电压暂降相位跳变及其对敏感设备的影响研究*

2017-12-18徐永海韦鹏飞李晨懿吴亚盆兰巧倩

电测与仪表 2017年21期

徐永海，韦鹏飞，李晨懿，吴亚盆，兰巧倩

（1.新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京102206；2.国网上海市电力公司嘉定供电公司，上海201800）

0 引言

由于电力系统的运行受自然环境、天气、人为等因素的影响，短路故障与其他因素引发的电压暂降是不可避免的。近年来随着用电设备技术的不断更新，电压暂降对敏感设备正常工作造成的影响呈不断增加趋势，严重时将致使工业过程中断，造成巨大的经济损失［1-3］。

电压暂降对各种敏感设备的影响已得到国内外众多学者的关注，在现有的标准中，暂降幅值和持续时间已成为描述设备对电压暂降耐受特性的两个最重要特征参数，而对于相位跳变则少有提及。如在标准IEEE 1346-1998［4］中，在测试设备对电压暂降的敏感性时只考虑了幅值和持续时间，认为相位跳变对其没有影响因而无需考虑。在标准IEC 61000-2-8［5］中，对电压暂降的定义就只包含了幅值和持续时间两个特征参数，而未考虑其他特征参数。在GB/T 30137-2013［6］中，电压暂降的特征参数主要为残余电压（暂降幅值）、持续时间，也未考虑其他特征参数。实际上，某些类型的设备对电压暂降的相位跳变是较为敏感的，如果不考虑相位跳变，则很难精确地描述出其对电压暂降的敏感程度。

近年来，国内外专家学者对于敏感性设备受电压暂降的影响进行了许多研究［7-19］。文献［8］对不同品牌不同类型的照明灯具进行了电压暂降试验研究，从暂降幅值、持续时间以及暂降起始点三个方面进行了研究，得出了灯具的敏感度曲线。文献［10］进行了电压暂降幅值和持续时间对计算机的试验研究，并提出两种方法来提高计算机电源对电压暂降的耐受度。文献［11］对不同类型的低压脱扣器进行了实验研究，主要研究了暂降幅值、持续时间以及暂降起始点对其的影响，得到了低压脱扣器不同相位下的电压耐受曲线，并建立了敏感度三维模型，但未进行相位跳变的试验研究。文献［13］通过仿真的方法研究了电压暂降幅值、持续时间、暂降起始点、相位跳变对接触器的影响，结果表明，相位跳变确实对接触器的电压敏感度曲线有影响，但未进行试验验证。文献［18］考虑了电压暂降起始点对开关电源电压暂降敏感度的影响，测试得到不同暂降起始点下敏感度曲线，得出暂降起始点也是影响开关电源电压暂降敏感度的一个重要影响因素，但未考虑相位跳变的影响。

综上所述，在电能质量问题中，电压暂降已成为国内外众多学者关注的焦点。相关研究中除涉及暂降幅值、持续时间及暂降起始点外，对于相位跳变也有研究，但对其在实际暂降事件中的计算方法及分布特性亦即暂降发生时刻是否具有一定的规律性，电压暂降时相位跳变发生的概率与跳变可能的范围还缺少相关分析；此外，相位跳变对敏感设备影响的试验研究也相对较少。文章首先进行了相位跳变研究的必要性分析；进而给出了相位跳变的计算方法，然后基于此方法对国内多个地区电能质量监测系统中捕获的电压暂降事件进行了计算与统计，进而对相位跳变分布特性做出了分析；最后，以开关电源和交流接触器为例，进行了相位跳变影响的试验研究与分析。基于上述分析，为进一步完善电压暂降的评估体系，更准确地刻画敏感设备受电压暂降的影响状况，给出了在相关敏感设备问题分析时应考虑相位跳变可能产生的影响的建议。

1 相位跳变

1.1 相位跳变分析的必要性

相位跳变是指电压暂降过程中电压相位的突然改变，一般将其分为起始点相位跳变和暂将过程中相位跳变。起始点相位跳变用以描述暂降发生时所表现出的相位的变化，可由暂降发生后第一个过零点相位和暂降发生前最后一个过零点相位之间的差值得到。暂降过程中相位跳变是用以描述在暂降过程中所表现出的所有相位的变化，可由计算暂降前和暂降过程中每个过零点相位的不同得到，通过比较暂降过程中所有的相位跳变值得到最大值［20］。

在多数由短路故障引起的电压暂降中，往往会伴随着相位跳变［21］，同时在电压暂降的传播过程中，相位跳变值也会发生相应的变化。当电压暂降在不同电压等级之间传递时，由于变压器的存在，会使得电压暂降类型发生变化，考虑相位跳变将有助于研究变压器对电压暂降的影响。

相位跳变对设备敏感性评估非常重要，众多敏感设备，如开关电源、交流接触器、低压脱扣器等对相位跳变都较为敏感，即相位跳变值的大小会对其正常工作状况产生影响。

1.2 相位跳变值的计算方法

图1所示我国东南某城市2013年6月10日16：03：28发生的电压暂降实测波形图为例，起始点相位跳变定义为暂降发生后第一个过零点相位φa和暂降发生前最后一个过零点相位φb之间的差值。电压暂降过程中时的相位跳变定义为暂降过程中的电压过零点与未暂降时的过零点的相位差。

图1 实测电压暂降相位跳变解释图Fig.1 Definition of phase shift during a recorded voltage sag

对于实测电压暂降信号，相位跳变可由式（1）计算而得：

式中φshift（i）是暂降信号的第i个过零点的相位跳变值，ni是过零点的采样点序号，N是一个周期内的采样点数目，暂降信号共有nmax个过零点。假设采样所得的暂降信号的第一个过零点处未发生暂降。正常情况下，电压信号的两个相邻过零点的相位差应为180°；当发生相位跳变时，暂降信号的第i个过零点与第一个过零点的采样点序号之差，减去正常电压信号的第i个过零点与第一个过零点的采样点数目之差，再转化为相角，即可得到第i个过零点的相位跳变值。

如图1所示，由于暂降过程中电压的畸变或振荡影响，暂降起始位置电压可能出现频繁过零现象，致使暂降起始位置电压相邻过零点之间差值的最大值小于0.02个周波即4×10-4s，若以这些振荡过零点来计算相位跳变，将带来很大误差，因此只取振荡前的第一个过零点作为可用于计算的过零点；另外由于电压暂降信号的离散性，一般只能取到与零最接近的信号采样点。

为了精确计算相位跳变，文章采用了线性插值［22］的方法，在近似过零点附近采用线性插值，计算出插值后的过零点。具体步骤如下：

步骤1：求解暂降过程中的近似过零点x1，x2，x3…；

步骤2：利用循环判别电压暂降起始位置是否存在频繁过零现象，排除振荡过零点；

步骤3：检测与近似过零点相邻的、电压符号相反的采样点y1，y2，y3…，利用线性插值求解出插值后的过零点z1，z2，z3…作为计算用的过零点；

步骤4：计算暂降信号第i个过零点的相位跳变值。

计算方法流程图如图2所示。

图2 相位跳变值计算方法流程图Fig.2 Calculation method flow chart of phase shift values

这里仍以图1所示的实测电压暂降事件为例进行实例计算，该事件N=512。由图1可知，该实测事件共计有20个过零点，即i=1，2，3…，20。经步骤1得到的近似过零点如表1所示。

表1 某一实测电压暂降事件过零点Tab.1 The zero-crossing points of a recorded sag

经步骤2计算可得：

因此，x6、x7为振荡过零点，应当排除。

排除振荡过零点后的计算结果如表2所示，鉴于篇幅，这里仅给出起始点相位跳变值及暂降过程中的相位跳变值。

表2 某一实测电压暂降事件相位跳变值Tab.2 Phase shift values of a recorded voltage sag

1.3 相位跳变值的分布特征

近年来我国许多地区已建立了电能质量在线监测系统，该系统能够记录电压暂降事件的波形与数据，文章即利用监测系统中记录的电压暂降事件，开展了对电压暂降事件的计算与分析工作。根据2009～2015年间我国多个地区监测系统中记录的264个有效电压暂降事件数据，经1.2节提出的方法计算后得到其相位跳变值。考虑到数据计算误差等因素，文章以±5°为界，即若起始点相位跳变绝对值大于5°，则认为在该起始点处发生了相位跳变，经统计可知，发生起始点相位跳变的概率为41.7%。起始点相位跳变值及暂降过程中相位跳变最大值概率分布图如图3、图4所示。

图3 电压暂降起始点相位跳变值分布图Fig.3 Distribution of phase shift values at the sag initiation

图4 电压暂降过程中相位跳变最大值分布图Fig.4 Distribution of phase shift maximum values in the voltage sag process

由图4起始点相位跳变统计结果可知：75%以上的相位跳变分布在-10°～10°之间，90%以上的跳变值分布在-20°～20°之间。由图5暂降过程中相位跳变最大值统计结果可知：65%以上的相位跳变分布在 -10°～10°之间，90%以上的最大值分布在-30°～30°之间。因此，如果受到相位跳变影响的敏感设备能承受-30°～30°的相位跳变，则可躲过大部分相位跳变的影响。

2 相位跳变对敏感性设备影响的试验研究

典型的敏感性设备主要包括开关电源、交流接触器、可编程逻辑控制器（PLC）、低压脱扣器、变频器等。开关电源作为用电设备的工作电源或控制电源，具有效率高、体积小、功耗低、可靠性能高、输出电压范围大等优点，目前已大范围应用于家用或工业电子设备当中。交流接触器作为连通或切断电路的一种机电设备，在多个行业都有较广泛应用。当开关电源与交流接触器经受电压暂降时，相关过程控制系统可能被中断，进而引起被控设备非正常工作，致使相关用户产生巨大的损失，尤其在电压暂降发生频次较高的地区，损失会更为严重。文章以开关电源和交流接触器为例进行相位跳变对其影响的试验研究。

2.1 试验试品选择

试验选取目前我国市场上的两个不同厂家的开关电源及两个主流品牌的交流接触器作为试验试品，分析开关电源及交流接触器的电压暂降敏感度，其主要参数见表3、表4。

表3 开关电源主要参数Tab.3 Main parameters of SMPS

表4 交流接触器主要参数Tab.4 Main parameters of AC coil contactors

2.2 相位跳变对开关电源敏感性影响的试验研究

对于S1、S2开关电源，分别进行了暂降起始点为0°与 90°，相位跳变为 0°、45°的影响试验研究，根据试验得到的数据，以正常工作时间（即持续时间）为横坐标，暂降幅值为纵坐标，绘制开关电源S1、S2敏感度曲线，如图5所示。

分析图5可知：

（1）相位跳变对不同品牌开关电源的影响有所不同，在不同暂降起始点下，S1受相位跳变的影响较S2大，即S1对相位跳变的敏感度较S2大；

（2）对同一开关电源而言，不同的相位跳变值不会对其正常工作临界电压产生影响；

（3）在0°暂降起始点下，暂降幅值相同时，存在相位跳变时S1的持续时间较无相位跳变时短，而S2性质与S1相反；S2在90°暂降起始点下受相位跳变影响较小。

图 5 0°与 90°电压暂降起始点时 0°、45°相位跳变下S1、S2开关电源敏感度曲线Fig.5 Voltage-tolerance curves of S1 and S2 to 0° and 45°phase shift values at the point on wave of 0°and 90°

2.3 相位跳变对交流接触器敏感性影响的试验研究

对于C1、C2交流接触器，分别进行了0°和90°暂降起始点下，0°、45°相位跳变对其影响的试验研究，交流接触器C1、C2敏感度曲线如图6所示。

图 6 0°与 90°电压暂降起始点时 0°、45°相位跳变下C1、C2交流接触器敏感度曲线Fig.6 Voltage-tolerance curves of C1 and C2 to 0°and 45°phase shift values at the point on wave of 0°and 90°

由图6分析可知：

（1）相位跳变对不同品牌交流接触器的影响有所不同，在不同暂降起始点下，C1受相位跳变的影响较C2大，即C1对相位跳变的敏感度较C2大；

（2）相位跳变对不同品牌交流接触器的正常工作临界电压影响有所不同。对C1而言，90°暂降起始点下，存在相位跳变情况下（45°相位跳变）的正常工作临界电压较不存在相位跳变情况（0°相位跳变）大；对C2而言，其正常工作临界电压则不受相位跳变的影响；

（3）对C1而言，0°暂降起始点下，暂降幅值相同情况下，存在相位跳变时其持续时间较不存在相位跳变时短；而在90°暂降起始点下性质则相反；

（4）对 C2而言，在 0°和90°暂降起始点下，当暂降幅值相同时，存在相位跳变时其持续时间均较不存在相位跳变时短。