机场电压波动定量分析及应对措施

王家麟

摘  要：机场在地方经济建设、对外开放及民生保障等方面起发挥举足轻重的作用，由于其重要性，电力行业将机场定为一级特别重要负荷，良好的电能质量是机场安全运行的本质要求。该文通过统计银川机场2020—2022年电压波动数据包括电压降（升）幅值、波动持续时间、频次等，研究电压波动的原理及产生原因，分析影响范围及危害，针对性地提出技术、管理、应急等方面预防性措施。

关键词：机场；电力系统；电压波动；电压暂降；幅值

中图分类号：TM714.2      文獻标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）08-0137-04

Abstract： The airport plays an important role in local economic construction， opening to the outside world and the protection of people's livelihood. because of its importance， the power industry regards the airport as a particularly important load， and good power quality is the essential requirement of airport safe operation. Based on the statistics of voltage fluctuation data of Yinchuan Airport in the past three years， including voltage drop/rise amplitude， fluctuation duration， frequency and so on， this paper studies the principle and causes of voltage fluctuation， analyzes the scope of influence and harm， and puts forward preventive measures in technology， management， emergency and other aspects.

Keywords： airport; power system; voltage fluctuation; voltage sag; amplitude

银川机场共有1#、2#两个35 kV中心变电站，分别由2条35 kV线路提供供电电源，每一个变电站的2路电源分别来自上级不同的变电站，站内运行方式为单母分段运行，2段电源互为备用，具体见表1—3。

1  电能质量及电压波动概述

1.1  电能质量

电能质量可以从电力系统稳态和暂态2个方面进行分析，稳态电能质量包括三相电压不平衡、电压闪变、频率偏移等。暂态电能质量低通常指的是正弦波形受到暂态的电压扰动而发生的畸变，从而引起电能质量的污染各种问题，包括电压骤降、波动、电压中断、振荡、脉冲暂态及谐波等。

1.2  影响电能质量的因素

近年来，随着灵武市及机场周边各类企业的快速发展，电网建设愈发迅速，但由于各类生产企业的负荷及设备各异，运行时间和运行方式也迥乎不同，伴随非线性、冲击负荷的使用及大功率设备投切等，使电网中产生谐波、三相不平衡及电压波动等现象。

1.3  电压暂降的定义

电压暂降是指供电电压有效值在短时间内突然下降又回升恢复的现象。国际电工委员会（IEC）则将其定义为下降到额定值的90%～1％之间，持续时间为10 ms～1 min。

1.4  电压波动的概述

电压波动的定义应追溯于GB/T 12326—2008《电能质量电压波动和闪变》，其中对电压波动的具体定义是“电压方均根值（有效值）发生一系列变动和连续的改变”。

电压波动其特点是具有瞬时性和不可预见性，而且会一直伴随电网而存在，以目前的技术根本无法消除它，但可以通过各种措施来降低其出现频率和不利影响[1]。电压波动的特征可以用压降的幅值、持续时间、相位的跳变以及频次来描述，通过对各类数据的记录，力争寻求减少电压波动频次，降低电压波动危害。

2  银川机场电压波动统计及分析

电压波动是电力系统正常运行不可避免的电能质量降低现象，最严重的是电压暂降和电压暂中断[2]，这两者之间更有可能发生的是电压暂降。电压暂降是多维度刻画波动事件的物理量，包括电压降（升）幅值、波动持续时间、发生时间、暂降（升）频次等。治理银川机场电压波动现象，需要从数据源入手展开分析，通过对电压暂降发生时间、频次和压降幅值等特征量进行统计分析，有助于揭示电压波动原因，了解线路波动水平，为波动治理及预防提供基本依据。

下面采用数据统计分析的思想，对银川河东国际机场电压波动监测数据进行特征量计算和分析，明确2020—2022年电网的电压波动信息，通过对信息的计算与分析，为后续电压波动事件评估和治理决策提供有力的数据支撑。

2.1  电压波动幅值的计算与分析

供电站中心变通过现有综合保护测量装置PMC-851V所采集的线电压、动作及返回时间等数据，监测到的暂降数据为三相瞬时电压，应用式（1）计算各相电压有效值，三相波形最低的电压幅值即为该事件的暂降幅值

Vrms（i）=，（1）

式中：N为每周期的采样点数； 为采样的瞬时电压。通过对2020—2022年发生电压波动并被后台记录的183组数据的电压等级包括银川机场供电站的1#、2#中心变电站Ⅰ、Ⅱ段进线，本节将电压幅值区间[0，0.99]分为5个子区间，并考虑幅值大于1.0 pu的电压暂升，分不同线路段对三相电压幅值进行统计分析，结果见表4。

根据表4的统计数据，结合电压波动数据和各用户反馈设备运行状况：2#中心变Ⅰ、Ⅱ段电网每一相电压暂降幅值分布规律大致相同，超过80%的电压暂降幅值高于0.6 pu，多数集中在0.6～0.99 pu，一般来讲，幅值高于0.8 pu时，高低压供配电设备不会动作，绝大多数设备不会被影响，只有廊桥附属400 Hz中频电源会出现保护动作而掉电的情况，应考虑在桥载设备侧采取相应技术措施，例如加装动态不间断电源（DUPS）、动态电压补偿器（DVR）等消除波动影响。当电压暂降至0.6～0.8 pu时，影响范围大多为航站楼行李系统、廊桥电机等机电设备，此类机电设备的保护装置动作导致设备暂停，但市电未断，同样可考虑增设DUPS、DVR或降低保护装置灵敏度的方式，同时也应加强运维人员的应急处置能力，缩短设备恢复的时间。ATS双电源装置、变频器的保护设置基本在0.4～0.6 pu，当电压暂降至0.4～0.6 pu时，航站楼部分敏感设备的双电源会切换，切换时间极短，对于部分不带UPS的生产设备来说，会短暂地“闪”一下，需要重启机器才能继续使用，给运行带来了一定影响，降低了服务质量。但对于生产监控电脑、X光机等带有不间断电源（UPS）的设备来说，则不受影响。因涉及范围广，影响设备多，所以这个区间的电压暂降需要重点关注，应考虑负荷重要性和对工作连续性的要求，增加的UPS同时应加强现场的应急处置能力，确保可迅速重启设备。电压暂降至0.4 pu以下的情况较少，低于0.4 pu的电压暂降一般都会导致各10 kV用户侧低压框架断路器开关脱扣跳闸，导致配电线路单段失电，但前提是电压暂降持续时间超过断路器设定值，银川机场T3航站楼10 kV变电站的设定值为1.5 s，但通常波动无法持续这么长时间，所以很少发生因电压波动造成400 V框架断路器跳闸的情况。就发生波动范围来看Ⅱ段线路发生的频次较高，说明Ⅱ段线路上级灵武变电站较Ⅰ段上级河东变所辖用户更多，架空线路所处环境也更复杂，所以更容易受到波动影响。

2.2  基于电压波动持续时间的原理分析

由表5可知，Ⅰ段和Ⅱ段进线绝大多数电压波动持续时间都集中在0.05～0.50 s的时间范围内，超过0.50 s的波动发生次数较少，这与上级线路的保护装置动作时间设置有关，电压等级越高的电网，保护动作就越迅速，故障切除速度越快，因此闪断时间没有超过1 s的情况。银川机场采用35 kV进线，因电压等级不高同时上级变电站多数负荷为农网线路，用户多是各类小型企业和工厂，小型企业及工厂的用电质量不高且多为感性负载，经常无规律停送电，导致上级变电站母线产生压降，从而影响机场供电线路电压暂降。综上所述，改变上级变电站负荷几乎不可能，只能提高机场供电电压等级，电压等级高，受到其他小用户的影响就会降低，这是降低电压波动概率的一种最直接方式。

2.3  基于电压波动发生时间的原理分析

由图1可知，就2020—2022年的数据来看，第二季度是发生电压波动的主要季节，银川地处西北内陆，第二季度正值春夏交替季节，大风、强降雨等天气较多。雷雨天气可能导致线路雷击从而引发瞬时短路；大雾或小雨天气可能导致绝缘子会因污尘太多而发生对地放电造成污闪；大风天气可能会将杂物吹至线路上，更容易造成线路放电、短路等事故。天气原因造成的波动持续时间长、发生的频率高、造成的破坏大，是波动发生的又一重要原因。因此，特殊天气下应加强线路巡查，同时及时与上级供电部门沟通在特殊天气时应加强对机场供电线路的关注。

3  银川机场电压波动治理对策

3.1  政企联动电压波动治理措施

电压波动其来源特殊性以及产生原因的多样性，决定了电压波动不是单单一个单位或一个用户就能彻底治理的，整个电网中的一个点发生问题或故障，就可能造成大网中的所有用户发生波动，治理电压波动，需要政府、電网公司和用户三方共同努力以协调配合、群防群治进行综合治理。其中，电网公司要保证供电线路，从电网电源侧出发降低和减少电压波动发生的概率，并且要及时与下级用户沟通，根据各类用户的负荷性质提出相应用电建议；企业用户要确保各主要提升各类设备对电压波动的防御力和抵抗力，同时降低用户侧设备引起电网跳闸的频度；政府部门（电力监管部门）作为行业指导和监管单位，应积极介入电网公司和用户企业对电能质量进行总体协调，协调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，建立防止线路破坏、外部环境治理、规范用电负荷使用等方面的长效机制，推动三方综合治理[3]。

3.2  加强银川机场电网电能质量的监测

电压波动监测是降低电压波动影响和分析电压波动原因查找故障点的重要抓手，加装录波装置可以解决线路监测问题，一是可以实时精准提供报警，二是还能显示具体的数据和波形作为分析参考以便查找故障原因。电网波动具有瞬时性和不可预见性，波动发生时往往供电侧不会有任何动作，但用户侧的敏感设备已经跳闸或不能正常运行，各区域供电保障单位接到用户的反馈再进行应急处理，拖延了处置时间。现银川机场使用的中电PMC-851型微机保护装置，不能实时监测到所有电压波动数据，例如相位跳变，只能通过事后查找某一个时间段内电压波动的幅值和持续的时间确定波动影响，数据分析不全面。加装故障录波装置对电能质量的监测提供了更实时、精准的条件，并且通过加装通讯和联锁装置，可实现区域监控系统报警功能。

3.3  信息化提升电压波动应急处置效率

电压波动发生后，供电站值班人员传统的处置方案是通过线下电话通知现场运行指挥中心和重要用户，逐级上报至部门值班领导和安全管理人员，并编辑相关电压波动信息，发至部门安全信息群、机场停送电联系群等。冗长的信息通报过程导致预警信息不能快速传达，并且用户不能根据提供的线路信息判断影响范围。因此只有进行有效的精细化管理，利用信息化手段提高应急处置效率。一是实现一键启动电压波动预警，通过银川机场现使用的办公软件“钉钉”，建立相应预警流程，在电压波动发生时将基础信息填入钉钉系统一键发送即可迅速告知值班、部门领导，通知重要用户及时检查故障线路设备，有效缩短故障处置时间，保证预警和应急处置的时效性。二是根据波动数据确定影响范围，多方配合梳理电源与末端负荷的对应关系，供电站只需将波动线路、暂降幅值、持续时间等要素输入流程，针对不同的用户，系统会提示相应的影响范围，给用户排查线路、设备提供明确指南。

2.4  用户侧加装抑制波动设备

当前银川机场为保证供电稳定性采取了很多技术措施，包括35 kV变电站和重要10 kV变电站采用的静止无功发生器（SVG）以提高功率因数减小谐波畸变的影响；重要机组及关键设备采用不间断电源（UPS）和应急电源（EPS）；重要回路采用备自投及双电源（ATS）供电；重要10 kV变电站安装应急柴油发电机等。但电压波动属于动态电压质量问题，应根据敏感设备的具体情况加装动态电压稳定装置抑制波动。为确保电网的动态电压稳定，保证敏感负荷供电，尤其是针对受电压波动影响最大的400 HZ中频电源来说，笔者认为动态电压恢复器（DVR，dynamic voltage restorer）最为合适。DVR是一种串联在负荷回路中的一种装置，当市电电压暂降时，DVR向回路中注入一个幅值、相位可控的串联补偿电压，以保证负荷电压恒定。原理如图2所示。

动态电压恢复器处于空载运行状态不会消耗能量，当电力系统出现电压暂降时，动态电压恢复器可以在毫秒内将补偿电压注入到负荷回路中保证敏感设备平稳运行。与UPS相比动态电压恢复器的响应速度更快、不需要提供负荷额定补偿电压，动态性能更好，并且其结构简单，占地面积更小，更适用于400 Hz中频电源。

4  结束语

电压波动是影响机场供电安全的重要原因之一，轻则引起设备停机、损坏，重则导致供电中断事件。机场供电安全事关航班飞行安全，切不可小觑，电压波动治理也是多方面、多部门需要协调配合去解决的重要问题，要充分采取管理、技术、应急等措施，有效降低发生的概率和影响范围，为民航安全保驾护航。

参考文献：

[1] 程俊好，刘庭平.浅谈浦东机场电网波动的应对措施[C]//《上海空港》编辑部，《上海空港》第14辑，2012：30-38.

[2] 方铭，李天楚.海南电网电压暂降监测数据特征分析[J].四川电力技术，2022，45（3）：35-40.

[3] 冯洋，郑志祥，徐艺，等.基于政企联动的区域电压暂降治理机制研究[J].电器工业，2022（8）：76-80.