電能質(zhì)量重要問題電壓暫降

國(guó)際電工界日益關(guān)注的電能質(zhì)量問題 電壓暫降與短時(shí)間中斷現(xiàn)象及其對(duì)供電可靠性的影響 肖湘寧華北電力大學(xué)電能質(zhì)量研究所xxn PROBLEMSOFVOLTAGESAGSANDINTERRUPTIONS 2020 2 6 2 1 電壓暫降現(xiàn)象及其特征2 電壓暫降的危害 主要內(nèi)容 2020 2 6 3 電壓 B A 短時(shí)間中斷 時(shí)間 電壓暫降 圖5 4重合閘時(shí)故障線路 實(shí)線 和非故障線路 虛線 電壓均方根值A(chǔ) 故障切除時(shí)間B 重合閘重合時(shí)間 電壓瞬時(shí)跌落與短時(shí)中斷過程描述 變電站 重合閘 主饋線 1 2 圖5 3帶有熔斷器和重合閘的架空線路配電系統(tǒng) F1 F2 2020 2 6 4 1 1電壓暫降與短時(shí)間中斷現(xiàn)象 右圖為電壓暫降和短時(shí)間中斷現(xiàn)象波形例 F1和F2接入同一配電母線 假設(shè)F2上發(fā)生三相金屬性短路V1c為F1上用戶電壓發(fā)生短時(shí)間跌落 V2c為F2上用戶電壓發(fā)生短時(shí)間電壓跌落直至中斷 2020 2 6 5 故障線路用戶經(jīng)歷一次暫降和一次短時(shí)間中斷 非故障線路經(jīng)歷一次暫降 瞬時(shí)性故障 重合成功 永久性故障 重合不成功 故障線路用戶經(jīng)歷兩次暫降 一次短時(shí)間中斷和一次長(zhǎng)時(shí)間中斷 非故障線路經(jīng)歷兩次暫降 2020 2 6 6 1 2電壓暫降 Sags Dips凹陷 驟降 跌落 的定義 1 電壓暫降不同于電壓波動(dòng)或欠電壓 是指母線電壓有效值大幅度快速下降且持續(xù)時(shí)間極短的突發(fā)事件 2 國(guó)際電工委員會(huì) IEC 將其定義為下降到額定值的90 至1 國(guó)際電氣與電子工程師協(xié)會(huì) IEEE 將其定義為下降到額定值的90 至10 其典型持續(xù)時(shí)間為0 5 1min 2020 2 6 7 1 3電壓暫降的特征量 在電壓暫降的分析中 通常將暫降時(shí)的電壓有效值與額定電壓有效值的比值定義為暫降幅值 將暫降從發(fā)生到結(jié)束之間的時(shí)間定義為持續(xù)時(shí)間 將單位時(shí)間內(nèi) 評(píng)估時(shí)通常一年 發(fā)生電壓暫降的次數(shù)定義為暫降頻次 暫降幅值 持續(xù)時(shí)間 暫降頻次是標(biāo)稱電壓暫降嚴(yán)重度的最重要的三個(gè)特征量 有時(shí)還可能出現(xiàn)電壓相位跳變 2020 2 6 8 1 4電壓暫降現(xiàn)象的起因 引起電壓嚴(yán)重暫降的主要原因是系統(tǒng)元件或線路的故障 雷電等惡劣天氣影響 特征 暫降幅度大 近乎矩形曲線 持續(xù)時(shí)間短 即故障在線時(shí)間 引起電壓暫降的另一主要原因是重型負(fù)荷的啟動(dòng) 特征 暫降幅度小 非規(guī)則矩形 持續(xù)時(shí)間長(zhǎng) 圖a 線路短路 圖b 大型電機(jī)啟動(dòng) 就現(xiàn)象而言 電壓暫降并不是新問題 但是 由于其危害和影響十分突出 它卻成為近年來日益引起電工界關(guān)注的最重要的電能質(zhì)量問題 2020 2 6 9 1 5短時(shí)間中斷的基本定義 當(dāng)電壓有效值降低到接近于零時(shí) 則稱為中斷 由于對(duì)電壓暫降下降幅度定義不同 對(duì) 接近于零 的定義也有不同 IEC定義 接近于零 為 低于額定電壓的1 IEEE定義為 低于10 IEEEStd 1159 1995 由于故障自動(dòng)恢復(fù)裝置 線路重合閘和備用電源自動(dòng)投入裝置 在電力系統(tǒng)的應(yīng)用 才出現(xiàn)了短時(shí)間中斷現(xiàn)象 2020 2 6 10 1 6電壓暫降與短時(shí)間中斷的異同點(diǎn) 電壓暫降和短時(shí)間中斷一般是相伴發(fā)生的動(dòng)態(tài)電壓質(zhì)量問題 共同特征是電壓均方根值短時(shí)間下降 在分析和評(píng)估中 往往將短時(shí)間中斷看作是一種特殊的嚴(yán)重暫降現(xiàn)象 但又要有針對(duì)性的研究 單一電壓暫降事件的損失小于1min中斷損失 大于1s短時(shí)間中斷損失 但由于用戶側(cè)電壓暫降次數(shù)遠(yuǎn)大于中斷次數(shù) 前者至少是后者的6倍 甚至可高達(dá)600倍 因此 暫降造成的總損失要大于中斷造成的損失 中斷一般只發(fā)生在故障線路上 而電壓暫降則可能是由于數(shù)百公里外的輸電系統(tǒng)的短路故障引起的 因此 電壓暫降問題比中斷更具有全局性 aglobalproblem 在消除影響上 為減少電壓中斷發(fā)生的次數(shù) 一般僅僅需要改造一個(gè)饋電系統(tǒng) 而為減少電壓暫降次數(shù)則往往需要改造多個(gè)饋電系統(tǒng) 甚至需改造遠(yuǎn)處的輸電系統(tǒng) 因此 解決電壓暫降問題更困難 2020 2 6 11 1 8電壓暫降特征量的統(tǒng)計(jì)規(guī)律 美國(guó)EPRI DPQ電壓暫降統(tǒng)計(jì)調(diào)查分布圖暫降幅值為0 7p u 0 9p u的電壓暫降占70 持續(xù)時(shí)間不超過1s的約90 不超過0 1s的約占60 平均發(fā)生頻次低于0 7p u 的為18 422次 年 低于0 9p u的為56 308次 年 2020 2 6 12 1 8電壓暫降危害 發(fā)生頻次統(tǒng)計(jì) 調(diào)查結(jié)果顯示 美國(guó)電壓暫降幅值低于0 7p u 的典型值為18 20次 年 低于0 9p u 的次數(shù)為50次 年 加拿大對(duì)工業(yè)用戶的調(diào)查結(jié)果是每個(gè)用戶側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)每相每月平均暫降38次 英國(guó)某造紙廠年電壓暫降事件次數(shù)約36次 杭州東信通訊移動(dòng)電話公司2003年上半年就發(fā)生了6 7次暫降事件 2020 2 6 13 1 9影響用戶工作的故障點(diǎn)位置 因內(nèi)外故障引起用戶不能正常工作的故障點(diǎn)統(tǒng)計(jì)情況 圖a 由故障點(diǎn)位置統(tǒng)計(jì)結(jié)果 圖b 從所顯示的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知 非本線路故障引起電壓暫降影響用戶設(shè)備不正常工作所占比例可達(dá)77 輸電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)故障引起暫降都會(huì)影響用戶正常工作 且配電線路故障引起電壓暫降的比例大于輸電線路故障原因 圖a 圖b 2020 2 6 14 2 5設(shè)備不能正常工作的原由 電壓暫降往往引起用戶電氣設(shè)備不能正常工作 究其原因主要有 交流電壓不足 供應(yīng)電能不足 導(dǎo)致設(shè)備停運(yùn) 如典型的橋式整流的電源電路 電壓低引起設(shè)備電源監(jiān)視回路跳閘 設(shè)備停運(yùn) 電壓低引起緊急關(guān)閉電路等的速動(dòng)繼電器動(dòng)作切斷電源 電壓暫降恢復(fù)時(shí)上升脈沖引起設(shè)備的復(fù)位電路不正確動(dòng)作 設(shè)備重啟 電壓相角跳變或不平衡電壓暫降引起不平衡保護(hù)繼電器動(dòng)作 設(shè)備停運(yùn) 整流濾波波形 速動(dòng)繼電器 復(fù)位電路 平衡保護(hù)繼電器 2020 2 6 15 2 6電壓暫降的危害 行業(yè)舉例1 汽車制造業(yè) 靈活的自動(dòng)控制和鏈?zhǔn)焦?yīng)生產(chǎn)線管理由于無序斷電和上電 暫降導(dǎo)致?lián)p壞部件或加工設(shè)備以及數(shù)字控制設(shè)備需重新設(shè)置控制流程 暫降影響機(jī)器人電焊工的焊接質(zhì)量 甚至需要重新回爐或電焊程序的重啟 暫降使得噴漆線突然停止 在火爐控制重啟前 需要30min凈化空氣控制系統(tǒng) 暫降導(dǎo)致停產(chǎn)的更多時(shí)間是花費(fèi)在整個(gè)生產(chǎn)線再啟動(dòng)上 有報(bào)道講 由于4個(gè)周波的電壓暫降 需要72min才能恢復(fù)生產(chǎn)線工作 造成損失可達(dá)700 000 暫降造成商業(yè)與民用建筑中的電梯 自動(dòng)消防與報(bào)警系統(tǒng)中止工作 2020 2 6 16 2 6電壓暫降危害 行業(yè)舉例2 塑制品聚合加工業(yè) 造紙業(yè) 玻璃制造業(yè) 電力消耗大戶暫降導(dǎo)致現(xiàn)代化生產(chǎn)線突然停止意味著重啟前需要數(shù)小時(shí)清除設(shè)備內(nèi)的垃圾 某玻璃制品廠工頻5個(gè)周期的電壓間斷 造成損失約200 000 IT 通訊業(yè) 高價(jià)值端客戶需要超高可靠性某計(jì)算機(jī)中心2秒的供電中斷引起約600 000 的損失 杭州東信通訊移動(dòng)電話公司一次暫降造成損失達(dá)3 000 000 醫(yī)療器械 暫降引起設(shè)備不正常工作影響診斷 治療 手術(shù)進(jìn)行 甚至危及到病人的生命 2020 2 6 17 2 7電壓暫降危害 平均損失統(tǒng)計(jì) 美國(guó)電力公司調(diào)查統(tǒng)計(jì) 2020 2 6 18 2 8電壓暫降危害已經(jīng)引起極大關(guān)注 CIREDKL2002國(guó)際供電會(huì)議主席指出 把電能質(zhì)量問題列為當(dāng)前國(guó)際供電界關(guān)注的首要問題 而電能質(zhì)量的首要問題是電壓驟降 應(yīng)該作為研究解決的重點(diǎn) 在用戶電能質(zhì)量問題投訴中 90 以上是電壓驟降引起的 據(jù)統(tǒng)計(jì)和案例反映 造成用電設(shè)備異常運(yùn)行或停電的絕大部分因素是電壓驟降問題 暫降是與短時(shí)間中斷伴隨發(fā)生 且暫降發(fā)生頻度高 事故原因不易察覺 供電可靠性反映的是供電中斷程度 一般只考慮持續(xù)時(shí)間5分鐘以上 有的國(guó)家規(guī)定為小于1分鐘的電壓中斷不予計(jì)算 電壓驟降發(fā)生頻率高 有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表示 數(shù)十次或上千次 年 暫降深度多為40 0 8 0 6p u 以內(nèi) 持續(xù)時(shí)間多小于1秒鐘 專家們認(rèn)為 電壓暫降與中斷已上升為最重要的電能質(zhì)量問題之一 已成為信息社會(huì)對(duì)供電質(zhì)量提出的新挑戰(zhàn) 2020 2 6 19 利用電力電子技術(shù)的有源電壓補(bǔ)償方法 Vs 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器DVR DynamicVoltageRestorer 中三相換流器在電網(wǎng)電壓發(fā)生突變 如凹陷 凸起 波動(dòng)與閃變等 偏離額定正弦電壓波形瞬時(shí)值時(shí) 控制換流器的通斷狀態(tài) 產(chǎn)生所需填補(bǔ)的瞬時(shí)電壓波形 并串聯(lián)加入電網(wǎng) 使負(fù)荷側(cè)近似保持為正弦波形額定電壓 將上述串并聯(lián)兩種方式相結(jié)合 可構(gòu)成電壓和電流同時(shí)補(bǔ)償?shù)慕y(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器UPQC 電網(wǎng)電壓 系統(tǒng)電源 用電負(fù)荷 DVR換流器 串補(bǔ)變壓器 2020 2 6 20 國(guó)外公司DVR產(chǎn)品情況介紹 世界第一臺(tái)商業(yè)化運(yùn)行的DVR裝置 EPRI 安裝地點(diǎn) 美國(guó)杜克電力公司投產(chǎn)時(shí)間 1996 08電壓 12 47kV 60Hz負(fù)荷容量 2MVA儲(chǔ)存能量 660kJ 2020 2 6 21 ABB公司目前投運(yùn)的單臺(tái)世界最大容量DVR裝置安裝地點(diǎn) 以色列一集成芯片制造廠投產(chǎn)時(shí)間 2000 05電壓 22kV 50Hz最大服務(wù)負(fù)荷容量 22 5MVAp f 0 9三相暫降補(bǔ)償度 35 單相暫降補(bǔ)償度 50 暫降持續(xù)時(shí)間 500ms響應(yīng)時(shí)間 1msDC