电压暂降对敏感用电设备的影响及治理方案研究

毛拥军

（南京瑞浔电力科技有限公司 江苏 南京 210000）

引言

当前，电力系统中的各类敏感性负荷显著增加，特别是在高端制造业中敏感性负荷被大量部署，该类型负荷对电压相对敏感，电压暂降等电能质量问题会对其安全运行造成显著影响，为了实现安全生产，降低各类型电能质量问题对生产线的影响显得尤为重要。本文分析了敏感性负荷对电能质量的要求、对电压暂降问题进行了相对系统的概述并分析了其对高端制造业的危害，并提出对应的技术解决方案，旨在帮助相关企业和技术人员对敏感性负荷进行详细的认识并了解该类型问题的基本解决思路。

1 电压暂降概述及危害分析

通常人们将对生产、生活造成一定影响的电压暂降、电压短时中断俗称为“晃电”。电压暂降是一个相对宽泛的概念，但是可以根据相关标准对其有一定的界定，参考在IEEE标准及国标（《电能质量电压暂降与短时中断》（GB/T 30137—2013））可以总结出对电压暂降和电压短时中断的定义。其中，电压暂降定义为电力系统中某点工频电压方均根值突然降低至0.1～0.9 pu，并在短暂持续10 ms～1 min后恢复正常的现象。电压短时中断定义为：一相或多相电压瞬时降低到0.1 pu以下，且持续时间为10 ms～1 min的现象。

“晃电”成因“晃电”的主要内涵——电压暂降、电压短时中断，其原因大致总结如下：

（1）设备原因，如：雷电及自然灾害等引起的电气设备故障；日常运行的电气设备发生故障；继电保护、自动装置以及电气设备误动作。

（2）操作原因，如：误操作；大型电气设备启动；大型变压器投入。

（3）电力系统原因，如：供配电系统故障切除、备用电源的切换等过渡过程中，都伴随着电压暂降、电压短时中断。

不论何种原因，电压暂降即“晃电”现象都是以意外情况为诱因，以设备异常工况为表现，最终传递到用电侧（用户）。根据定义分析得知该现象是电力系统运行中常见的电能质量问题，突出面临的是外部原因造成快切装置动作、电能质量不稳定等特殊运行状态，进而造成电压暂降问题。总的来说，电压暂降是最严重的电能质量问题之一，会导致敏感工业用户生产中断，造成严重的用户经济损失。

2 面向敏感负荷电压暂降问题的补偿装置

电力系统基于其运行的特殊性和实际操作性难以提供完全稳定的电能，企业通常也无义务投入大量资金进行系统级的电压暂降等电能质量问题的治理。总体来说，在电网侧和工业用户之间部署有效的电能质量补偿装置是主流的解决方案，市面是常见的商业级电压暂降补偿设备包括但不限于以下：固态切换开关、不间断电源、动态电压恢复器。

2.1 不间断电源（UPS）

不间断电源（Uninterruptible Power Supply），是一种典型的基于化学能储能的补偿装置。遇到电力系统故障造成的供电中断问题时，不间断电源可以有效的缓解该问题，提高时长不等的后备电能支撑，改善电压暂降问题。不间断电源在工业中的部署方式通常有两种，基于在线方式的不间断电源部署方式具备较快的响应速度，可以瞬时改善电压暂降问题，但是该种部署方式会造成较高的电能待机损耗通常约为10%。结合快速开关的后备部署方式也具有较快的响应速度，同时可以节省在线待机的能量损耗，然而需要考虑快速开关的投入成本。总体来说，不间断电源作为小规模敏感负荷的电压暂降补偿装置较为合适，大规模部署不间断电源为造成较高的维护成本和较大的占地面积。同时，不间断电源基于其运行特性也无法对剧烈变动的负载进行有效的补偿。

2.2 固态高速切换开关（SSTS）

当企业或者工厂具备多母线或多变电站协同后备供电布线方式时，部署固态高速切换开关（Solid State Transfer Switch）可有效的解决电力系统故障造成的电压暂降或供电中断等电能质量问题。高速切换开关能够实现在一路故障时快速切换供电线路的功能，有别于普通切换开关，高速切换开关可实现10ms内的快速响应和切换，确保供电的可靠性，降低了因电能质量问题造成的生产线停产或大规模出现残次品等问题。同时，固态高速切换开关体积小且工作过程不产生电弧，因此具备易部署、高可靠性且便于维护等优势。综上所述，固态高速切换开关可以被看作是一种成熟的大功率负荷电压暂降的解决方案。需要注意的是固态高速切换开关不能单独克服电压暂降问题，需要搭配单独的备用电源或者是部署在有备用母线和变电站的厂区。

2.3 动态电压恢复器（DVR）

在电网侧和工业负荷间合理的部署动态电压恢复器是一种可用于工业生产中电压暂降问题的解决方案。同时，动态电压恢器可以安全、有效的治理电压暂降、适时中断、暂升问题保护负载设备，同时具备滤除谐波，补偿无功功率等功能。实现一机多用，综合治理。动态电压恢复装置具有较快的响应速度，甚至可以达到1ms内响应。补偿时间相对灵活，可以根据不同制造业的需求定制对应的补偿时间。对比其他不同方式的电压暂降补偿措施，基于动态电压恢复器的方案具备补偿范围广和补偿精度高的技术优势，补偿精度可达到1%以内，适用于对电压稳定性要求较高的高端制造业。然而，市面上现有的动态电压恢复装置仍然有一定的技术瓶颈和短板，当网侧电压迅速跌落至30%以下时，动态电压恢复装置难以进行有效的补偿或难以进行较长时间的电压支撑。综上所述，当电网侧电压暂降范围在在0-30%的区间范围内时，动态电压恢器可以被看作是一种较好的解决方案。

3 针对不同应用场景的电压暂降治理措施

3.1 常规补偿场景下的治理措施

动态电压补偿装置可以满足多种工业场景和电压暂降问题。考虑到动态电压补偿装置内部并不包括化学储能机制也无动态机械结构，因此属于一种维护和维修成本相对较低的解决方案。对于常规的瞬时电压暂降问题，电网侧的电能质量能够较快的进行自愈，因此生产线并不需要时间较长的电压补偿。同时，无化学储能设备和复杂机械结构可以显著地提高动态电压补偿装置的可靠性，也可以降低对环境的污染。动态电压补偿装置的低损耗和高可靠性，使工业界以较低运行成本构建电压暂降保护系统成为可能。动态电压补偿装置的应用功率范围相对较广，从单相200VA 到三相3MVA，可用于保护元器件(如变频器、伺服控制器、稳压电源、接触器、PLC等)，单台设备(如控制柜、机器人、数控机床等)或整个变压器母线出线柜。所以动态电压补偿装置是常规电压暂降场景下的理想解决方案。

3.2 极端补偿场景下的治理措施

从3.1分析可以得出动态电压恢复器是性价比较高且易于部署的的选择，可以有效解决工业用户面临的大多数电压暂降问题。然而，在特定极端情况下的电压瞬降达到 80%，甚至100%，远超现有市面上各类动态电压恢复器的性能指标，单纯部署动态电压恢复器难以满足业主之需求。固态高速切换开关需要容量足够大的备用电源作为支撑，构建稳定的固态高速切换开关＋备用电源成本较高。综上，推荐使用工业级在线式不间断供电系统作为解决极端补偿场景下的治理措施。

4 结束语

电压短时中断及电压暂降等现象是电力系统运行过程中常见的暂态干扰，造成这类电能质量问题的原因在不同的地区有一点的差异，发生的次数和严重程度也不尽相同。因此，不同制造业和不同区域在治理该类型电能质量问题时采用的方案也需要有针对性的定制化制定。特别是对高敏感负荷通过部署合适的补偿装置甚至重新部署改造场内供电模式可以显著克服电压短时中断及电压暂降问题带来的影响，多种措施并用可减少终端用户、电网及全社会因电压暂降引起的经济损失。本文首先对电压暂降问题进行概述并分析其对敏感负荷的危害，然后对目前普遍且推荐的补偿装置（包括：不间断电源、固态切换开关、动态电压恢复器）进行了精细化分析，进而针对不同应用场景的提出相应电压暂降治理措施推荐。