电压暂降对航天发射任务的影响及治理方案

李志鹏，孙俊德，李龙刚，蒋秉政

(北京特种工程设计研究院，北京100028)

1 引言

供配电系统作为航天发射场的动力枢纽，负责为场区航天器、火箭和地面设备在测试发射期间提供稳定、可靠的电力来源。 为提升供配电系统的可靠性，中国各航天发射场均按一级负荷[1]设计。

只有供配电系统安全稳定运行，才能确保发射任务顺利实施，尤其是在火箭转运至发射工位后，电能质量的优劣甚至直接决定发射任务的成败。 在衡量电能质量的众多指标中，电压暂降[2-3]是一种无法避免的现象，它主要由外电网故障引发[4]。 而目前中国各航天发射场普遍依靠市电作为主供电源， 因此均面临不同程度的电压暂降风险。 迄今为止，各航天发射场已发生多次电压暂降事件，曾造成电压敏感设备供电中断，甚至影响到发射流程。

本文对航天发射场关键设备(简称关键设备，主要指火箭转运至发射工位后的关键用电设备)的负载特性进行分析，得出各设备的电压暂降敏感性，定性评估电压暂降对发射流程的影响，提出电压暂降的治理措施以及不同层级的解决方案。

2 电压暂降的影响分析

中国各航天发射场市政电源均采用2 路35 kV及以上电压等级的线路引入，场区内一次配电经中心变电站降压后采用10 kV 线路配出，末端集中设置10/0.4 kV 变电所向设备供电。 除市电以外，各发射场基本都设置自备电站。 受自备电站容量、覆盖范围以及能源供应等因素限制，发射任务期间，各发射场普遍以市电作为主供电源，这种供电模式决定了电压暂降会直接作用于关键设备的电源输入端。

2.1 关键设备负载特性分析

关键设备主要包括：发射场测控系统、通信系统、整流罩空调、发射塔平台油泵电机、发射塔摆杆油泵电机、伺服机构等。 其中测控系统、通信系统等特别重要设备均采用UPS 供电，具有较高的可靠性。 其余设备的用电特性与保障措施有以下特点：①负载侧均为电动机类负载；②电源侧均采用双电源经自动转换开关电器(Automatic Transfer Switching Equipment，ATSE)供电，远端由柴油机做备用电源，只有摆杆、伺服机构等中小容量设备增设UPS 作为应急电源；③驱动方式分为直接控制(接触器控制)、软启动(软启动器＋接触器)、变频控制(变频器)。

2.2 关键设备电压暂降敏感性分析

测控系统、通信系统均采用UPS 供电，可以避开电压暂降影响。 其余未采用UPS 供电的电机类关键设备，由于负载侧机械惯性的存在，电压暂降不会直接导致电动机停止运行。 电源侧虽然都采用ATSE，但转换延迟较大(通常不小于100 ms)，况且有可能出现2 路电源同时发生电压暂降的情况[5-6]，即无法通过ATSE 自动切换让负载不受电压暂降的影响。 因此，关键设备受电压暂降影响的大小直接取决于其驱动单元(接触器、软启动器、变频器)的电压暂降敏感性。

1)接触器电压暂降敏感性：常规接触器控制线圈释放电压约为0.75 p.u.，释放延时为3 ～200 ms。 当接触器闭合，主回路接通时，电压暂降会造成接触器操作线圈电压过低甚至短时断电[7-8]，导致线圈对铁心的吸力小于释放弹簧的弹力，进而使接触器释放，造成主回路断电。

2)软启动器电压暂降敏感性：软启动器主要在电动机的启动阶段工作，基本原理是通过控制输出电压的斜坡上升，实现电动机的平滑启动，减少冲击。 这种工作特性决定了软启动器具有较宽的输入电压范围，额定工作电压范围一般为230～415 V。 但是，当电压暂降的残余电压低于工作电压范围下限的85%时，也会触发软启动器的欠压保护，导致停机。

3)变频器电压暂降敏感性：变频器由整流器和逆变器2 部分组成。 变频器欠电压主要指其中间直流回路低电压，即逆变器输入电压过低。 一般的变频器都具有欠压保护功能，欠电压保护设定值一般为0.85 p.u.。 变频器一旦遇到较为严重的电压暂降，会立即触发欠压保护机制[9]，控制电路将短时间内(＜20 ms)停止向驱动电路输出信号，使驱动电路和逆变器停止工作，电动机将失去动力，进入自由制动状态。

2.3 发射流程电压暂降风险分析

接触器、软启动器、变频器均属于电压敏感类设备，极有可能受电压暂降影响而停机，但各关键设备因其工作时序、工艺流程分工不同，停机后对发射流程的影响也不尽相同。 由表1 可见，除采用UPS 保障的测控系统、通信系统以外，其余电机类设备一旦遭受电压暂降，会对发射流程产生较大影响，尤其是摆杆油泵电机、伺服机构、加注泵受电压暂降干扰后，极易造成发射中断甚至失败。 因此，必须采取有效措施对发射场电压暂降问题进行治理。

3 电压暂降治理措施

3.1 改善电网结构和加强线路维护

电压暂降主要由电网故障引发，可以通过改善电网结构和加强线路维护来降低电压暂降的影响程度。 发射场外部电网和内部电网可以分别采取以下措施：

表1 发射流程电压暂降风险分析Table 1 Risk analysis of voltage sag in launching process

1)外部电网尽量采用专线供电，降低其他用户故障引发的电压暂降概率；提高供电电源电压等级，增大系统短路容量，降低电压暂降严重程度；发射场尽量远离高耗能大负荷企业，以增大两者之间的电气距离，减少大负荷冲击对电压暂降的影响。

2)内部电网加强对发射场内部线路尤其是中压线路的保障力度；应定期进行预防性试验检查，采取架空线入地、架空线加外绝缘、增加维护和巡视的频度等措施。

3.2 设备侧储能支撑技术

通过调节设备本身失压保护的参数(例如变频器可适当调宽失压保护的阈值；接触器的控制线圈可采用宽电压线圈等)，可以一定程度地提高设备的电压暂降抗扰能力。 但这种办法只能躲过一部分电压暂降，而且变频器参数设置不合适有可能造成设备本身的损坏。 较为理想的办法是在设备的核心环节增加储能支撑技术，用以补偿电压暂降的影响，例如接触器可以在控制回路中增加储能模块，变频器可以在直流母线上增加直流电源支撑系统(DC-BANK)。

DC-BANK 由充电器、储能单元、执行单元、检测单元、执行单元和压差控制器组成(图1)。 其工作机理是通过改造变频器直流回路，检测到电压暂降时，迅速导通执行单元，使储能单元向变频器直流侧提供稳定的直流电源，保证变频器输出不变。 DC-BANK 的主要工作特点：①工作模式为后备式，不需要考虑承载电机启动的冲击电流，所需容量为1.1 倍电机容量；②与变频器并联，使变频器有交、直流2 路冗余供电，且2 路相互隔离，避免相互影响；③可采用一拖多模式，几台变频器共用一套DC-BANK 的直流母线；④需要变频器开放内部直流电源接口才能实施。

图1 直流电源支撑系统(DC-BANK)示意图Fig.1 DC power supply support system(DC-BANK)

DC-BANK 已在中国石油化工企业中得到广泛、深入应用，为变频器电动机驱动系统的安全平稳运行提供了良好的保障，杜绝了因电压暂降引起的跳机故障，取得了较好的技术经济效果。 因涉及到对设备的内部改造、专业分工等问题，DCBANK 难以在中国各航天发射场推广应用。

3.3 电源侧电压暂降治理措施

不同的电压暂降治理措施具有不同的补偿能力，胡安平等[10]对现阶段电压暂降治理措施以及设备进行了较全面分析，提出了电压暂降治理设备的分类方法。 但对各类措施的工作特性以及对原系统的影响并未进行深入分析与比较。 本文主要关注3 种具有0～100%电压暂降补偿能力的治理设备，结合关键设备的负载特性对其主要工作特点进行剖析。

3.3.1 静态UPS

静态UPS 是由电力变流器、转换开关、储能装置(如蓄电池)及控制系统等组成，在输入电源故障时维持负载电力连续性的电源设备，应用较多的是在线式UPS(图2)。 当电压暂降超过UPS预定允差，UPS 进入储能供电运行方式，通过逆变器不间断向负载持续供电。

图2 在线式静态UPS 示意图Fig.2 On-line static UPS

静态UPS 的主要工作特点：①与负载串联工作，且工作模式为在线式，自身过载能力差(1.5 In/1 min)。 与电动机类负载直接相连时，启动瞬时较大的冲击电流和过低的功率因数会导致UPS 要降容使用，易造成容量的浪费；②电机制动时回馈的能量可能使直流母线电压过高，导致UPS 脱机保护，因而需要直流侧容量足够大以吸收多余能量。

静态UPS 技术成熟，多年来在中国各航天发射场已广泛应用，主要用于电子信息设备等非冲击性负载的应急供电保障，效果良好。 但当UPS带电机类关键负载时却表现欠佳，例如，酒泉卫星发射中心曾出现UPS 直接驱动摆杆时，因启动电流过大转旁路；文昌航天发射场曾出现UPS 驱动伺服电源时，因参数耦合而出现输出电压低频振荡。

3.3.2 动态UPS

动态UPS 是由一个旋转的同步电机对负载的供电质量进行补偿调控的不间断电源系统(图3)，主要由储能装置(飞轮或蓄电池)、变流器、电动机/发电机、隔离耦合电抗器组成。 正常情况下，市电通过耦合电抗器滤波后直接向负载提供有功功率，同时驱动电动机-发电机(M/G)，通过变流器维持储能装置处于满电状态。 当电压暂降幅度在50%以内时，动态UPS 将通过M/G提供无功补偿，确保输出电压稳定。 当电压暂降幅度超过50%或完全失电时，动态UPS 将自动断开输入断路器，储能单元通过驱动M/G 向负载提供不间断电源。

图3 动态UPS 示意图Fig.3 Dynamic UPS

动态UPS 的主要工作特点：①M/G 是将电动机和发电机功能合二为一的高效同步电机，过载能力强，峰值耐受能力和短时耐受能力分别达到3 In/5 s、1.5 In/2 min，短路时耐受能力强且无需转旁路；②不会产生谐波电流，可避免对市电造成谐波污染；③可以通过升压变压器接入中压配电网。

动态UPS 占地面积小，节能降耗效果显著，在全寿命成本方面有比较性优势。 有鉴于此， 动态UPS 在美国、欧洲和中国台湾地区的某些半导体芯片厂和大型数据中心中得到了较多的应用，且电压暂降抑制效果良好，但目前国内还未有实际工程应用。

3.3.3 动态电压恢复器(DVR)

DVR(Dynamic Voltage Restorer)[11]是一种用于快速补偿系统电压暂降，串接于电源和负荷之间的电压源型电力电子补偿装置(图4)，其主要元件为静态旁路、储能单元、变流器。 当系统检测到电压暂降时，静态旁路迅速打开，将市电隔离，此时储能单元通过变流器向负载供电，维持负载端电压不变。 其主要工作特点：①串入主回路的环节只有静态开关，在正常情况下静态开关短路时不影响负载供电；②并联部分平时处于热备状态，系统效率高达98%；③可以通过升压变压器接入中压配电网。

图4 动态电压恢复器Fig.4 Dynamic voltage restorer

近年来，国内诸多领域尤其是精密制造行业设备自动化程度越来越高，数控机床等精密设备曾饱受电压暂降困扰，部分企业通过安装DVR 已多次成功监测到电压暂降并实现有效治理。 太原卫星发射中心在2015 年某次发射任务中曾出现电压暂降影响加注泵工作的情况，后续为加注泵安装2 台300 kVA DVR，使用至今，运行良好。

3.4 措施比较分析

通过改善电网结构和加强线路维护，只能降低电压暂降发生概率和严重程度，并不能在电压暂降发生时产生保护效果，而且实施困难，成本较高。 相对而言，采用设备侧和电源侧的电压暂降治理设备是更为彻底的解决办法，4 种主要措施对比如表2 所示。

由表2 可见，没有哪一种措施在各项指标上都占优，各自的优、缺点均比较突出：①DC-BANK装置结构简单，可靠性高，但存在与变频器的兼容性问题；②静态UPS 技术成熟，电压暂降时无附加动作，但是对冲击性负载的适应能力差，需要降容使用，在线运行成本高，对系统原有可靠性影响较大；③动态UPS 过载、短路能力强，对主回路影响小，轻度电压暂降时无附加动作，但飞轮储能为连续旋转机械部件，检修维护要求高；④DVR 动态电压恢复器过载、短路能力强，可以兼顾无功补偿、有源滤波功能，但是国内只在某些特定行业应用。

4 电压暂降治理方案设计

中国各航天发射场均已建成使用，电压暂降治理具体实施方案需要结合场区现有实际情况。在表2 描述的4 种措施中，DC-BANK 只有在变频器内部实施改造才能实现，存在专业分工界面模糊、接口衔接关系复杂等问题。 因此，应优先利用其余3 种电源侧治理措施，根据安装位置的不同，本文提出以下3 种备选方案：

表2 电源侧/设备侧治理措施主要技术指标比较Table 2 Comparison of main technical indicators between power side and device side countermeasures

1)中压集中式治理方案：在重要开关站的10 kV母线段或重要出线回路上实施，实现集中治理。 10 kV 解决方案有动态UPS、DVR2 种措施可选，其中DVR 的10 kV 解决方案响应时间较慢，一般都不低于5 ms，对接触器类负载无法实施有效保护；动态UPS 则无上述缺点，而且串联元件相对简单，对主回路原有可靠性影响最小。 因此动态UPS 是10 kV 侧一种较为彻底、更加可靠的解决措施。

2)低压分散式治理方案：在需要治理电压暂降的低压配电末端实施，可根据应用场合的不同安装相应的抑制装置。 其中静态UPS 技术成熟，但过载能力差，适合小功率电机类设备的电压暂降治理，还可以改善电能质量；DVR 过载能力强、占地面积小、整机效率高，适合在加注泵房等电机类设备数量多、功率大、空间紧张的场合应用。

3)中低压综合治理方案：在中压侧安装动态UPS，同时在低压部分敏感设备处增设静态UPS/DVR，可实现中低压结合全方位治理。 其中中压侧措施方便集中维护管理，覆盖性强，可以解决主要来自电网侧的大部分电压暂降问题，还可以结合柴油发电机提供不间断应急供电；低压侧措施可以实现对市电电压暂降的二次治理，并消除发射场内电网产生的电压暂降影响。

以上3 种方案，没有绝对优劣之分，在具体的工程应用上需要具体问题具体分析，结合现有的安装条件与实施成本以及实际产品的可选规格等因素进行综合考虑，确定合适的电压暂降治理方案。 从自主可控角度考虑，任一种方案的具体实施都应尽量降低对系统原有可靠性的影响。 目前在世界范围内，动态UPS 的工业级应用市场基本上被德国Piller 公司、美国Active 电源公司等企业垄断，国内工程应用装置研制方面仍与上述国家存在较大差距。

与此相对，中国电力电子技术发展较快，核心功率器件研发已打破国外垄断，基于电力电子技术的静态UPS、DVR 等设备基本实现自主可控。 而且上述设备的增加对发射场适应性改造的要求较低，便于实施。 因此目前中国各航天发射场更适合采用低压分散式治理作为具体实施方案。

5 结论

1)中国航天发射场大多数关键用电设备都是由接触器、软启动器、变频器这3 类装置进行驱动控制，均属于电压敏感型设备，发射期间电压暂降对此类设备的干扰极易影响发射任务的顺利进行，因而需要采取相应的治理措施。

2)通过改善电网结构和加强线路维护，只能一定程度降低电压暂降发生概率，缓解其严重程度。 电压暂降治理的重点应是采取相应的电源备份、储能支撑技术对电压暂降进行补偿或隔离，以最大限度减少传播到负载侧的电压跌落。 相对于在设备侧进行储能支撑，在电源侧安装治理设备是更加通用且便于实施的一种方案。

3)根据对安装地点和治理措施的择优选择，中国航天发射场可在中、低压侧分别治理或综合治理电压暂降。 结合各航天发射场现有的安装条件与实施成本，并从自主可控角度优先考虑，在低压侧采用DVR 分散式治理是目前更为适合的电压暂降解决方案。