電壓暫降對航天發射任務的影響及治理方案

李志鵬，孫俊德，李龍剛，蔣秉政

(北京特種工程設計研究院，北京100028)

1 引言

供配電系統作為航天發射場的動力樞紐，負責為場區航天器、火箭和地面設備在測試發射期間提供穩定、可靠的電力來源。 為提升供配電系統的可靠性，中國各航天發射場均按一級負荷[1]設計。

只有供配電系統安全穩定運行，才能確保發射任務順利實施，尤其是在火箭轉運至發射工位后，電能質量的優劣甚至直接決定發射任務的成敗。 在衡量電能質量的眾多指標中，電壓暫降[2-3]是一種無法避免的現象，它主要由外電網故障引發[4]。 而目前中國各航天發射場普遍依靠市電作為主供電源， 因此均面臨不同程度的電壓暫降風險。 迄今為止，各航天發射場已發生多次電壓暫降事件，曾造成電壓敏感設備供電中斷，甚至影響到發射流程。

本文對航天發射場關鍵設備(簡稱關鍵設備，主要指火箭轉運至發射工位后的關鍵用電設備)的負載特性進行分析，得出各設備的電壓暫降敏感性，定性評估電壓暫降對發射流程的影響，提出電壓暫降的治理措施以及不同層級的解決方案。

2 電壓暫降的影響分析

中國各航天發射場市政電源均采用2 路35 kV及以上電壓等級的線路引入，場區內一次配電經中心變電站降壓后采用10 kV 線路配出，末端集中設置10/0.4 kV 變電所向設備供電。 除市電以外，各發射場基本都設置自備電站。 受自備電站容量、覆蓋范圍以及能源供應等因素限制，發射任務期間，各發射場普遍以市電作為主供電源，這種供電模式決定了電壓暫降會直接作用于關鍵設備的電源輸入端。

2.1 關鍵設備負載特性分析

關鍵設備主要包括：發射場測控系統、通信系統、整流罩空調、發射塔平臺油泵電機、發射塔擺桿油泵電機、伺服機構等。 其中測控系統、通信系統等特別重要設備均采用UPS 供電，具有較高的可靠性。 其余設備的用電特性與保障措施有以下特點：①負載側均為電動機類負載；②電源側均采用雙電源經自動轉換開關電器(Automatic Transfer Switching Equipment，ATSE)供電，遠端由柴油機做備用電源，只有擺桿、伺服機構等中小容量設備增設UPS 作為應急電源；③驅動方式分為直接控制(接觸器控制)、軟啟動(軟啟動器＋接觸器)、變頻控制(變頻器)。

2.2 關鍵設備電壓暫降敏感性分析

測控系統、通信系統均采用UPS 供電，可以避開電壓暫降影響。 其余未采用UPS 供電的電機類關鍵設備，由于負載側機械慣性的存在，電壓暫降不會直接導致電動機停止運行。 電源側雖然都采用ATSE，但轉換延遲較大(通常不小于100 ms)，況且有可能出現2 路電源同時發生電壓暫降的情況[5-6]，即無法通過ATSE 自動切換讓負載不受電壓暫降的影響。 因此，關鍵設備受電壓暫降影響的大小直接取決于其驅動單元(接觸器、軟啟動器、變頻器)的電壓暫降敏感性。

1)接觸器電壓暫降敏感性：常規接觸器控制線圈釋放電壓約為0.75 p.u.，釋放延時為3 ～200 ms。 當接觸器閉合，主回路接通時，電壓暫降會造成接觸器操作線圈電壓過低甚至短時斷電[7-8]，導致線圈對鐵心的吸力小于釋放彈簧的彈力，進而使接觸器釋放，造成主回路斷電。

2)軟啟動器電壓暫降敏感性：軟啟動器主要在電動機的啟動階段工作，基本原理是通過控制輸出電壓的斜坡上升，實現電動機的平滑啟動，減少沖擊。 這種工作特性決定了軟啟動器具有較寬的輸入電壓范圍，額定工作電壓范圍一般為230～415 V。 但是，當電壓暫降的殘余電壓低于工作電壓范圍下限的85%時，也會觸發軟啟動器的欠壓保護，導致停機。

3)變頻器電壓暫降敏感性：變頻器由整流器和逆變器2 部分組成。 變頻器欠電壓主要指其中間直流回路低電壓，即逆變器輸入電壓過低。 一般的變頻器都具有欠壓保護功能，欠電壓保護設定值一般為0.85 p.u.。 變頻器一旦遇到較為嚴重的電壓暫降，會立即觸發欠壓保護機制[9]，控制電路將短時間內(＜20 ms)停止向驅動電路輸出信號，使驅動電路和逆變器停止工作，電動機將失去動力，進入自由制動狀態。

2.3 發射流程電壓暫降風險分析

接觸器、軟啟動器、變頻器均屬于電壓敏感類設備，極有可能受電壓暫降影響而停機，但各關鍵設備因其工作時序、工藝流程分工不同，停機后對發射流程的影響也不盡相同。 由表1 可見，除采用UPS 保障的測控系統、通信系統以外，其余電機類設備一旦遭受電壓暫降，會對發射流程產生較大影響，尤其是擺桿油泵電機、伺服機構、加注泵受電壓暫降干擾后，極易造成發射中斷甚至失敗。 因此，必須采取有效措施對發射場電壓暫降問題進行治理。

3 電壓暫降治理措施

3.1 改善電網結構和加強線路維護

電壓暫降主要由電網故障引發，可以通過改善電網結構和加強線路維護來降低電壓暫降的影響程度。 發射場外部電網和內部電網可以分別采取以下措施：

表1 發射流程電壓暫降風險分析Table 1 Risk analysis of voltage sag in launching process

1)外部電網盡量采用專線供電，降低其他用戶故障引發的電壓暫降概率；提高供電電源電壓等級，增大系統短路容量，降低電壓暫降嚴重程度；發射場盡量遠離高耗能大負荷企業，以增大兩者之間的電氣距離，減少大負荷沖擊對電壓暫降的影響。

2)內部電網加強對發射場內部線路尤其是中壓線路的保障力度；應定期進行預防性試驗檢查，采取架空線入地、架空線加外絕緣、增加維護和巡視的頻度等措施。

3.2 設備側儲能支撐技術

通過調節設備本身失壓保護的參數(例如變頻器可適當調寬失壓保護的閾值；接觸器的控制線圈可采用寬電壓線圈等)，可以一定程度地提高設備的電壓暫降抗擾能力。 但這種辦法只能躲過一部分電壓暫降，而且變頻器參數設置不合適有可能造成設備本身的損壞。 較為理想的辦法是在設備的核心環節增加儲能支撐技術，用以補償電壓暫降的影響，例如接觸器可以在控制回路中增加儲能模塊，變頻器可以在直流母線上增加直流電源支撐系統(DC-BANK)。

DC-BANK 由充電器、儲能單元、執行單元、檢測單元、執行單元和壓差控制器組成(圖1)。 其工作機理是通過改造變頻器直流回路，檢測到電壓暫降時，迅速導通執行單元，使儲能單元向變頻器直流側提供穩定的直流電源，保證變頻器輸出不變。 DC-BANK 的主要工作特點：①工作模式為后備式，不需要考慮承載電機啟動的沖擊電流，所需容量為1.1 倍電機容量；②與變頻器并聯，使變頻器有交、直流2 路冗余供電，且2 路相互隔離，避免相互影響；③可采用一拖多模式，幾臺變頻器共用一套DC-BANK 的直流母線；④需要變頻器開放內部直流電源接口才能實施。

圖1 直流電源支撐系統(DC-BANK)示意圖Fig.1 DC power supply support system(DC-BANK)

DC-BANK 已在中國石油化工企業中得到廣泛、深入應用，為變頻器電動機驅動系統的安全平穩運行提供了良好的保障，杜絕了因電壓暫降引起的跳機故障，取得了較好的技術經濟效果。 因涉及到對設備的內部改造、專業分工等問題，DCBANK 難以在中國各航天發射場推廣應用。

3.3 電源側電壓暫降治理措施

不同的電壓暫降治理措施具有不同的補償能力，胡安平等[10]對現階段電壓暫降治理措施以及設備進行了較全面分析，提出了電壓暫降治理設備的分類方法。 但對各類措施的工作特性以及對原系統的影響并未進行深入分析與比較。 本文主要關注3 種具有0～100%電壓暫降補償能力的治理設備，結合關鍵設備的負載特性對其主要工作特點進行剖析。

3.3.1 靜態UPS

靜態UPS 是由電力變流器、轉換開關、儲能裝置(如蓄電池)及控制系統等組成，在輸入電源故障時維持負載電力連續性的電源設備，應用較多的是在線式UPS(圖2)。 當電壓暫降超過UPS預定允差，UPS 進入儲能供電運行方式，通過逆變器不間斷向負載持續供電。

圖2 在線式靜態UPS 示意圖Fig.2 On-line static UPS

靜態UPS 的主要工作特點：①與負載串聯工作，且工作模式為在線式，自身過載能力差(1.5 In/1 min)。 與電動機類負載直接相連時，啟動瞬時較大的沖擊電流和過低的功率因數會導致UPS 要降容使用，易造成容量的浪費；②電機制動時回饋的能量可能使直流母線電壓過高，導致UPS 脫機保護，因而需要直流側容量足夠大以吸收多余能量。

靜態UPS 技術成熟，多年來在中國各航天發射場已廣泛應用，主要用于電子信息設備等非沖擊性負載的應急供電保障，效果良好。 但當UPS帶電機類關鍵負載時卻表現欠佳，例如，酒泉衛星發射中心曾出現UPS 直接驅動擺桿時，因啟動電流過大轉旁路；文昌航天發射場曾出現UPS 驅動伺服電源時，因參數耦合而出現輸出電壓低頻振蕩。

3.3.2 動態UPS

動態UPS 是由一個旋轉的同步電機對負載的供電質量進行補償調控的不間斷電源系統(圖3)，主要由儲能裝置(飛輪或蓄電池)、變流器、電動機/發電機、隔離耦合電抗器組成。 正常情況下，市電通過耦合電抗器濾波后直接向負載提供有功功率，同時驅動電動機-發電機(M/G)，通過變流器維持儲能裝置處于滿電狀態。 當電壓暫降幅度在50%以內時，動態UPS 將通過M/G提供無功補償，確保輸出電壓穩定。 當電壓暫降幅度超過50%或完全失電時，動態UPS 將自動斷開輸入斷路器，儲能單元通過驅動M/G 向負載提供不間斷電源。

圖3 動態UPS 示意圖Fig.3 Dynamic UPS

動態UPS 的主要工作特點：①M/G 是將電動機和發電機功能合二為一的高效同步電機，過載能力強，峰值耐受能力和短時耐受能力分別達到3 In/5 s、1.5 In/2 min，短路時耐受能力強且無需轉旁路；②不會產生諧波電流，可避免對市電造成諧波污染；③可以通過升壓變壓器接入中壓配電網。

動態UPS 占地面積小，節能降耗效果顯著，在全壽命成本方面有比較性優勢。 有鑒于此， 動態UPS 在美國、歐洲和中國臺灣地區的某些半導體芯片廠和大型數據中心中得到了較多的應用，且電壓暫降抑制效果良好，但目前國內還未有實際工程應用。

3.3.3 動態電壓恢復器(DVR)

DVR(Dynamic Voltage Restorer)[11]是一種用于快速補償系統電壓暫降，串接于電源和負荷之間的電壓源型電力電子補償裝置(圖4)，其主要元件為靜態旁路、儲能單元、變流器。 當系統檢測到電壓暫降時，靜態旁路迅速打開，將市電隔離，此時儲能單元通過變流器向負載供電，維持負載端電壓不變。 其主要工作特點：①串入主回路的環節只有靜態開關，在正常情況下靜態開關短路時不影響負載供電；②并聯部分平時處于熱備狀態，系統效率高達98%；③可以通過升壓變壓器接入中壓配電網。

圖4 動態電壓恢復器Fig.4 Dynamic voltage restorer

近年來，國內諸多領域尤其是精密制造行業設備自動化程度越來越高，數控機床等精密設備曾飽受電壓暫降困擾，部分企業通過安裝DVR 已多次成功監測到電壓暫降并實現有效治理。 太原衛星發射中心在2015 年某次發射任務中曾出現電壓暫降影響加注泵工作的情況，后續為加注泵安裝2 臺300 kVA DVR，使用至今，運行良好。

3.4 措施比較分析

通過改善電網結構和加強線路維護，只能降低電壓暫降發生概率和嚴重程度，并不能在電壓暫降發生時產生保護效果，而且實施困難，成本較高。 相對而言，采用設備側和電源側的電壓暫降治理設備是更為徹底的解決辦法，4 種主要措施對比如表2 所示。

由表2 可見，沒有哪一種措施在各項指標上都占優，各自的優、缺點均比較突出：①DC-BANK裝置結構簡單，可靠性高，但存在與變頻器的兼容性問題；②靜態UPS 技術成熟，電壓暫降時無附加動作，但是對沖擊性負載的適應能力差，需要降容使用，在線運行成本高，對系統原有可靠性影響較大；③動態UPS 過載、短路能力強，對主回路影響小，輕度電壓暫降時無附加動作，但飛輪儲能為連續旋轉機械部件，檢修維護要求高；④DVR 動態電壓恢復器過載、短路能力強，可以兼顧無功補償、有源濾波功能，但是國內只在某些特定行業應用。

4 電壓暫降治理方案設計

中國各航天發射場均已建成使用，電壓暫降治理具體實施方案需要結合場區現有實際情況。在表2 描述的4 種措施中，DC-BANK 只有在變頻器內部實施改造才能實現，存在專業分工界面模糊、接口銜接關系復雜等問題。 因此，應優先利用其余3 種電源側治理措施，根據安裝位置的不同，本文提出以下3 種備選方案：

表2 電源側/設備側治理措施主要技術指標比較Table 2 Comparison of main technical indicators between power side and device side countermeasures

1)中壓集中式治理方案：在重要開關站的10 kV母線段或重要出線回路上實施，實現集中治理。 10 kV 解決方案有動態UPS、DVR2 種措施可選，其中DVR 的10 kV 解決方案響應時間較慢，一般都不低于5 ms，對接觸器類負載無法實施有效保護；動態UPS 則無上述缺點，而且串聯元件相對簡單，對主回路原有可靠性影響最小。 因此動態UPS 是10 kV 側一種較為徹底、更加可靠的解決措施。

2)低壓分散式治理方案：在需要治理電壓暫降的低壓配電末端實施，可根據應用場合的不同安裝相應的抑制裝置。 其中靜態UPS 技術成熟，但過載能力差，適合小功率電機類設備的電壓暫降治理，還可以改善電能質量；DVR 過載能力強、占地面積小、整機效率高，適合在加注泵房等電機類設備數量多、功率大、空間緊張的場合應用。

3)中低壓綜合治理方案：在中壓側安裝動態UPS，同時在低壓部分敏感設備處增設靜態UPS/DVR，可實現中低壓結合全方位治理。 其中中壓側措施方便集中維護管理，覆蓋性強，可以解決主要來自電網側的大部分電壓暫降問題，還可以結合柴油發電機提供不間斷應急供電；低壓側措施可以實現對市電電壓暫降的二次治理，并消除發射場內電網產生的電壓暫降影響。

以上3 種方案，沒有絕對優劣之分，在具體的工程應用上需要具體問題具體分析，結合現有的安裝條件與實施成本以及實際產品的可選規格等因素進行綜合考慮，確定合適的電壓暫降治理方案。 從自主可控角度考慮，任一種方案的具體實施都應盡量降低對系統原有可靠性的影響。 目前在世界范圍內，動態UPS 的工業級應用市場基本上被德國Piller 公司、美國Active 電源公司等企業壟斷，國內工程應用裝置研制方面仍與上述國家存在較大差距。

與此相對，中國電力電子技術發展較快，核心功率器件研發已打破國外壟斷，基于電力電子技術的靜態UPS、DVR 等設備基本實現自主可控。 而且上述設備的增加對發射場適應性改造的要求較低，便于實施。 因此目前中國各航天發射場更適合采用低壓分散式治理作為具體實施方案。

5 結論

1)中國航天發射場大多數關鍵用電設備都是由接觸器、軟啟動器、變頻器這3 類裝置進行驅動控制，均屬于電壓敏感型設備，發射期間電壓暫降對此類設備的干擾極易影響發射任務的順利進行，因而需要采取相應的治理措施。

2)通過改善電網結構和加強線路維護，只能一定程度降低電壓暫降發生概率，緩解其嚴重程度。 電壓暫降治理的重點應是采取相應的電源備份、儲能支撐技術對電壓暫降進行補償或隔離，以最大限度減少傳播到負載側的電壓跌落。 相對于在設備側進行儲能支撐，在電源側安裝治理設備是更加通用且便于實施的一種方案。

3)根據對安裝地點和治理措施的擇優選擇，中國航天發射場可在中、低壓側分別治理或綜合治理電壓暫降。 結合各航天發射場現有的安裝條件與實施成本，并從自主可控角度優先考慮，在低壓側采用DVR 分散式治理是目前更為適合的電壓暫降解決方案。