電壓中斷與電壓暫降的成因其及防治

陳眾勵 許維勝

（同濟大學 上海 10044）

1 引言

民用建筑和一般工業(yè)建筑中，用戶系統(tǒng)與設(shè)備的運行穩(wěn)定性問題，經(jīng)常是由終端配電系統(tǒng)電壓異常造成的。常見的電壓異常包括電壓中斷、暫降、驟升、波動等暫態(tài)或短時現(xiàn)象，鑒于電壓暫降和電壓中斷給用戶造成的損失遠較其他原因嚴重，故本文集中討論電壓中斷與電壓暫降問題。

2 電壓中斷和電壓暫降的形成機理

電壓中斷（voltage interruption）是指供電系統(tǒng)中某連接點電壓有效值從額定電壓驟降至額定電壓的0.1倍（即0.1p.u.）以下，隨后又在0.5至3個周波內(nèi)恢復至額定電壓的短暫失壓現(xiàn)象。電壓中斷的持續(xù)時間是其主要評價指標。在城市終端電網(wǎng)中，電壓中斷通常由輸配電網(wǎng)絡自動重合閘動作、配電系統(tǒng)中常用電源與備用電源之間的轉(zhuǎn)換等操作引起，其持續(xù)時間取決于上述過度過程的長短。

電壓暫降（voltage sags或voltage dips）是指供電系統(tǒng)中某連接點電壓有效值快速下降到0.1～0.9（即0.1～0.9p.u.）倍額定電壓，隨后又在短時間內(nèi)恢復到額定值的現(xiàn)象。電壓暫降的深度（depth of voltage dip）和持續(xù)時間（duration of voltage dip）是其主要評價指標。

在低壓電網(wǎng)中，電壓暫降形成原因錯綜復雜，且深度和持續(xù)時間各不相同。一般而言，當電網(wǎng)中發(fā)生短路、雷擊或大功率設(shè)備啟動等事件時，均可引發(fā)電壓暫降。當供電線路發(fā)生金屬性短路時，或當系統(tǒng)遭受雷擊使避雷器動作的瞬間，其下游及同母線的相鄰線路均將出現(xiàn)電壓暫降現(xiàn)象。一旦故障排除，則同母線的相鄰線路電壓迅即恢復（注意，自身線路可能持續(xù)斷電，也可能迅速恢復電壓，取決于故障類型），電壓暫降并告結(jié)束。因此故障持續(xù)時間通常與電壓暫降持續(xù)時間相同。圖1顯示了某公司IGBT整流單元短路，電流短期上升（約100ms）引起的10kV母線相電壓暫降事件文獻[1]中，電壓與電流的變化情況（Ub的單位為kV，Ib的單位為A）：

大功率設(shè)備啟動導致工作電流驟升，從而壓低母線電壓，也會使其相鄰線路出現(xiàn)電壓暫降現(xiàn)象，啟動過程一旦完成，其相鄰線路的電壓暫降隨即結(jié)束，但此類電壓暫降的深度較淺、電壓恢復時間相對較長、上升陡度較小。

圖1 A相電壓與電流波形

（說明：電流由100A左右上升到1046A，電壓由5.58kV下降到5.00kV，電壓暫降深度0.104p.u.，持續(xù)時間110ms。）

3 電壓暫降和電壓中斷的危害

電壓中斷和電壓暫降現(xiàn)象對工業(yè)和民用建筑的影響是廣泛的。

電壓中斷對工業(yè)與民用建筑的影響是顯而易見的。由于金鹵燈等燈具的工作特性，電壓中斷將導致體育場館比賽照明系統(tǒng)較長時間內(nèi)無法恢復工作，故可能導致比賽中斷。普通民用建筑中由BAS監(jiān)控的設(shè)備也可能因電壓中斷使得照明燈具等被控設(shè)備在電壓恢復后仍然無法自動恢復工作。

工業(yè)和民用建筑中常用的電氣設(shè)備，如變頻器、PLC控制器、DDC控制器、接觸器、繼電器等器件對電壓暫降都相當敏感。當電壓下降到其門檻值以下、且持續(xù)時間超過1個周波時，就將導致其運行故障。上海某特大型IT制造企業(yè)的資料顯示，電壓暫降事件導致其生產(chǎn)線的晶圓破皮報廢，生產(chǎn)流水線重啟則可能需要數(shù)天時間，企業(yè)每年需承受數(shù)十萬元甚至數(shù)百萬元的經(jīng)濟損失。我國某科研機構(gòu)每年應電壓暫降導致的電子加速器故障多達十余起，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示其電壓凹陷深度可達80%（電壓僅為0.2pu），由于電壓暫降導致接觸器、繼電器意外脫扣，從而導致其大型同步輻射裝置停運的事故屢有發(fā)生，其對科研活動造成的影響非常嚴重。此外，電壓暫降對機場行李分揀系統(tǒng)、物流集散中心貨物分揀系統(tǒng)等設(shè)施的影響也不容忽視。

4 電壓中斷和電壓暫降的防治方法與措施

我國的在編國家標準文獻[2]規(guī)定：

“當供配電系統(tǒng)中存在對電壓中斷、電壓暫降等電壓異常現(xiàn)象敏感的重要負載時，宜在相關(guān)供電回路或設(shè)備端設(shè)置電壓自動補償裝置。”

一般而言，電壓中斷宜采用不間斷電源裝置（UPS）或EPS加以克服，其技術(shù)、產(chǎn)品及應用方法都比較成熟。

用于解決電壓暫降問題的電壓自動補償裝置主要有機械儲能型電壓自動補償裝置（DUPS）、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器（DVR）和靜止無功發(fā)生器（SVG）等類型，其工作原理簡述如下：

機械儲能型電壓自動補償裝置主要由高速飛輪、軸承支承系統(tǒng)、電動/發(fā)電機、功率電子變換器、電子控制設(shè)備以及附加設(shè)備等部分組成，是常用的機械儲能裝置之一。其基本工作原理是由電能驅(qū)動大質(zhì)量飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機械動能加以儲存，當需要電能時飛輪驅(qū)動發(fā)電機運行，將飛輪的動能轉(zhuǎn)換成電能，實現(xiàn)機電能量的轉(zhuǎn)換與回饋，其工作原理[1]如圖（2）所示。

圖2 機械儲能型電壓自動補償裝置原理圖F—飛輪儲能系統(tǒng) M/G—電動機/發(fā)電機 E—柴油機（選項）

機械儲能型電壓自動補償裝置具有大儲能、高效率、無污染、長壽命的特點，在電網(wǎng)調(diào)峰、不間斷電源、分布式供電等諸多領(lǐng)域也具有應用前景。其缺點是價格高、維修成本高。

動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器(DVR)主要由變壓器、換流器和儲能裝置組成，變壓器串接在供電線路上向敏感負荷供電。其補償功能是雙向的，既能提升已下跌的電壓，也能降低過高的電壓，其響應時間只需幾個毫秒。當電源側(cè)電壓不符合敏感負荷要求時，DVR通過串接的注入變壓器向饋線注入合理幅值、相角和頻率的電壓，來校正負荷側(cè)的電壓暫降。

靜止無功發(fā)生器（SVG）是一種快速響應的固態(tài)電力控制器，它是一個交流同期電壓源，通過一個聯(lián)絡電抗與配電系統(tǒng)相連，并能用改變電壓源的幅值和相角的方法與配電系統(tǒng)交換無功功率和有功功率，并通過SVG和配電線路之間的聯(lián)絡電抗來控制電流。這樣就可調(diào)節(jié)無功電流和抑制電壓突變。

工程設(shè)計中，應根據(jù)預計補償功率（缺口功率）、電壓暫降的可能持續(xù)時間等因素合理選擇電壓自動補償裝置。一般而言，當重要負載對電壓暫降敏感，且總補償功率大于200kW時，可采用機械儲能型電壓自動補償裝置；當重要負載功率較小，且對電壓暫降和電壓突升敏感時，可采用動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器（DVR）等串接型電壓自動補償裝置；當重要負載對過電壓和欠電壓較為敏感時，可采用靜止無功發(fā)生器（SVG）等并聯(lián)型電壓自動補償裝置。

必須注意的是，機械儲能型電壓自動補償裝置不得用于有過電壓和欠電壓雙向補償要求的場所。

5 結(jié)論

近年來，電壓中斷和電壓暫降問題已逐漸引起工程設(shè)計人員重視，相關(guān)計算分析方法的研究已經(jīng)取得明顯進展，防治技術(shù)與產(chǎn)品也逐漸成熟，但某些原因（如，雷擊）所致的電壓暫降計算與分析仍然十分困難，有必要持續(xù)研究以期突破。

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