雷 振，葉劍烽，郁哲亮

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

20 kV電網(wǎng)電壓暫降及其應(yīng)對(duì)措施研究

雷 振，葉劍烽，郁哲亮

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

電壓暫降是影響電網(wǎng)電能質(zhì)量的重要問(wèn)題之一，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和用戶的可靠供電均會(huì)產(chǎn)生不利影響。嘉興電網(wǎng)20 kV試點(diǎn)區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)踐表明，20 kV電網(wǎng)電壓暫降現(xiàn)象比10 kV電網(wǎng)更嚴(yán)重，尤其是在20 kV母線或出口短路時(shí)，引起上一級(jí)電網(wǎng)電壓暫降造成的危害更大、影響范圍更廣。通過(guò)計(jì)算分析了影響電壓暫降幅度的因素，研究相應(yīng)的應(yīng)對(duì)方法，并提出緩解電壓暫降的措施。

20 kV；電壓暫降；短路阻抗；電能質(zhì)量

0 引言

電壓暫降[1]是由供電系統(tǒng)或用戶內(nèi)部故障引起的短時(shí)（一般0.5～30個(gè)周波）系統(tǒng)電壓下降，下降幅度一般在額定電壓的10%～90%，IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）規(guī)定為1%～90%[2]。電壓暫降主要是由系統(tǒng)或用戶內(nèi)部故障、開(kāi)關(guān)操作、變壓器以及電容器組的投切、大型負(fù)荷啟動(dòng)等引起。隨著大量電力電子設(shè)備投入使用，線性負(fù)荷和沖擊性負(fù)荷增加，電壓暫降問(wèn)題也日益嚴(yán)重，影響敏感性用電設(shè)備（變頻器、整流裝置及自動(dòng)化生產(chǎn)線等）的正?？煽坑秒奫3]，給用戶帶來(lái)重大經(jīng)濟(jì)損失[4]，大幅度的電壓暫降甚至?xí)茐碾娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定。

已有的研究中，主要考慮的是由于故障引起的本級(jí)母線電壓暫降[1-3]，然而電壓暫降更為嚴(yán)重、影響范圍更廣的是由故障引起的上級(jí)母線電壓暫降。實(shí)際運(yùn)行中還發(fā)現(xiàn)，110/20 kV系統(tǒng)電壓暫降的幅度比110/10 kV系統(tǒng)更嚴(yán)重。深入分析電壓暫降產(chǎn)生的原因，探討多方面應(yīng)對(duì)電壓暫降的措施，對(duì)提高供電可靠性和用戶供電質(zhì)量，提升供電企業(yè)服務(wù)水平有重要意義。

1 20 kV電網(wǎng)電壓暫降現(xiàn)象

電壓暫降具有難以規(guī)避、無(wú)頻率重復(fù)性、短時(shí)恢復(fù)的特點(diǎn)，衡量其嚴(yán)重程度有2個(gè)參數(shù)：持續(xù)時(shí)間和下降幅度。目前國(guó)內(nèi)并未將電壓暫降列入考查電力系統(tǒng)運(yùn)行電能質(zhì)量的指標(biāo)體系內(nèi)[5]，而對(duì)電壓敏感性高的用戶，某些行業(yè)出臺(tái)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，要求生產(chǎn)設(shè)備必須能承受電壓暫降擾動(dòng)。

通過(guò)對(duì)嘉興電網(wǎng)因電壓暫降引起變頻器跳閘的用戶進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于用戶對(duì)電壓質(zhì)量要求較高，采購(gòu)的變頻設(shè)備均設(shè)置了85%的低電壓保護(hù)值，即當(dāng)變頻器電壓低于額定電壓的85%就發(fā)生欠壓動(dòng)作，斷開(kāi)變頻器裝置電源。某20 kV用戶監(jiān)測(cè)到的電壓暫降如圖1所示，值得一提的是，本次電壓暫降并不是因?yàn)橛脩糇陨韮?nèi)部故障引起，而是由于其他用戶故障導(dǎo)致上級(jí)110 kV母線電壓暫降，從而影響到該用戶。

圖1 某20 kV用戶監(jiān)測(cè)到的電壓暫降波形

針對(duì)不同故障類型，電壓暫降特性不同[6]。為分析電壓暫降現(xiàn)象，考慮常見(jiàn)的三相短路故障，做如圖2所示的系統(tǒng)等值電路。

圖2 電壓暫降計(jì)算等值系統(tǒng)

20 kV出線在k點(diǎn)短路，在引起母線C電壓驟降的同時(shí)，也引起110 kV母線B與A電壓暫降，母線A電壓下降至：

式中：Ue為母線A額定電壓；Zs為220 kV系統(tǒng)等值阻抗，電壓暫降幅度為：

通過(guò)以上分析可知，電壓暫降幅度與系統(tǒng)運(yùn)行方式、110 kV輸電線路參數(shù)、110/20 kV變壓器阻抗、20 kV線路參數(shù)及短路點(diǎn)有關(guān)。增加220 kV變電站110 kV母線以后回路的短路阻抗，可緩解電壓暫降幅度。實(shí)際運(yùn)行表明，110 kV變電站20 kV母線或20 kV出線上故障，引起的上級(jí)220 kV變電站110 kV母線電壓沉降較10 kV系統(tǒng)嚴(yán)重，而其中尤以三相短路、近區(qū)短路為甚。

以嘉興市220 kV青石變電站（簡(jiǎn)稱青石變，以下類推）供區(qū)為例，其供區(qū)范圍內(nèi)的110 kV羔羊變1臺(tái)主變壓器（簡(jiǎn)稱主變）分別為110/10 kV和110/20 kV。根據(jù)收集到的各次故障情況，選擇典型的故障案例進(jìn)行了簡(jiǎn)化計(jì)算分析，以羔羊變中壓出線2 km處三相金屬性短路為例（如圖3所示，圖中數(shù)據(jù)為系統(tǒng)或元件等值阻抗標(biāo)幺值，系統(tǒng)運(yùn)行方式為最小運(yùn)行方式），不同母線電壓暫降計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

圖3 220 kV青石變供區(qū)部分等值電網(wǎng)

表1 110 kV羔羊變出線2 km處短路時(shí)電壓暫降

由計(jì)算結(jié)果可知，110 kV變電站中壓出線出口短路時(shí)不僅引起本級(jí)110 kV母線電壓暫降，同時(shí)引起上一級(jí)電網(wǎng)110 kV母線電壓暫降。在同一運(yùn)行方式下，羔羊變10 kV出線2 km處三相金屬性故障時(shí)，引起220 kV青石變110 kV母線電壓暫降在10%左右，而在20 kV系統(tǒng)中，相同故障引起青石變110 kV母線電壓暫降超過(guò)23%。

2 電壓暫降影響因素

為研究電壓暫降幅度的影響因素，考慮一般情況，首先對(duì)系統(tǒng)做以下界定：

（1）系統(tǒng)運(yùn)行方式為最大方式，在此只計(jì)算三相短路情況；

（2）220 kV變電站主變并列運(yùn)行；

（3）110/20 kV主變?nèi)萘咳?0 MVA；

（4）110 kV線路型號(hào)以LGJ-300為例，不考慮電阻，20 kV裸導(dǎo)線（LJ-240）單位標(biāo)幺阻抗取理論計(jì)算值0.084。

2.1 20 kV短路點(diǎn)影響

20 kV出線短路是影響電壓暫降因素之一，選擇嘉興地區(qū)不同220 kV供區(qū)的110/20 kV主變，分別選取20 kV母線、出口1 km處和出口2 km處短路情況進(jìn)行計(jì)算分析，當(dāng)110 kV變電站20 kV出線在0 km，1 km，2 km處短路時(shí)，上級(jí)220 kV變電站110 kV母線電壓計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由計(jì)算結(jié)果可知，短路點(diǎn)離20 kV母線距離越遠(yuǎn)，故障引起的上級(jí)電壓暫降幅度越小，2 km以外短路引起的上級(jí)母線電壓暫降幅度，基本可以保證在額定電壓Ue的15%以下。

2.2 110/20 kV主變短路阻抗的影響

110 kV主變阻抗是影響電壓暫降幅度的一個(gè)重要因素，20 kV出線2 km處短路，110 kV母線電壓暫降計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。按國(guó)家電網(wǎng)公司通用設(shè)備選型要求，110/10 kV主變短路阻抗可選擇在14%～17%之間，而110/20 kV主變短路阻抗一般選擇在12%左右，適當(dāng)提高110/20 kV主變短路阻抗，可很好地抑制上級(jí)電網(wǎng)電壓驟降幅度。

表2 不同短路點(diǎn)電壓暫降計(jì)算結(jié)果

表3 110/20 kV主變短路阻抗對(duì)電壓暫降影響

通過(guò)對(duì)不同短路阻抗的主變進(jìn)行計(jì)算可知，隨著110/20 kV主變短路阻抗的提升，由20 kV電網(wǎng)故障引起的上級(jí)電網(wǎng)電壓暫降幅度呈下降趨勢(shì)。

2.3 220 kV系統(tǒng)阻抗的影響

通過(guò)對(duì)比表3計(jì)算結(jié)果可知，220 kV系統(tǒng)等值阻抗對(duì)電壓暫降也有一定影響，系統(tǒng)等值阻抗越小，同樣條件下引起的電壓暫降幅度越小，反之，電壓暫降幅度就越大。因此，完善220 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，改善電網(wǎng)運(yùn)行方式，可以有效抑制電壓暫降幅度。

3 應(yīng)對(duì)電壓暫降措施研究

3.1 提高變電站出口絕緣水平

故障點(diǎn)離20 kV母線距離越遠(yuǎn)，故障發(fā)生時(shí)引起上級(jí)母線電壓暫降幅度越小，減少20 kV母線出口段故障，或者說(shuō)使故障距離盡量遠(yuǎn)離20 kV母線，能夠有效緩解上級(jí)母線電壓暫降幅度。因此，為降低電壓暫降影響，應(yīng)盡量提高變電站20 kV母線出口段絕緣水平，減少母線出口段故障發(fā)生的概率。

3.2 使用高阻抗變壓器

由計(jì)算可知，緩解上級(jí)母線電壓暫降另一個(gè)方法就是增加110/20 kV主變短路阻抗，每提高短路阻抗1%，可在20 kV母線三相短路時(shí)減小電壓暫降0.5%～1.0%。但缺點(diǎn)是高阻變壓器成本高，電能損耗大，且會(huì)加劇本級(jí)母線（20 kV母線）電壓暫降，因此采用提高主變短路阻抗來(lái)限制電壓暫降有利也有弊，在實(shí)際中仍需要大量的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)積累，以在緩解上級(jí)電網(wǎng)母線電壓暫降和降低運(yùn)行成本及本級(jí)電壓暫降之間尋求平衡。

3.3 加裝抑制電壓暫降裝置

加裝限流電抗器，利用其電感特性，限制系統(tǒng)的短路電流，可降低短路電流對(duì)系統(tǒng)的沖擊，同時(shí)提高上級(jí)系統(tǒng)的殘壓。但在實(shí)際運(yùn)行中還應(yīng)考慮加裝限流電抗器帶來(lái)的不利影響：

（1）固定串接在系統(tǒng)中時(shí)，正常運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生一定的電壓跌落，影響用戶端的電壓水平。

（2）損耗增大，同時(shí)應(yīng)評(píng)估其對(duì)開(kāi)關(guān)開(kāi)斷性能的影響。

（3）加裝限流電抗器后，變電站出線側(cè)的過(guò)流定值也隨之減小，用戶側(cè)設(shè)備的定值需重新計(jì)算，主變低壓側(cè)后備保護(hù)的靈敏度會(huì)下降。

3.4 提高系統(tǒng)保護(hù)性能

緩解電壓暫降另一有效措施是在系統(tǒng)側(cè)提高保護(hù)性能，縮短電壓暫降持續(xù)時(shí)間，比如母差、縱差的配置就有保障重要母線電壓水平的作用，新加坡配電網(wǎng)普遍采用差動(dòng)保護(hù)（母差、縱差），保障重要母線的電壓水平。

3.5 加強(qiáng)用戶側(cè)管理

除以上技術(shù)措施外，也可以加強(qiáng)用戶側(cè)管理來(lái)改善電壓暫降：

（1）加強(qiáng)20 kV用戶失壓脫扣裝置的管理。用戶低壓開(kāi)關(guān)原則上不允許加裝失壓脫扣裝置，確需安裝的，應(yīng)安裝在分路開(kāi)關(guān)或負(fù)荷側(cè)，脫口裝置動(dòng)作時(shí)間應(yīng)躲過(guò)線路重合閘及備自投動(dòng)作時(shí)間。

（2）完善變頻器管理。部分用戶購(gòu)買(mǎi)變頻設(shè)備時(shí)未明確需求，裝置定值為出廠值，未根據(jù)自身生產(chǎn)情況和電網(wǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行定值整定和調(diào)校。目前，大部分用戶變頻設(shè)備一般設(shè)置在電壓降低于85%時(shí)切除，動(dòng)作定值為0.01 s，遠(yuǎn)小于變電站保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，導(dǎo)致很多用戶設(shè)備在保護(hù)動(dòng)作前切除。

（3）部分需要連續(xù)供電的生產(chǎn)企業(yè)和對(duì)供電電壓波動(dòng)敏感的用戶未按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求配置不間斷電源，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓波動(dòng)時(shí)對(duì)用戶影響較大，建議用戶安裝不間斷電源。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)20 kV電網(wǎng)電壓暫降及其影響因素的分析，提出了多種抑制電壓暫降的技術(shù)措施，同時(shí)指出部分抑制措施可能會(huì)帶來(lái)其他不利影響，必須綜合考慮各種因素合理運(yùn)用。

隨著越來(lái)越多的敏感性負(fù)荷接入電網(wǎng)，電壓暫降對(duì)用戶電能質(zhì)量的影響越來(lái)越突出，供電企業(yè)應(yīng)進(jìn)一步完善電能質(zhì)量監(jiān)督體系，加強(qiáng)研究抑制電壓暫降的技術(shù)措施，從設(shè)備選型、系統(tǒng)運(yùn)行方式、電能損耗、系統(tǒng)保護(hù)等方面綜合考慮，采取合適的緩解電壓暫降的應(yīng)對(duì)措施。

[1]林海雪.電力系統(tǒng)中電壓驟降和短時(shí)斷電[J].供用電, 2002，19（1）∶9-13.

[2]肖遙，李澎森.供電系統(tǒng)的電壓下凹[J].電網(wǎng)技術(shù)，2001，25（1）∶73-77．

[3]MARTINON J，POISSON O，DECHATEAUVIEUX F.防止電壓驟降和短時(shí)斷電以滿足用戶需求[J].供用電，2001，18（2）∶7-10.

[4]張鵬，郭永基.電壓驟降的可靠性評(píng)估新方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2002，26（8）∶47-51.

[5]周明，張彪，李庚銀，等.基于質(zhì)量工程理論的電壓驟降經(jīng)濟(jì)評(píng)估[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，22（12）∶152-158.

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（本文編輯：楊 勇）

Research on Voltage Sag of 20 kV Power Network and Countermeasures

LEI Zhen，YE Jianfeng，YU Zheliang
（State Grid Jiaxing Power Supply Company，Jiaxing Zhejiang 314000，China）

Voltage sag is one of the significant problems affecting power quality of power grid and has adverse effect on operation safety and stability.Operation practice of 20 kV network in Jiaxing pilot area indicates that 20 kV power network voltage sag is more serious than 10 kV network；especially when a short circuit happens on 20 kV bus or its exit，the resulting voltage sag of upper-level power grid causes greater harm and wider influence range.by the impact of a wider range.Through calculation the paper analyzes factors affecting the magnitude of the voltage sag，explores appropriate countermeasures and proposes voltage sag mitigation measures.

20 kV；voltage sag；short-circuit impedance；power quality

TM727

B

1007-1881（2015）05-0010-04

2014-11-21

雷 振（1985），男，工程師，從事電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電網(wǎng)規(guī)劃工作。