電壓暫降對敏感用電設(shè)備的影響及治理方案研究

毛擁軍

（南京瑞潯電力科技有限公司 江蘇 南京 210000）

引言

當(dāng)前，電力系統(tǒng)中的各類敏感性負(fù)荷顯著增加，特別是在高端制造業(yè)中敏感性負(fù)荷被大量部署，該類型負(fù)荷對電壓相對敏感，電壓暫降等電能質(zhì)量問題會對其安全運行造成顯著影響，為了實現(xiàn)安全生產(chǎn)，降低各類型電能質(zhì)量問題對生產(chǎn)線的影響顯得尤為重要。本文分析了敏感性負(fù)荷對電能質(zhì)量的要求、對電壓暫降問題進(jìn)行了相對系統(tǒng)的概述并分析了其對高端制造業(yè)的危害，并提出對應(yīng)的技術(shù)解決方案，旨在幫助相關(guān)企業(yè)和技術(shù)人員對敏感性負(fù)荷進(jìn)行詳細(xì)的認(rèn)識并了解該類型問題的基本解決思路。

1 電壓暫降概述及危害分析

通常人們將對生產(chǎn)、生活造成一定影響的電壓暫降、電壓短時中斷俗稱為“晃電”。電壓暫降是一個相對寬泛的概念，但是可以根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對其有一定的界定，參考在IEEE標(biāo)準(zhǔn)及國標(biāo)（《電能質(zhì)量電壓暫降與短時中斷》（GB/T 30137—2013））可以總結(jié)出對電壓暫降和電壓短時中斷的定義。其中，電壓暫降定義為電力系統(tǒng)中某點工頻電壓方均根值突然降低至0.1～0.9 pu，并在短暫持續(xù)10 ms～1 min后恢復(fù)正常的現(xiàn)象。電壓短時中斷定義為：一相或多相電壓瞬時降低到0.1 pu以下，且持續(xù)時間為10 ms～1 min的現(xiàn)象。

“晃電”成因“晃電”的主要內(nèi)涵——電壓暫降、電壓短時中斷，其原因大致總結(jié)如下：

（1）設(shè)備原因，如：雷電及自然災(zāi)害等引起的電氣設(shè)備故障；日常運行的電氣設(shè)備發(fā)生故障；繼電保護(hù)、自動裝置以及電氣設(shè)備誤動作。

（2）操作原因，如：誤操作；大型電氣設(shè)備啟動；大型變壓器投入。

（3）電力系統(tǒng)原因，如：供配電系統(tǒng)故障切除、備用電源的切換等過渡過程中，都伴隨著電壓暫降、電壓短時中斷。

不論何種原因，電壓暫降即“晃電”現(xiàn)象都是以意外情況為誘因，以設(shè)備異常工況為表現(xiàn)，最終傳遞到用電側(cè)（用戶）。根據(jù)定義分析得知該現(xiàn)象是電力系統(tǒng)運行中常見的電能質(zhì)量問題，突出面臨的是外部原因造成快切裝置動作、電能質(zhì)量不穩(wěn)定等特殊運行狀態(tài)，進(jìn)而造成電壓暫降問題。總的來說，電壓暫降是最嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題之一，會導(dǎo)致敏感工業(yè)用戶生產(chǎn)中斷，造成嚴(yán)重的用戶經(jīng)濟(jì)損失。

2 面向敏感負(fù)荷電壓暫降問題的補償裝置

電力系統(tǒng)基于其運行的特殊性和實際操作性難以提供完全穩(wěn)定的電能，企業(yè)通常也無義務(wù)投入大量資金進(jìn)行系統(tǒng)級的電壓暫降等電能質(zhì)量問題的治理?？傮w來說，在電網(wǎng)側(cè)和工業(yè)用戶之間部署有效的電能質(zhì)量補償裝置是主流的解決方案，市面是常見的商業(yè)級電壓暫降補償設(shè)備包括但不限于以下：固態(tài)切換開關(guān)、不間斷電源、動態(tài)電壓恢復(fù)器。

2.1 不間斷電源（UPS）

不間斷電源（Uninterruptible Power Supply），是一種典型的基于化學(xué)能儲能的補償裝置。遇到電力系統(tǒng)故障造成的供電中斷問題時，不間斷電源可以有效的緩解該問題，提高時長不等的后備電能支撐，改善電壓暫降問題。不間斷電源在工業(yè)中的部署方式通常有兩種，基于在線方式的不間斷電源部署方式具備較快的響應(yīng)速度，可以瞬時改善電壓暫降問題，但是該種部署方式會造成較高的電能待機損耗通常約為10%。結(jié)合快速開關(guān)的后備部署方式也具有較快的響應(yīng)速度，同時可以節(jié)省在線待機的能量損耗，然而需要考慮快速開關(guān)的投入成本?？傮w來說，不間斷電源作為小規(guī)模敏感負(fù)荷的電壓暫降補償裝置較為合適，大規(guī)模部署不間斷電源為造成較高的維護(hù)成本和較大的占地面積。同時，不間斷電源基于其運行特性也無法對劇烈變動的負(fù)載進(jìn)行有效的補償。

2.2 固態(tài)高速切換開關(guān)（SSTS）

當(dāng)企業(yè)或者工廠具備多母線或多變電站協(xié)同后備供電布線方式時，部署固態(tài)高速切換開關(guān)（Solid State Transfer Switch）可有效的解決電力系統(tǒng)故障造成的電壓暫降或供電中斷等電能質(zhì)量問題。高速切換開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)在一路故障時快速切換供電線路的功能，有別于普通切換開關(guān)，高速切換開關(guān)可實現(xiàn)10ms內(nèi)的快速響應(yīng)和切換，確保供電的可靠性，降低了因電能質(zhì)量問題造成的生產(chǎn)線停產(chǎn)或大規(guī)模出現(xiàn)殘次品等問題。同時，固態(tài)高速切換開關(guān)體積小且工作過程不產(chǎn)生電弧，因此具備易部署、高可靠性且便于維護(hù)等優(yōu)勢。綜上所述，固態(tài)高速切換開關(guān)可以被看作是一種成熟的大功率負(fù)荷電壓暫降的解決方案。需要注意的是固態(tài)高速切換開關(guān)不能單獨克服電壓暫降問題，需要搭配單獨的備用電源或者是部署在有備用母線和變電站的廠區(qū)。

2.3 動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）

在電網(wǎng)側(cè)和工業(yè)負(fù)荷間合理的部署動態(tài)電壓恢復(fù)器是一種可用于工業(yè)生產(chǎn)中電壓暫降問題的解決方案。同時，動態(tài)電壓恢器可以安全、有效的治理電壓暫降、適時中斷、暫升問題保護(hù)負(fù)載設(shè)備，同時具備濾除諧波，補償無功功率等功能。實現(xiàn)一機多用，綜合治理。動態(tài)電壓恢復(fù)裝置具有較快的響應(yīng)速度，甚至可以達(dá)到1ms內(nèi)響應(yīng)。補償時間相對靈活，可以根據(jù)不同制造業(yè)的需求定制對應(yīng)的補償時間。對比其他不同方式的電壓暫降補償措施，基于動態(tài)電壓恢復(fù)器的方案具備補償范圍廣和補償精度高的技術(shù)優(yōu)勢，補償精度可達(dá)到1%以內(nèi)，適用于對電壓穩(wěn)定性要求較高的高端制造業(yè)。然而，市面上現(xiàn)有的動態(tài)電壓恢復(fù)裝置仍然有一定的技術(shù)瓶頸和短板，當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓迅速跌落至30%以下時，動態(tài)電壓恢復(fù)裝置難以進(jìn)行有效的補償或難以進(jìn)行較長時間的電壓支撐。綜上所述，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)電壓暫降范圍在在0-30%的區(qū)間范圍內(nèi)時，動態(tài)電壓恢器可以被看作是一種較好的解決方案。

3 針對不同應(yīng)用場景的電壓暫降治理措施

3.1 常規(guī)補償場景下的治理措施

動態(tài)電壓補償裝置可以滿足多種工業(yè)場景和電壓暫降問題?？紤]到動態(tài)電壓補償裝置內(nèi)部并不包括化學(xué)儲能機制也無動態(tài)機械結(jié)構(gòu)，因此屬于一種維護(hù)和維修成本相對較低的解決方案。對于常規(guī)的瞬時電壓暫降問題，電網(wǎng)側(cè)的電能質(zhì)量能夠較快的進(jìn)行自愈，因此生產(chǎn)線并不需要時間較長的電壓補償。同時，無化學(xué)儲能設(shè)備和復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)可以顯著地提高動態(tài)電壓補償裝置的可靠性，也可以降低對環(huán)境的污染。動態(tài)電壓補償裝置的低損耗和高可靠性，使工業(yè)界以較低運行成本構(gòu)建電壓暫降保護(hù)系統(tǒng)成為可能。動態(tài)電壓補償裝置的應(yīng)用功率范圍相對較廣，從單相200VA 到三相3MVA，可用于保護(hù)元器件(如變頻器、伺服控制器、穩(wěn)壓電源、接觸器、PLC等)，單臺設(shè)備(如控制柜、機器人、數(shù)控機床等)或整個變壓器母線出線柜。所以動態(tài)電壓補償裝置是常規(guī)電壓暫降場景下的理想解決方案。

3.2 極端補償場景下的治理措施

從3.1分析可以得出動態(tài)電壓恢復(fù)器是性價比較高且易于部署的的選擇，可以有效解決工業(yè)用戶面臨的大多數(shù)電壓暫降問題。然而，在特定極端情況下的電壓瞬降達(dá)到 80%，甚至100%，遠(yuǎn)超現(xiàn)有市面上各類動態(tài)電壓恢復(fù)器的性能指標(biāo)，單純部署動態(tài)電壓恢復(fù)器難以滿足業(yè)主之需求。固態(tài)高速切換開關(guān)需要容量足夠大的備用電源作為支撐，構(gòu)建穩(wěn)定的固態(tài)高速切換開關(guān)＋備用電源成本較高。綜上，推薦使用工業(yè)級在線式不間斷供電系統(tǒng)作為解決極端補償場景下的治理措施。

4 結(jié)束語

電壓短時中斷及電壓暫降等現(xiàn)象是電力系統(tǒng)運行過程中常見的暫態(tài)干擾，造成這類電能質(zhì)量問題的原因在不同的地區(qū)有一點的差異，發(fā)生的次數(shù)和嚴(yán)重程度也不盡相同。因此，不同制造業(yè)和不同區(qū)域在治理該類型電能質(zhì)量問題時采用的方案也需要有針對性的定制化制定。特別是對高敏感負(fù)荷通過部署合適的補償裝置甚至重新部署改造場內(nèi)供電模式可以顯著克服電壓短時中斷及電壓暫降問題帶來的影響，多種措施并用可減少終端用戶、電網(wǎng)及全社會因電壓暫降引起的經(jīng)濟(jì)損失。本文首先對電壓暫降問題進(jìn)行概述并分析其對敏感負(fù)荷的危害，然后對目前普遍且推薦的補償裝置（包括：不間斷電源、固態(tài)切換開關(guān)、動態(tài)電壓恢復(fù)器）進(jìn)行了精細(xì)化分析，進(jìn)而針對不同應(yīng)用場景的提出相應(yīng)電壓暫降治理措施推薦。