電能質量重要問題電壓暫降

國際電工界日益關注的電能質量問題 電壓暫降與短時間中斷現(xiàn)象及其對供電可靠性的影響 肖湘寧華北電力大學電能質量研究所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 主要內容 2020 2 6 3 電壓 B A 短時間中斷 時間 電壓暫降 圖5 4重合閘時故障線路 實線 和非故障線路 虛線 電壓均方根值A 故障切除時間B 重合閘重合時間 電壓瞬時跌落與短時中斷過程描述 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電壓暫降與短時間中斷現(xiàn)象 右圖為電壓暫降和短時間中斷現(xiàn)象波形例 F1和F2接入同一配電母線 假設F2上發(fā)生三相金屬性短路V1c為F1上用戶電壓發(fā)生短時間跌落 V2c為F2上用戶電壓發(fā)生短時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間中斷 非故障線路經(jīng)歷一次暫降 瞬時性故障 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 一次短時間中斷和一次長時間中斷 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)時間極短的突發(fā)事件 2 國際電工委員會 IEC 將其定義為下降到額定值的90 至1 國際電氣與電子工程師協(xié)會 IEEE 將其定義為下降到額定值的90 至10 其典型持續(xù)時間為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)生到結束之間的時間定義為持續(xù)時間 將單位時間內 評估時通常一年 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)時間 暫降頻次是標稱電壓暫降嚴重度的最重要的三個特征量 有時還可能出現(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)時間短 即故障在線時間 引起電壓暫降的另一主要原因是重型負荷的啟動 特征 暫降幅度小 非規(guī)則矩形 持續(xù)時間長 圖a 線路短路 圖b 大型電機啟動 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注的最重要的電能質量問題 2020 2 6 9 1 5短時間中斷的基本定義 當電壓有效值降低到接近于零時 則稱為中斷 由于對電壓暫降下降幅度定義不同 對 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 由于故障自動恢復裝置 線路重合閘和備用電源自動投入裝置 在電力系統(tǒng)的應用 才出現(xiàn)了短時間中斷現(xiàn)象 2020 2 6 10 1 6電壓暫降與短時間中斷的異同點 電壓暫降和短時間中斷一般是相伴發(fā)生的動態(tài)電壓質量問題 共同特征是電壓均方根值短時間下降 在分析和評估中 往往將短時間中斷看作是一種特殊的嚴重暫降現(xiàn)象 但又要有針對性的研究 單一電壓暫降事件的損失小于1min中斷損失 大于1s短時間中斷損失 但由于用戶側電壓暫降次數(shù)遠大于中斷次數(shù) 前者至少是后者的6倍 甚至可高達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饋電系統(tǒng) 甚至需改造遠處的輸電系統(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)計規(guī)律 美國EPRI DPQ電壓暫降統(tǒng)計調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 調查結果顯示 美國電壓暫降幅值低于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 加拿大對工業(yè)用戶的調查結果是每個用戶側監(jiān)測點每相每月平均暫降38次 英國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位置 因內外故障引起用戶不能正常工作的故障點統(tǒng)計情況 圖a 由故障點位置統(tǒng)計結果 圖b 從所顯示的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可知 非本線路故障引起電壓暫降影響用戶設備不正常工作所占比例可達77 輸電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)故障引起暫降都會影響用戶正常工作 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設備不能正常工作的原由 電壓暫降往往引起用戶電氣設備不能正常工作 究其原因主要有 交流電壓不足 供應電能不足 導致設備停運 如典型的橋式整流的電源電路 電壓低引起設備電源監(jiān)視回路跳閘 設備停運 電壓低引起緊急關閉電路等的速動繼電器動作切斷電源 電壓暫降恢復時上升脈沖引起設備的復位電路不正確動作 設備重啟 電壓相角跳變或不平衡電壓暫降引起不平衡保護繼電器動作 設備停運 整流濾波波形 速動繼電器 復位電路 平衡保護繼電器 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) 靈活的自動控制和鏈式供應生產線管理由于無序斷電和上電 暫降導致?lián)p壞部件或加工設備以及數(shù)字控制設備需重新設置控制流程 暫降影響機器人電焊工的焊接質量 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) 暫降導致停產的更多時間是花費在整個生產線再啟動上 有報道講 由于4個周波的電壓暫降 需要72min才能恢復生產線工作 造成損失可達700 000 暫降造成商業(yè)與民用建筑中的電梯 自動消防與報警系統(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致現(xiàn)代化生產線突然停止意味著重啟前需要數(shù)小時清除設備內的垃圾 某玻璃制品廠工頻5個周期的電壓間斷 造成損失約200 000 IT 通訊業(yè) 高價值端客戶需要超高可靠性某計算機中心2秒的供電中斷引起約600 000 的損失 杭州東信通訊移動電話公司一次暫降造成損失達3 000 000 醫(yī)療器械 暫降引起設備不正常工作影響診斷 治療 手術進行 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 美國電力公司調查統(tǒng)計 2020 2 6 18 2 8電壓暫降危害已經(jīng)引起極大關注 CIREDKL2002國際供電會議主席指出 把電能質量問題列為當前國際供電界關注的首要問題 而電能質量的首要問題是電壓驟降 應該作為研究解決的重點 在用戶電能質量問題投訴中 90 以上是電壓驟降引起的 據(jù)統(tǒng)計和案例反映 造成用電設備異常運行或停電的絕大部分因素是電壓驟降問題 暫降是與短時間中斷伴隨發(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)時間5分鐘以上 有的國家規(guī)定為小于1分鐘的電壓中斷不予計算 電壓驟降發(fā)生頻率高 有統(tǒng)計數(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 持續(xù)時間多小于1秒鐘 專家們認為 電壓暫降與中斷已上升為最重要的電能質量問題之一 已成為信息社會對供電質量提出的新挑戰(zhàn) 2020 2 6 19 利用電力電子技術的有源電壓補償方法 Vs 動態(tài)電壓恢復器DVR DynamicVoltageRestorer 中三相換流器在電網(wǎng)電壓發(fā)生突變 如凹陷 凸起 波動與閃變等 偏離額定正弦電壓波形瞬時值時 控制換流器的通斷狀態(tài) 產生所需填補的瞬時電壓波形 并串聯(lián)加入電網(wǎng) 使負荷側近似保持為正弦波形額定電壓 將上述串并聯(lián)兩種方式相結合 可構成電壓和電流同時補償?shù)慕y(tǒng)一電能質量調節(jié)器UPQC 電網(wǎng)電壓 系統(tǒng)電源 用電負荷 DVR換流器 串補變壓器 2020 2 6 20 國外公司DVR產品情況介紹 世界第一臺商業(yè)化運行的DVR裝置 EPRI 安裝地點 美國杜克電力公司投產時間 1996 08電壓 12 47kV 60Hz負荷容量 2MVA儲存能量 660kJ 2020 2 6 21 ABB公司目前投運的單臺世界最大容量DVR裝置安裝地點 以色列一集成芯片制造廠投產時間 2000 05電壓 22kV 50Hz最大服務負荷容量 22 5MVAp f 0 9三相暫降補償度 35 單相暫降補償度 50 暫降持續(xù)時間 500ms響應時間 1msDC