电压跌落及其抑制

2010-08-15崔晨耕

西安航空学院学报 2010年1期

崔晨耕

(西安航空职业技术学院电子工程系,陕西西安710089)

1 引言

电能质量的优劣,对电网和电气设备的安全、经济运行、保证产品质量和科学实验,以及人民生活和生产的正常进行均具有十分重要的意义,直接关系到国民经济的总体利益。电压跌落是影响电能质量的一个重要因素。尤其是在近10年来,随着高新技术、信息技术的飞速发展,基于计算机、微机控制的各种生产生活中的用电设备被大量使用,它们对电力系统的电压跌落更为敏感。随着电压跌落在电能质量诸多问题中的日益突出,很有必要对电压跌落问题做一个比较深入全面的分析。

2 电压跌落的概念、危害及分类

2.1电压跌落的概念

电压跌落,也称电压骤降、电压下跌、电压凹陷,是指在短时间内供电系统电压突然下降,且超出正常电压偏差允许值,然后又返回到正常的电压水平的情况。

2.2 电压跌落的危害

随着社会发展、技术进步,现代化企业生产对电能质量提出日益严格的要求。电压跌落作为严重的电能质量问题已成为讨论的热点。以计算机为例,计算机是现代办公的主要设备,其安全工作电压为90%～110%,当电压下降到70%及以下时,若持续时间超过20ms,部分计算机就可能无法工作。IBM公司统计表明,48.5%的计算机数据丢失都是由电压不合格造成的。另据统计,信息产业80%的服务器出现瘫痪以及用户端45%左右的数据丢失和出错均与电压跌落有关。对于由计算机控制的自动生产线、机器人、机械手等,在电压跌落时可能停止工作或产品质量下降[2]。

电压跌落已成为威胁现代社会各用电设备正常、安全工作的主要因素,并且成为威胁信息化社会供电质量不可忽略的因素。电压跌落问题随着电力系统的出现就存在。但长期以来,对电能质量的研究主要集中在电压偏移、谐波、闪变、三相不平衡等方面,对电压跌落问题重视不够。直到20世纪70年代,由于电压跌落问题对各个行业造成的损失越来越大,其相关研究工作才逐步展开。

2.3 电压跌落的分类

根据引起电压跌落的原因,可以将电压跌落分成3类:第1类称FRS(Fault Related Sags),即与故障有关的电压跌落;第2类称MSRS(M otor Starting Related Sags),即与大型电动机的启动有关的电压跌落;第3类称MRRS(M otor Reacceleration Relat-ed Sags),即与电动机的再加速有关的电压跌落[2]。

这3种类型的电压跌落具有明显不同的特性。对于FRS,跌落开始下降和最后恢复都非常迅速;对于MSRS,跌落事件的恢复需要很长的时间,通常为几百毫秒到几秒;对于MRRS,在故障开始的时候,大型电动机作为电压源因而减少了电压降,当故障清除以后,电动机再加速加深了电压跌落,导致延长了电压跌落的恢复时间。

3 电压跌落现象产生的原因和评估

要尽可能地控制电压跌落带来的影响,就需要对电压跌落的3个主要特征参数,即幅值、持续时间和相位跳变进行实时测量,进而采取相应的措施来进行控制[3-4]。现在,多数文献都用跌落的幅值和持续时间来作为形貌电压跌落的特性量,但对幅值大小持续时间的界定范畴还未形成统一的尺度。例如,在IEEE电能质量尺度中对电压跌落特性量的界定范围是幅值额定值在0.1～0.9之间,持续时间为半个周期至1分钟;而国际电工委员会(IEC)的尺度则用跌落前后电压的差值与正常电压的百分最近形貌电压跌落的深度,持续时间限定为半个周期至几十秒。

大部分电压跌落是由于雷击和输电线路短路故障引起的。感应电动机的启动等也会引起电压跌落,但这种电压跌落一般并不严重。

雷击引起的绝缘子闪络和线路对地放电是造成系统电压跌落的主要原因。由于电力系统中的大多数设备是暴露在露天的,在雨季或多雷地区,暴露在露天的运行设备很容易受到雷电干扰。因雷击引起的电压跌落约占总数的60%左右,并且持续时间超过5个周期。

系统故障是引起电压跌落的另一重要原因。目前配电系统中的线路主保护一般是分段式电流保护,该保护最大的缺陷就是在线路故障时不能做到无延时地切除故障。即使是无延时保护,其固有动作时间也要一个周期,因此在故障期间,线路上的敏感负荷将会被迫退出工作。如果线路上装有重合闸装置时,由此引起的电压跌落次数将成倍增加。故障引起的电压跌落的幅值大部分都在额定值30%以下。

4 抑制电压跌落的对策

为减少电压跌落对敏感负荷的影响。仅从电力系统着手,无法彻底防止问题的发生。由于用户对电能质量的要求多种多样,因此,从技术成本上考虑,对电压跌落问题采取的措施要从供电部门、用户与用电设备厂商等多方面着手[5]。

供电部门的措施是要提高供电可靠性。可采取的措施有:降低线路故障发生的可能性;加快故障切除时间;采用快速动作的继电保护装置;架设双回输电线路等。此外,还可以提供用户敏感设备电压跌落的可能性评估,电力部门提供给敏感设备用户规划阶段的成本或效益的定量分析和方案比较,以及安装必要的设备以抑制和消除电力扰动所需的费用与收到的效益比较。

用户可以对负荷进行调整,使负荷减少敏感程度。当负荷的电能质量要求特别高,而单靠电力企业无法在短时期满足其要求时,用户应采取措施,降低负荷敏感程度或降低对电能质量不良时的要求。

设备制造商要对设备灵敏性进行研究,使设备具备对某种程度内电压下跌的免疫力,制造部门提供的产品说明书中应有类似ITIC电压容限曲线,并标明该曲线的实用条件。

对电压跌落起抑制作用的装置有以下几种:蓄电池储能系统(BESS)、动态不间断电源(DUPS)、机械切换开关(DUR)、超导磁能系统(SMES)、静止电子分接开关(SETC)、固态切换开关(SSTS)、静止无功补偿器(SVC)、不间断电源(UPS)。

现今,电压跌落的解决办法可以有很多,大到备用电机,小到蓄电池。高新技术企业相对负荷轻,产出附加值高,可以采用飞轮储能、燃料电池等相对合理的方案。大规模复杂生产线也可采取相应措施。如安装小型UPS以解决机器人程序控制、生产线过程控制系统中关键点的电源问题。也可为控制环节增加延时以延缓电压跌落。然而,过程控制系统的分散性使少量的UPS难以解决所有程序控制问题,跌落仍会造成动力设备频繁退出运行,事故隐患并没有消除。

动态电压调节装置(DVR)为解决电压跌落问题提供了更为经济、合理的武器。DVR串联在系统供电线路和负荷之间。当供电线路发生电压跌落时,其可在3～5ms之内产生和跌落电压幅值相等、相位相同的补偿电压,叠加到欠压相上,使负荷侧电压保持稳定,确保负荷安全运行。

DVR的容量可做到数十兆伏安,满足大规模生产线的负载要求。采用不同的容量配置、灵活的接线方式,DVR可应对不同的治理要求。