合闸等。

故障点位置是决定用户受扰动严重程度的首要因素。不同的故障点对于一个特定的用户具有不同的影响,在连接用户的主线上发生故障会造成用户断电,如果故障是永久性的,那么用户就会长时断电;如果故障是暂时性的,保护装置会成功重合闸并恢复供电,那么用户将暂时断电。与用户同主线的支线上发生故障会造成一次电压暂降,相邻馈线上的故障会导致电压暂降,其持续时间决定与保护装置的故障清除时间,而电压暂降的幅度取决于用户距故障点的距离以及最大短路电流值。

某一个点产生电压暂降(发生源),电压暂降会变幅度、变时间地在电网中传播,最远的传输距离可以达100～200km,离发生源越近,受影响越大。随着同一地区内,企业密集度的增大和企业内部各种电气设备容量的增大,企业间的电压暂降影响也呈现增大的趋势。

一般应用中,识别电压暂降等电能质量问题的方法有:

对于工业和商业用户,可以查验是否所有计算机都停止工作。如果所有计算机都停止工作,说明是暂时断电;而如果仅仅是部分计算机停止工作,则表明是电压暂降。

查验是否只是灯光闪烁,有没有计算机或其他电子设备重启动或复位。如果只是灯光闪烁,问题很可能是由某种波动性负载引起的电压闪变。

如果保护装置的动作数据被保存着,那么对装在用户供电线路上的保护装置的动作次数进行分析,就能够揭示用户遇到的暂时断电或电压暂降是否是由邻近馈线故障引起的。

查验同一条线路上的其他用户是否也遇到问题。如果是,那么问题很可能是由于暂时断电引起的,而不是用户对电压暂降特别敏感所造成的。暂时断电影响大多数末端用户,而电压暂降仅仅影响对此比较敏感的末端用户。

3　相关标准

电压暂降问题日益突出和复杂,已经引起各国广泛关注,IEEE和IEC已经制定了电压暂降相关国际标准:IEEE Std 1159-1995和IEC 61000-2-8(2002-11),为电压暂降的标准化治理提供了依据。目前,我国还没有制定该项国家标准。

IEC标准深入于电能质量电磁干扰角度,并根据电磁干扰现象,对电能质量产生的影响因素进行归类,并明确电压暂降和中断是由传导型低频现象所致。IEEE则是根据电压扰动的频谱特征、持续时间、幅值变化等,对供电系统典型的电磁干扰现象进行了特征分类,分成瞬时暂降、瞬时上升;暂时中断、暂时暂降;暂时上升、短时中断;短时暂降、短时上升8种情况,对其典型持续时间和典型电压幅值进行了详细的划分,这为准确区分电压暂态现象提供了依据。

4　影响与危害

包括工业企业在内广泛应用的绝大部分的电力电子设备对暂态电压质量扰动非常敏感,电压暂降和电压中断都会引起这些设备不能正常工作,给用户带来较大的经济损失。在现代化的工业生产中,一旦发生电压暂降和电压中断,整套设备或生产线都会因为电力电子设备的敏感度,而受到牵连和影响,造成设备停机、设备损坏,导致产品报废,而影响更大的是重新启动达到生产所需的条件需要较长的时间。

据某钢铁厂统计,2006年因发生电压暂降而大面积影响生产的事故有18起,每起事故都造成百万元的经济损失,每年直接经济损失达2000万元以上。

由于各种电力电子设备对电压暂降和电压中断的敏感度不尽相同,电压暂降和电压中断对不同工业用户的影响是不同的。

对于配电网的调速电机,当电压低于70%,持续时间超过6个周波时,电机将被迫切除,而对于一些精细加工中的电机,当电压低于90%,持续时间超过3个周波时,电机就会被跳闸而退出运行;

对于交流接触器,当电压低于50%,持续时间超过1个周波,接触器就会脱扣;

对于计算机,当电压低于60%。持续时间超过240ms时,计算机工作将受到影响,如数据丢失等;

对于PLC,当电压低于81%时,PLC停止工作;一些I/O设备,当电压低于90%,持续时间仅几个周波,就会被切除。

5　解决方案

5.1供电侧解决暂时断电的措施

可以采用多种办法来减少暂时断电:

(1)快速重合闸;

(2)使用熔断器作速断保护模式;

(3)与下游的时序配合;

(4)减少故障;

(5)单相重合器。

减少故障数目是提供电能质量的一种通用方法,减少短路故障数目不仅可减少电压暂降的发生,也可减少供电中断事故。可见,减少短路故障数目是提高供电质量最显而易见的方法。然而,实施起来并非容易,增加投资与运行维护量是其主要缺点。

减少短路故障主要在于:

一是减少架空线入地。大部分短路故障是由恶劣的 天气或其他外部影响造成的,而地下电缆线路受外界因素的影响就小得多,其故障率比架空线少一个数量级。因而,采用电缆线路送电,能大大减少电压暂降和供电中断的概率。

二是增加绝缘水平。绝缘水平的提高可有效减少短路故障的发生。应当注意到,许多短路的发生是由于过电压或绝缘老化造成的。

其他方法则是针对特定的扰动,对于暂时断电,最有效的单一改进措施是采用熔断器作速断保护模式,而不采用熔断器做后备保护模式。其他减少暂时断电的方法则需要更好地利用保护装置。将线路分割成更小段的额外的保护装置有利于改善暂时断电(和长时断电)。改进装置间的相互配合,例如采用时序配合使多个重合器更加协调,有助于消除某些故障。单相重合闸比三相重合闸或断路器更有助于减少单相对地短路故障所影响的相数。

5.2供电侧解决电压暂降的措施

供电侧减少电压暂降的措施有限,但对此有帮助的控制策略和设备主要有:

(1)采用熔断器作后备保护模式;

(2)限流式熔断器;

(3)更细小的支线熔断器;

(4)更快的断路器或重合器;

(5)提高标称电压;

(6)减少故障次数。

更快的继电保护或故障清除:任何对保护方案的改进使得故障清除更快,都有利于缩短电压暂降的持续时间。提高标称电压有利于提高多种设备的穿越能力。如果电压被调节在标准A范围的上端,或者至少避免在下端,则计算机、变速传动装置将从中受益。在供电侧,提高标称电压的方法可以使用变压器分接头调节、调压器或投切电容器等。

缩短故障清除时间虽然不能减少电压暂降发生的次数,但却能明显地减少电压暂降的幅度及持续时间。缩短故障清除时间最有效的措施是应用有限流作用的熔断器。这种熔断器能够在半个周期内清除故障,使得电压暂降的持续时间很少超过1个周波。因为限流式熔断器使故障电流减少并强制形成提早的过零点。在这一过程中,熔断器减少了故障电流的幅值并缩短了故障的持续时间。这种类型的结果已被相关实测数据和计算机模拟所证实。变电站附近是采用限流式熔断器的最佳场所,可以有效地减小电压暂降的幅度和持续时间,并限制由于大故障电流造成的设备损坏。

固态切换开关可实现同步切换,即能保证负荷残压与备用电源电压相位的一致性,这一点对于电动机类负荷非常重要,可避免因电动机剩磁而造成的过电流。此外,还可以用反时延过电流继电器来缩短故障清除时间,因为与时间成反比的过电流继电器的延时是随故障电流的不断增加而减少的。

5.3供电侧装设相关设备

5.3.1快速转接开关

中压静止转接开关是供电侧提高电能质量并减小电压暂降和暂时断电影响的有效措施。晶闸管可以达到在半个周波内实现两电源之间的转接。这种转接可以设置成首选、备选结构或分裂母线结构。静止转接开关通常使用在高压侧,为敏感用户服务,开关动作后,可以切换回原来的馈线或者不切回。

使用这种开关时必须考虑对配电系统的影响。在线路的两个薄弱点之间切换一个大容量的负载可能会引起电压变动。与其他电压调节设备之间的相互作用也需要研究,包括试图动态校正电压的定制电力设备。

5.3.2定制电力设备

除了静止转接开关,中压电力电子技术为在供电侧解决电能质量问题提供了多种方案:串联注入装置、静止调节器、并联装置和采用不同能量存储方式的中压不停电电源(UPS)等。这些基于电力电子技术的解决方案被称作“定制电力”。采取供电侧解决方案的优点在于集中解决整个设施的问题。定制电力装置对电压暂降提供支持,并对单相电压暂降较容易得到校正,因为装置可以从非故障相获取能量。而对于暂时断电,则必须采用某种形式的储能设备,例如超级电容器、飞轮或超导线圈等。

动态电压调节器(DVR)是最适合于校正电压暂降的典型装置。在电压暂降过程中,DVR通过串接在线路中的变压器来补偿缺失的电压。DVR可以校正任何降幅小于50%的电压暂降,而附加的储能设备可以进一步扩大校正范围。以下是DVR的基本机理。

DVR是串联在线路上的,DVR通过串联变压器在馈线上以电压叠加的方式注入配电系统,用于消除系统对负荷侧的不利影响。DVR使用低耗的IGBT或IGCT等固态可关断器件,其示意图见图1。

当系统电压出现突然下降(或上升)时,DVR能快速反应,通过串联变压器向系统注入3个与系统同频的单向交流电压分量,其幅值为正常电压与故障电压之差。通过控制注入电压分量的幅值和相位来实现DVR与系统间的有功、无功双向交换,并将其控制在预设的范围之内,其响应速度可在几毫秒之内。根据电压相位的不同,DVR控制分为同相电压补偿控制和最小能量补偿控制。而且,DVR与配电系统间的无功交换是在DVR内部发生的,无需交流无功装置,如电抗器、电容器等。与DVR交流侧所交换的有功功率必须在其直流侧配备外部电源或储能装置。

决定DVR成本的是补偿电压最大值和负荷电流值。根据统计,在最大补偿值为正常电压的30%时(即DVR的额定容量是负荷功率的30%),大约可消除95%以上的扰动事件。由于出现电压暂降时,相电压的相位也会出现很大的变化,这给补偿参考信号的检测、计算造成了困难。因此,快速可靠的补偿电压参考信号检测技术是DVR的关键。

另外一种较常用的定制电力设备就是固态断路器(SSCB),它充分利用了晶闸管动作速度快和无触点的特点,实现组合开关的快速无电弧投切,因此可有效抑制电压暂降和故障电流带来的一系列危险后果。在稳态导通过程中,它又充分利用了电气触点接触电阻小的优点,不仅提高了效率,而且省去了复杂的散热装置。用GTO、IGBT或IGCT元件的SSCB清除大的故障电流是不经济的,所以,SSCB在配电系统中的配置需要与常规的机械断路器配合使用,以节约投资。如图2所示。

另外,用于双回线路切换的固态电子转换开关(SSTS),克服传统的机械开关反应慢的弊端,可用来保证对重要用户的可靠供电。

5.4用户侧的解决措施

在用户侧解决电能质量问题的最好地方往往是设施内,包括防暂降逆变器、恒压变压器、动态串联补偿、线圈维持装置等。

6　结语

随着企业用户对电能质量的要求不断提高,电压暂降、暂时断电等电能质量问题已经越来越受到关注,电压暂降及其相关暂态电能质量问题是新技术研究,至今还没有一个相关的国家专业标准,无论是从设备的抗干扰能力,电磁兼容还是干扰测量方面来看都是如此,它的测量统计方法与可靠性指标也处于研究阶段,应该加速其相关电能质量国家标准的制定,为暂态电能质量的广泛与深入研究提供指导,并为工业企业配电网电能质量的持续改进创造条件。

7　参考文献

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