基于政企联动的区域电压暂降治理机制研究

2022-09-03冯洋郑志祥徐艺郑宇

电器工业 2022年8期

冯洋郑志祥徐艺郑宇

（国网浙江省电力有限公司衢州供电公司）

0 引言

电网中各种扰动引发的电能质量问题，总体可分为稳态扰动和暂态绕动态两大类。稳态扰动包括电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动和闪变以及三相电压不平衡等，对于这类电能质量指标，基本已形成一套行之有效的标准和分析计算方法，工程上也有大量成熟的治理技术和装置可供选择。暂态扰动包括电压暂降、暂升、短时中断、电压脉冲和浪涌等，这类扰动产生原因往往具有突发性和偶然性，包括事故、操作和负荷突变等，电压幅值变化很大，往往伴有波形剧变，且持续时间从纳秒（ns）级到秒（s）级不等，一般限定在1分钟（min）之内，但目前国际上尚无可推广使用的衡量电力系统电压暂降的指标体系。

随着微电子技术、计算机与数字化技术、智能化控制技术和精加工技术等的迅猛发展，部分敏感性负荷用户对电能质量扰动愈发敏感，且大多集中于对暂态电能质量扰动的影响，其中最为突出、代价较大的问题之一就是电压暂降[1-2]。电压暂降虽然未造成电源与用电设备之间的电气连接中断，但敏感设备不能获得所需质量的电能，会影响甚至破坏用户设备或生产线的连续性工作，可能对用户造成一定损失[3]，如何防范和治理电压暂降已引起政府、电力部门和用户的极大关注。

1 电压暂降产生机理与相关标准

1.1 国内外电压暂降标准差异分析

国家标准《电能质量电压暂降与短时中断》（GB/T30137—2013）对电压暂降和短时中断的定义为：电压暂降Voltage Dip（Sag）：电力系统中某点工频电压方均根值突然下降至0.1~0.9标幺值，并在短暂持续10ms~1min后恢复正常的现象；短时中断Short Interruption：电力系统中某点工频电压方均根值突然下降至0.1标幺值以下，并在短暂持续10ms~1min后恢复正常的现象。广义上讲，短时中断可以理解为属于电压暂降的范畴，但国标中未对电压暂降提出任何限制性条款。

比对国际标准，欧洲标准EN50160和国际电工委员会标准IEEE中定义基本相同，仅在持续时间上略有差异，如图1、图2所示。

图1 EN50160定义的电压事件（欧标）

图2 IEEE ste.1159—1995定义的电压事件

1.2 电压暂降产生原因与机理

电压暂降是电网运行时出现的难以避免的短时扰动现象，其本质是电力系统运行过程中突然产生的大电流引起的电压突变，产生的原因主要包括系统故障、雷击故障、感性电机启动、大型变压器投入等方面[4]。大多数电压暂降事件持续时间小于1s，跌落深度小于0.6标幺值。某些地区可能因负载切换而频繁发生深度在0.1~0.15标幺值之间的电压暂降事件。钢铁、铝业制造或电镀等企业谐波未得到有效治理，也将通过电网影响电压敏感客户的正常生产。

1.2.1 系统故障引起电压暂降的机理

系统故障时引起电压骤降的原因之一。目前配电系统中的线路主保护是电流保护，该保护的最大缺陷是线路中相当大部分区域上的故障不能无延时地予以切除。此外，即使采用无延迟保护，从发现故障到断路器开断故障，需要时间大约在3~6个周期之间，故障期间会造成母线或附近区域电压降低，当故障线路及其附近线路上接有敏感负荷时，将会因电压骤降而被跳闸退出。另外，当保护动作后伴随重合闸时，同样可能出现由此引起的电压骤降现象。

1.2.2 雷击引起电压暂降的机理

雷击引起的绝缘子闪络或线路对地放电是造成系统电压暂降的又一原因。线路雷击后会产生雷电行波在系统中传播，系统中各节点电压由于行波传播与折反射会上升波动。若雷电流超过线路的耐雷水平，线路绝缘就会发生冲击闪络，雷电流沿闪络通道入地，由于时间仅几十微秒，线路开关来不及动作，工频短路电流继续流过闪络通道并建立起稳定电弧持续燃烧，形成接地故障，线路将跳闸。

1.2.3 感应电机启动引起电压暂降的机理

大型电动机（负荷）启动时也会引起电压暂降。电动机在启动时，启动电流为正常时电流的10倍以上，其对电动机附近变电站母线的影响相当于正常时10台电动机同时工作，因此会造成电动机附近电压骤降，从而可能引起其他敏感设备不正常工作甚至退出工作。当电动机为某一馈线的主要负荷时，该类影响更为严重。

1.3 国网电压暂降限制性标准

随着IT设备及控制系统在用户设备中的广泛应用，电压暂降对高敏感负荷的影响日趋严重，国际相关机构陆续出台了电压暂降的限制性标准。

1.3.1 对用户设备的限制标准

电压暂降产生原因多源复杂，需要电网公司和敏感性用户共同采取措施。从治理总社会成本最优化的角度出发，国内外专家学者普遍认同敏感性用户提高自身对电压暂降的免疫力是决定电压暂降影响的关键。美国等对电压质量要求较高的行业已制定了生产设备的电压暂降免疫标准，比较典型的有ITIC曲线、SEMI47曲线[5]。该曲线明确了企业用户入网运行设备需具备的耐受电压暂降的能力，并以此对设备制造商提出相应要求。若入网设备无法满足要求，则企业用户需自行采取治理措施。

美国信息技术工业协会的ITIC曲线是美国大型计算机制造商的建议性标准，如图3所示，发生包络线内的电压扰动时计算机应能持续工作，否则属于制造商产品质量问题。

图3 ITIC曲线

国际半导体设备联盟对电源品质较高要求的半导体制造业制定了供电系统电压下降应变能力的强制性技术标准SEMI F47-0706，如图4所示。规定半导体制程设备对电压暂降的耐受时间，在电压为50%标称值时为0.05~0.2s，在电压为70%标称值时为0.2~0.5s，在电压为80%时为0.5~1s。

图4 SEMI F47曲线

此外，CIWA南非国家标准NRS 048-2:2003中，规定了用户侧电气设备要求能够具有电压暂降到70%时承受150ms、80%时600ms，大于80%时长期运行的抗扰度水平。国际大电网会议（CIGRE）也成立了专门的联合工作组研究电气设备的电压暂降抗扰度水平。

中国的《电磁兼容试验和测量技术电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度试验》（GB/T17626.11—2008）中提出：商用和公用环境中的用电设备，一般应能承受70%Ue，持续时间为0.5s的电压暂降，该标准是试验标准且为推荐标准。

1.3.2 对电网公司的要求

国外标准对电压暂降给出了相关定义、推荐指标及监测要求等，并对电压暂降的监测提出了具体的算法和要求，但暂未提出对电网公司的强制性要求，电网公司着重从防范电网系统故障方面，降低发生电压中断的概率。

2 某工业园区电压暂降案例分析

据沿海地区某工业园区供电“闪断”数据显示，该区域共有高压用户564家，其中有10家企业反映出现供电“闪断”问题，引起了当地政府和电网公司的重视，进行专项分析与治理。

2.1 用户供电“闪断”情况分析

针对10家重点用户的调研，所反映的88次“闪断”中，有记录的57次，与该区域电网故障情况进行关联分析，由供电中断引起的4起，供电未中断的其他原因引起53起，具体情况如表1所示。

由此可见，反映电压暂降的用户占片区用户总数的1.77%，对于记录的“闪断”现象，供电中断引起的占7%，其余93%非供电可靠性问题。

2.2 故障频次及原因分析

对该区域三年以来的配网故障情况进行分析，如表2所示。由此可见，自然因素、设备故障、用户故障和外力破坏是造成配网故障的主要原因，尤其随着配电网改造的不断推进，抗自然灾害能力增强，用户和外力破坏逐渐成为需重点关注的故障原因。

3 政企联动电压暂降治理措施

由电压暂降的产生机理、国内外标准和实际案例分析结果，结合国内外电压暂降研究经验，改善电压暂降对用户设备的影响，需要政府、电网公司和企业用户三方共同努力，开展综合治理[6]。其中，电网公司主要降低电网侧故障以减少电压暂降发生概率；企业用户主要提升设备对电压暂降的免疫力，同时降低用户侧设备引起电网跳闸的频度；政府则作为总体协调，平衡电网公司与企业用户之间的治理措施，通过电力行政联合执法，建立防外力破坏和外部环境治理的长效机制，推动三方综合治理。

表1 用户“闪断”次数及原因统计表

表2 某工业区域2018~2020年配网故障情况分析表

3.1 加强电网电压动态监测

电压暂降的发生具有随机性、偶发性等特点，其发生频度和电网质量、结构、地理气象条件、运行维护水平等因素有关，其影响大小和用电负荷性质和工况有关，需长期监测、统计基础上，发现暂降原因，针对性采取措施。在电网侧，通过在与敏感用户相关联的变电站侧加装故障录波、电能质量监测装置，监测日常运行时各线路及母线电压、谐波，开展数据分析，为中长期治理电压暂降问题提供理论和数据支撑。在敏感性用户侧，加装电能质量监测装置，重点监测统计用户内部电气故障、负荷快速变化、谐波等事件引起的电压暂降。

3.2 降低电压暂降发生频度

3.2.1 提升设备用户健康水平

根据调研情况，大多用户设备自投运以来基本未开展检修，随着用户设备常年运行，运行环境未及时维护，用户设备发生故障的概率明显增加。用户应加强用电设备运行环境整治及设备检修，更换老旧设备；政府牵头组织用电检查，电网公司可提供技术支撑，切实提升用户设备健康状况，减少用户侧引起的故障频度。

3.2.2 强化电网设备精益运维

电网侧加强线路运维巡视，采用无人机、红外测温仪、局部放电测试仪等智能化巡检设备强化线路、设备日常巡视工作。开展重要用户所在线路特殊巡视，根据巡视结果推进重要用户所在线路的主动检修工作，降低线路曲线隐患，提高供电可靠性。

3.2.3 加强电力设施外破防范

随着政府投资加大，各处施工增加，外力破坏引发线路故障明显增加。制定政企联动防外破机制，由政府牵头建立长效防外破和外部环境治理机制，开展外力破坏供电设施专项治理，强化电力执法力度，进一步减少外力破坏引起的线路跳闸，保障用户的用电可靠性。

3.3 降低电压暂降的幅值

消除电压暂降影响最成熟的办法是成为定制电力技术，主要指在用户端安装电压暂降补偿装置（稳压器），包括增强型并联无功补偿装置和串联型动态电压恢复装置等，不但能有效避免发生电压暂降、中断、波动及闪变对负载的影响，还能对输出电压进行幅值调节，保证正常的电压输出。此外，动态电压恢复器（DVR）也可根据电网的实时运行情况，在毫秒级的时间内输出相应幅值和相位的补偿电压，从而抑制电网电压暂降对重要负荷的损害[7]。

3.4 降低电压暂降的持续时间

3.4.1 缩短故障清除时间

电压暂降持续时间很大程度上取决于短路故障消除（切除）的速度，可研究线路保护时限缩短的可行性。用户侧设备各类短路故障也未全部实现速断，应加强保护各级配置配合的研究，特别对用户设备频繁故障的情况可考虑局部牺牲保护选择性，以控制用户设备故障波及其他敏感性用户。

3.4.2 采用固态切换开关（SSTS）

低压自动投切需要配置双电源供电，在常用电源电压暂降或断电情况下，可通过固态切换开关在短时间内在低压侧切换至备用电源供电。

3.5 提高用户设备的电压暂降免疫力

企业购入新设备时关注设备是否存在电能质量的特殊要求，从设备制造商处获得该设备的免疫力基本信息资料，参考GB/T17626.11—2008标准制定合同条款。已有敏感性设备的企业通过寻求现有设备的免疫力提升措施而解决电压暂降的影响，如某药业公司仅通过对关键设备配置了50kW的UPS即有效缓解了“闪断”。