電壓暫降治理原理及其應(yīng)用

龍禮文

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各種以電力為能源基礎(chǔ)的自動(dòng)化設(shè)施設(shè)備廣泛應(yīng)用，電能質(zhì)量問(wèn)題已經(jīng)受到越來(lái)越多電力用戶和電力企業(yè)的關(guān)注，特別是對(duì)于一些重要負(fù)荷和對(duì)電能質(zhì)量高度敏感的負(fù)荷來(lái)說(shuō)，保證電能質(zhì)量尤為重要。這其中電壓暫降的危害日益凸顯：一方面占比大，據(jù)有關(guān)部門(mén)的調(diào)查，92%以上的電能質(zhì)量事件為電壓暫降;另一方面后果嚴(yán)重：輕則造成生產(chǎn)中斷，影響產(chǎn)品質(zhì)量，重則損毀設(shè)備，危害人身安全。

在IEEE標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量電壓暫降與短時(shí)中斷》（GB/T30137-2013）規(guī)定：電壓暫降是指電力系統(tǒng)中某點(diǎn)工頻電壓有效值暫時(shí)降低至額定電壓的10%～90%（即幅值為0.1～0.9（p.u）），并持續(xù)10ms～1min，此期間內(nèi)系統(tǒng)頻率仍為標(biāo)稱值，然后又恢復(fù)到正常水平的現(xiàn)象;電壓暫降以剩余電壓百分比為度量。

引起電壓暫降主要是由于電網(wǎng)、變電設(shè)施的故障或負(fù)荷突然出現(xiàn)大的變化（如大功率設(shè)備啟動(dòng)等）所引起的。包括：自然原因（雷擊、閃電、暴雨、大風(fēng)等）;電力系統(tǒng)原因（短路故障、大電機(jī)啟動(dòng)、線路切換等）;以及不可預(yù)知的偶然事件（交通事故、建筑施工造成輸電線損壞等）。

造成電壓暫降的原因復(fù)雜，治理措施應(yīng)該從三方面著手：供電系統(tǒng)方、設(shè)備制造商、用戶業(yè)主;三者需要共同合作，協(xié)作解決。作為末端用戶，增強(qiáng)設(shè)備的看電壓暫降能力是首選。

機(jī)場(chǎng)航站樓作為機(jī)場(chǎng)的核心建筑，處理旅客出發(fā)、到達(dá)等一乘機(jī)活動(dòng)。具有建筑面積大，流程功能復(fù)雜，同時(shí)為了提升旅客感受，提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，廣泛的使用各種自動(dòng)化控制設(shè)備，這些設(shè)備包含對(duì)電壓敏感的器件：如微處理器、PLC、電壓脫口器、變頻器等。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅2019年1-8月，白云機(jī)場(chǎng)范圍內(nèi)共發(fā)生26起各種原因電壓暫降。這些電壓暫降事件對(duì)白云機(jī)場(chǎng)運(yùn)行造成了一定影響：包括部分電梯停運(yùn)、400Hz電源停運(yùn)、行李分揀系統(tǒng)工作不正常等等。這些電壓暫降一方面造成硬件損失，如：行李系統(tǒng)變頻器損壞;另一方面增加機(jī)場(chǎng)人員維護(hù)工作量，大量設(shè)備如電梯和400Hz電源停運(yùn)后需人工復(fù)位。更重要的是影響航班的正常性，給乘客帶來(lái)了不良的候機(jī)體驗(yàn)，如：電梯停運(yùn)把旅客困在電梯里、行李得不到及時(shí)分揀進(jìn)而無(wú)法及時(shí)送上飛機(jī)、400Hz電源停運(yùn)導(dǎo)致飛機(jī)供電中斷等。

在2020年8月20日，受上級(jí)線路電壓波動(dòng)，造成廊橋電源大面積斷電，據(jù)統(tǒng)計(jì)約有27條橋發(fā)生了因電壓波動(dòng)而造成廊橋電源保護(hù)失電，2020年8月21日，檢測(cè)到某廊橋發(fā)生電壓暫降，時(shí)長(zhǎng)360ms，電網(wǎng)電壓跌落至88.63%;2020年8月25日，7座登機(jī)橋檢測(cè)到A相電壓跌落，持續(xù)時(shí)間70ms左右。由于地面電源的電壓暫降耐受度類似于變頻器，耐受度較低，幅值低于80%，持續(xù)時(shí)間在15ms以上的電壓暫降就會(huì)對(duì)其造成影響導(dǎo)致停機(jī)。

目前用戶端的治理最普遍也是比較推薦的治理電壓暫降的措施是在供電系統(tǒng)與用戶設(shè)備之間加裝補(bǔ)償裝置，常見(jiàn)的補(bǔ)償裝置包括：不間斷電源（UPS—Uninterruptible Power Supply）、固態(tài)切換開(kāi)關(guān)（SSTS—Solid State Transfer Switch）、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR—Dynamic Voltage Restorer）、直流型暫降治理設(shè)備（VSP）等等。

根據(jù)調(diào)研，國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)普邊受到電壓暫降的影響，也各采取了一些措施：北部某機(jī)場(chǎng)對(duì)電壓暫降問(wèn)題引起足夠重視，2011年就成立了課題組開(kāi)展廣泛研究，在行李分揀系統(tǒng)供電電源側(cè)加裝SSTS快切開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行試點(diǎn)治理，經(jīng)測(cè)試，兩路供電電源能實(shí)現(xiàn)5ms內(nèi)快速切換，但最末端用電設(shè)備的電機(jī)仍然在電壓暫降時(shí)斷電停機(jī)。在電梯的主供電回路加裝大容量電池組進(jìn)行試點(diǎn)治理，效果也不理想，并增加了電池維護(hù)、更換的人力成本和設(shè)備成本等問(wèn)題。

東部某機(jī)場(chǎng)機(jī)場(chǎng)受電網(wǎng)波動(dòng)造成的影響主要有：航站樓大批自動(dòng)扶梯和步道停機(jī)、行李系統(tǒng)停機(jī)、客橋系統(tǒng)停機(jī)、飛機(jī)引導(dǎo)裝置失電、航顯系統(tǒng)和BA控制系統(tǒng)重新啟動(dòng)、航站樓照明熄滅或閃爍、機(jī)坪高桿燈照明失電、變配電站（間）開(kāi)關(guān)跳閘、辦公電腦重啟等。供電管理部門(mén)主要從縮短供電電源恢復(fù)時(shí)間、加強(qiáng)監(jiān)管和應(yīng)急聯(lián)動(dòng)等方面來(lái)提高響應(yīng)的及時(shí)性。

國(guó)內(nèi)其他機(jī)場(chǎng)都存在類似問(wèn)題，目前主要通過(guò)人工恢復(fù)設(shè)備運(yùn)行來(lái)應(yīng)對(duì)，沒(méi)有從根本解決問(wèn)題。

按照確保重點(diǎn)、兼顧經(jīng)濟(jì)性、合理性要求，在統(tǒng)籌考慮各種治理方案的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)可行性后，白云機(jī)場(chǎng)選擇了對(duì)部分重要的登機(jī)橋400Hz電源，行李分揀系統(tǒng)和關(guān)鍵流程的電梯進(jìn)行了電壓暫降改造，接入DVR進(jìn)行保護(hù)。其工作原理是：

DVR裝置串聯(lián)在供電電源和受保護(hù)的負(fù)載之間，采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件，它會(huì)持續(xù)監(jiān)測(cè)輸入側(cè)電源電壓，一旦發(fā)現(xiàn)供電電壓偏離額定電壓水平（±15%，可根據(jù)客戶實(shí)際需求設(shè)置保護(hù)閾值），DVR裝置會(huì)通過(guò)IGBT逆變器系統(tǒng)在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)給負(fù)荷側(cè)補(bǔ)償適當(dāng)?shù)牡潆妷海屫?fù)載側(cè)恢復(fù)正常電壓，確保受保護(hù)的負(fù)載不受電壓變化的影響。

DVR主要特點(diǎn)包括響應(yīng)速度快（響應(yīng)時(shí)間<2ms ）、運(yùn)行效率高（效率>99%）、100%深度補(bǔ)償（單相、兩相、三相跌落至0%均可保護(hù)設(shè)備3秒不停機(jī)）、模塊化設(shè)計(jì)、可靠性高、安全性高、監(jiān)控方便（集成物聯(lián)網(wǎng)模塊，手機(jī)電腦隨時(shí)查看設(shè)備狀態(tài)，能推送電壓跌落信息至微信）等特點(diǎn)。

經(jīng)過(guò)近大半年的運(yùn)行，系統(tǒng)電壓共波動(dòng)20余次，DVR保護(hù)的設(shè)備發(fā)生電壓暫降影響的數(shù)量為0，同時(shí)未受電壓暫降保護(hù)的設(shè)備受到了不同程度的影響。在保護(hù)末端設(shè)備的同時(shí)DVR還帶來(lái)另一個(gè)好處是：它能及時(shí)捕捉系統(tǒng)電壓變化，通知運(yùn)行人員根據(jù)預(yù)案，及時(shí)處理電壓暫降事件，有效地提高電壓暫降的處置效率。

綜上所述，作為末端用戶，選擇在關(guān)鍵設(shè)備上使用DVR設(shè)備能有效地保護(hù)末端設(shè)備，確保關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行，提高電壓暫降處置效率，進(jìn)而保證了機(jī)場(chǎng)的安全和服務(wù)品質(zhì)。