电能质量重要问题电压暂降

国际电工界日益关注的电能质量问题 电压暂降与短时间中断现象及其对供电可靠性的影响 肖湘宁华北电力大学电能质量研究所xxn PROBLEMSOFVOLTAGESAGSANDINTERRUPTIONS 2020 2 6 2 1 电压暂降现象及其特征2 电压暂降的危害 主要内容 2020 2 6 3 电压 B A 短时间中断 时间 电压暂降 图5 4重合闸时故障线路 实线 和非故障线路 虚线 电压均方根值A 故障切除时间B 重合闸重合时间 电压瞬时跌落与短时中断过程描述 变电站 重合闸 主馈线 1 2 图5 3带有熔断器和重合闸的架空线路配电系统 F1 F2 2020 2 6 4 1 1电压暂降与短时间中断现象 右图为电压暂降和短时间中断现象波形例 F1和F2接入同一配电母线 假设F2上发生三相金属性短路V1c为F1上用户电压发生短时间跌落 V2c为F2上用户电压发生短时间电压跌落直至中断 2020 2 6 5 故障线路用户经历一次暂降和一次短时间中断 非故障线路经历一次暂降 瞬时性故障 重合成功 永久性故障 重合不成功 故障线路用户经历两次暂降 一次短时间中断和一次长时间中断 非故障线路经历两次暂降 2020 2 6 6 1 2电压暂降 Sags Dips凹陷 骤降 跌落 的定义 1 电压暂降不同于电压波动或欠电压 是指母线电压有效值大幅度快速下降且持续时间极短的突发事件 2 国际电工委员会 IEC 将其定义为下降到额定值的90 至1 国际电气与电子工程师协会 IEEE 将其定义为下降到额定值的90 至10 其典型持续时间为0 5 1min 2020 2 6 7 1 3电压暂降的特征量 在电压暂降的分析中 通常将暂降时的电压有效值与额定电压有效值的比值定义为暂降幅值 将暂降从发生到结束之间的时间定义为持续时间 将单位时间内 评估时通常一年 发生电压暂降的次数定义为暂降频次 暂降幅值 持续时间 暂降频次是标称电压暂降严重度的最重要的三个特征量 有时还可能出现电压相位跳变 2020 2 6 8 1 4电压暂降现象的起因 引起电压严重暂降的主要原因是系统元件或线路的故障 雷电等恶劣天气影响 特征 暂降幅度大 近乎矩形曲线 持续时间短 即故障在线时间 引起电压暂降的另一主要原因是重型负荷的启动 特征 暂降幅度小 非规则矩形 持续时间长 图a 线路短路 图b 大型电机启动 就现象而言 电压暂降并不是新问题 但是 由于其危害和影响十分突出 它却成为近年来日益引起电工界关注的最重要的电能质量问题 2020 2 6 9 1 5短时间中断的基本定义 当电压有效值降低到接近于零时 则称为中断 由于对电压暂降下降幅度定义不同 对 接近于零 的定义也有不同 IEC定义 接近于零 为 低于额定电压的1 IEEE定义为 低于10 IEEEStd 1159 1995 由于故障自动恢复装置 线路重合闸和备用电源自动投入装置 在电力系统的应用 才出现了短时间中断现象 2020 2 6 10 1 6电压暂降与短时间中断的异同点 电压暂降和短时间中断一般是相伴发生的动态电压质量问题 共同特征是电压均方根值短时间下降 在分析和评估中 往往将短时间中断看作是一种特殊的严重暂降现象 但又要有针对性的研究 单一电压暂降事件的损失小于1min中断损失 大于1s短时间中断损失 但由于用户侧电压暂降次数远大于中断次数 前者至少是后者的6倍 甚至可高达600倍 因此 暂降造成的总损失要大于中断造成的损失 中断一般只发生在故障线路上 而电压暂降则可能是由于数百公里外的输电系统的短路故障引起的 因此 电压暂降问题比中断更具有全局性 aglobalproblem 在消除影响上 为减少电压中断发生的次数 一般仅仅需要改造一个馈电系统 而为减少电压暂降次数则往往需要改造多个馈电系统 甚至需改造远处的输电系统 因此 解决电压暂降问题更困难 2020 2 6 11 1 8电压暂降特征量的统计规律 美国EPRI DPQ电压暂降统计调查分布图暂降幅值为0 7p u 0 9p u的电压暂降占70 持续时间不超过1s的约90 不超过0 1s的约占60 平均发生频次低于0 7p u 的为18 422次 年 低于0 9p u的为56 308次 年 2020 2 6 12 1 8电压暂降危害 发生频次统计 调查结果显示 美国电压暂降幅值低于0 7p u 的典型值为18 20次 年 低于0 9p u 的次数为50次 年 加拿大对工业用户的调查结果是每个用户侧监测点每相每月平均暂降38次 英国某造纸厂年电压暂降事件次数约36次 杭州东信通讯移动电话公司2003年上半年就发生了6 7次暂降事件 2020 2 6 13 1 9影响用户工作的故障点位置 因内外故障引起用户不能正常工作的故障点统计情况 图a 由故障点位置统计结果 图b 从所显示的数据统计分析可知 非本线路故障引起电压暂降影响用户设备不正常工作所占比例可达77 输电系统和配电系统故障引起暂降都会影响用户正常工作 且配电线路故障引起电压暂降的比例大于输电线路故障原因 图a 图b 2020 2 6 14 2 5设备不能正常工作的原由 电压暂降往往引起用户电气设备不能正常工作 究其原因主要有 交流电压不足 供应电能不足 导致设备停运 如典型的桥式整流的电源电路 电压低引起设备电源监视回路跳闸 设备停运 电压低引起紧急关闭电路等的速动继电器动作切断电源 电压暂降恢复时上升脉冲引起设备的复位电路不正确动作 设备重启 电压相角跳变或不平衡电压暂降引起不平衡保护继电器动作 设备停运 整流滤波波形 速动继电器 复位电路 平衡保护继电器 2020 2 6 15 2 6电压暂降的危害 行业举例1 汽车制造业 灵活的自动控制和链式供应生产线管理由于无序断电和上电 暂降导致损坏部件或加工设备以及数字控制设备需重新设置控制流程 暂降影响机器人电焊工的焊接质量 甚至需要重新回炉或电焊程序的重启 暂降使得喷漆线突然停止 在火炉控制重启前 需要30min净化空气控制系统 暂降导致停产的更多时间是花费在整个生产线再启动上 有报道讲 由于4个周波的电压暂降 需要72min才能恢复生产线工作 造成损失可达700 000 暂降造成商业与民用建筑中的电梯 自动消防与报警系统中止工作 2020 2 6 16 2 6电压暂降危害 行业举例2 塑制品聚合加工业 造纸业 玻璃制造业 电力消耗大户暂降导致现代化生产线突然停止意味着重启前需要数小时清除设备内的垃圾 某玻璃制品厂工频5个周期的电压间断 造成损失约200 000 IT 通讯业 高价值端客户需要超高可靠性某计算机中心2秒的供电中断引起约600 000 的损失 杭州东信通讯移动电话公司一次暂降造成损失达3 000 000 医疗器械 暂降引起设备不正常工作影响诊断 治疗 手术进行 甚至危及到病人的生命 2020 2 6 17 2 7电压暂降危害 平均损失统计 美国电力公司调查统计 2020 2 6 18 2 8电压暂降危害已经引起极大关注 CIREDKL2002国际供电会议主席指出 把电能质量问题列为当前国际供电界关注的首要问题 而电能质量的首要问题是电压骤降 应该作为研究解决的重点 在用户电能质量问题投诉中 90 以上是电压骤降引起的 据统计和案例反映 造成用电设备异常运行或停电的绝大部分因素是电压骤降问题 暂降是与短时间中断伴随发生 且暂降发生频度高 事故原因不易察觉 供电可靠性反映的是供电中断程度 一般只考虑持续时间5分钟以上 有的国家规定为小于1分钟的电压中断不予计算 电压骤降发生频率高 有统计数据表示 数十次或上千次 年 暂降深度多为40 0 8 0 6p u 以内 持续时间多小于1秒钟 专家们认为 电压暂降与中断已上升为最重要的电能质量问题之一 已成为信息社会对供电质量提出的新挑战 2020 2 6 19 利用电力电子技术的有源电压补偿方法 Vs 动态电压恢复器DVR DynamicVoltageRestorer 中三相换流器在电网电压发生突变 如凹陷 凸起 波动与闪变等 偏离额定正弦电压波形瞬时值时 控制换流器的通断状态 产生所需填补的瞬时电压波形 并串联加入电网 使负荷侧近似保持为正弦波形额定电压 将上述串并联两种方式相结合 可构成电压和电流同时补偿的统一电能质量调节器UPQC 电网电压 系统电源 用电负荷 DVR换流器 串补变压器 2020 2 6 20 国外公司DVR产品情况介绍 世界第一台商业化运行的DVR装置 EPRI 安装地点 美国杜克电力公司投产时间 1996 08电压 12 47kV 60Hz负荷容量 2MVA储存能量 660kJ 2020 2 6 21 ABB公司目前投运的单台世界最大容量DVR装置安装地点 以色列一集成芯片制造厂投产时间 2000 05电压 22kV 50Hz最大服务负荷容量 22 5MVAp f 0 9三相暂降补偿度 35 单相暂降补偿度 50 暂降持续时间 500ms响应时间 1msDC