馮洋 鄭志祥 徐藝 鄭宇

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司衢州供電公司）

0 引言

電網(wǎng)中各種擾動(dòng)引發(fā)的電能質(zhì)量問題，總體可分為穩(wěn)態(tài)擾動(dòng)和暫態(tài)繞動(dòng)態(tài)兩大類。穩(wěn)態(tài)擾動(dòng)包括電壓偏差、頻率偏差、諧波、電壓波動(dòng)和閃變以及三相電壓不平衡等，對于這類電能質(zhì)量指標(biāo)，基本已形成一套行之有效的標(biāo)準(zhǔn)和分析計(jì)算方法，工程上也有大量成熟的治理技術(shù)和裝置可供選擇。暫態(tài)擾動(dòng)包括電壓暫降、暫升、短時(shí)中斷、電壓脈沖和浪涌等，這類擾動(dòng)產(chǎn)生原因往往具有突發(fā)性和偶然性，包括事故、操作和負(fù)荷突變等，電壓幅值變化很大，往往伴有波形劇變，且持續(xù)時(shí)間從納秒（ns）級(jí)到秒（s）級(jí)不等，一般限定在1分鐘（min）之內(nèi)，但目前國際上尚無可推廣使用的衡量電力系統(tǒng)電壓暫降的指標(biāo)體系。

隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)與數(shù)字化技術(shù)、智能化控制技術(shù)和精加工技術(shù)等的迅猛發(fā)展，部分敏感性負(fù)荷用戶對電能質(zhì)量擾動(dòng)愈發(fā)敏感，且大多集中于對暫態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)的影響，其中最為突出、代價(jià)較大的問題之一就是電壓暫降[1-2]。電壓暫降雖然未造成電源與用電設(shè)備之間的電氣連接中斷，但敏感設(shè)備不能獲得所需質(zhì)量的電能，會(huì)影響甚至破壞用戶設(shè)備或生產(chǎn)線的連續(xù)性工作，可能對用戶造成一定損失[3]，如何防范和治理電壓暫降已引起政府、電力部門和用戶的極大關(guān)注。

1 電壓暫降產(chǎn)生機(jī)理與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 國內(nèi)外電壓暫降標(biāo)準(zhǔn)差異分析

國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 電壓暫降與短時(shí)中斷》（GB/T30137—2013）對電壓暫降和短時(shí)中斷的定義為：電壓暫降Voltage Dip（Sag）：電力系統(tǒng)中某點(diǎn)工頻電壓方均根值突然下降至0.1~0.9標(biāo)幺值，并在短暫持續(xù)10ms~1min后恢復(fù)正常的現(xiàn)象；短時(shí)中斷Short Interruption：電力系統(tǒng)中某點(diǎn)工頻電壓方均根值突然下降至0.1標(biāo)幺值以下，并在短暫持續(xù)10ms~1min后恢復(fù)正常的現(xiàn)象。廣義上講，短時(shí)中斷可以理解為屬于電壓暫降的范疇，但國標(biāo)中未對電壓暫降提出任何限制性條款。

比對國際標(biāo)準(zhǔn)，歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50160和國際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEEE中定義基本相同，僅在持續(xù)時(shí)間上略有差異，如圖1、圖2所示。

圖1 EN50160定義的電壓事件（歐標(biāo)）

圖2 IEEE ste.1159—1995定義的電壓事件

1.2 電壓暫降產(chǎn)生原因與機(jī)理

電壓暫降是電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的難以避免的短時(shí)擾動(dòng)現(xiàn)象，其本質(zhì)是電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中突然產(chǎn)生的大電流引起的電壓突變，產(chǎn)生的原因主要包括系統(tǒng)故障、雷擊故障、感性電機(jī)啟動(dòng)、大型變壓器投入等方面[4]。大多數(shù)電壓暫降事件持續(xù)時(shí)間小于1s，跌落深度小于0.6標(biāo)幺值。某些地區(qū)可能因負(fù)載切換而頻繁發(fā)生深度在0.1~0.15標(biāo)幺值之間的電壓暫降事件。鋼鐵、鋁業(yè)制造或電鍍等企業(yè)諧波未得到有效治理，也將通過電網(wǎng)影響電壓敏感客戶的正常生產(chǎn)。

1.2.1 系統(tǒng)故障引起電壓暫降的機(jī)理

系統(tǒng)故障時(shí)引起電壓驟降的原因之一。目前配電系統(tǒng)中的線路主保護(hù)是電流保護(hù)，該保護(hù)的最大缺陷是線路中相當(dāng)大部分區(qū)域上的故障不能無延時(shí)地予以切除。此外，即使采用無延遲保護(hù)，從發(fā)現(xiàn)故障到斷路器開斷故障，需要時(shí)間大約在3~6個(gè)周期之間，故障期間會(huì)造成母線或附近區(qū)域電壓降低，當(dāng)故障線路及其附近線路上接有敏感負(fù)荷時(shí)，將會(huì)因電壓驟降而被跳閘退出。另外，當(dāng)保護(hù)動(dòng)作后伴隨重合閘時(shí)，同樣可能出現(xiàn)由此引起的電壓驟降現(xiàn)象。

1.2.2 雷擊引起電壓暫降的機(jī)理

雷擊引起的絕緣子閃絡(luò)或線路對地放電是造成系統(tǒng)電壓暫降的又一原因。線路雷擊后會(huì)產(chǎn)生雷電行波在系統(tǒng)中傳播，系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)電壓由于行波傳播與折反射會(huì)上升波動(dòng)。若雷電流超過線路的耐雷水平，線路絕緣就會(huì)發(fā)生沖擊閃絡(luò)，雷電流沿閃絡(luò)通道入地，由于時(shí)間僅幾十微秒，線路開關(guān)來不及動(dòng)作，工頻短路電流繼續(xù)流過閃絡(luò)通道并建立起穩(wěn)定電弧持續(xù)燃燒，形成接地故障，線路將跳閘。

1.2.3 感應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)引起電壓暫降的機(jī)理

大型電動(dòng)機(jī)（負(fù)荷）啟動(dòng)時(shí)也會(huì)引起電壓暫降。電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流為正常時(shí)電流的10倍以上，其對電動(dòng)機(jī)附近變電站母線的影響相當(dāng)于正常時(shí)10臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)工作，因此會(huì)造成電動(dòng)機(jī)附近電壓驟降，從而可能引起其他敏感設(shè)備不正常工作甚至退出工作。當(dāng)電動(dòng)機(jī)為某一饋線的主要負(fù)荷時(shí)，該類影響更為嚴(yán)重。

1.3 國網(wǎng)電壓暫降限制性標(biāo)準(zhǔn)

隨著IT設(shè)備及控制系統(tǒng)在用戶設(shè)備中的廣泛應(yīng)用，電壓暫降對高敏感負(fù)荷的影響日趨嚴(yán)重，國際相關(guān)機(jī)構(gòu)陸續(xù)出臺(tái)了電壓暫降的限制性標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.1 對用戶設(shè)備的限制標(biāo)準(zhǔn)

電壓暫降產(chǎn)生原因多源復(fù)雜，需要電網(wǎng)公司和敏感性用戶共同采取措施。從治理總社會(huì)成本最優(yōu)化的角度出發(fā)，國內(nèi)外專家學(xué)者普遍認(rèn)同敏感性用戶提高自身對電壓暫降的免疫力是決定電壓暫降影響的關(guān)鍵。美國等對電壓質(zhì)量要求較高的行業(yè)已制定了生產(chǎn)設(shè)備的電壓暫降免疫標(biāo)準(zhǔn)，比較典型的有ITIC曲線、SEMI47曲線[5]。該曲線明確了企業(yè)用戶入網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備需具備的耐受電壓暫降的能力，并以此對設(shè)備制造商提出相應(yīng)要求。若入網(wǎng)設(shè)備無法滿足要求，則企業(yè)用戶需自行采取治理措施。

美國信息技術(shù)工業(yè)協(xié)會(huì)的ITIC曲線是美國大型計(jì)算機(jī)制造商的建議性標(biāo)準(zhǔn)，如圖3所示，發(fā)生包絡(luò)線內(nèi)的電壓擾動(dòng)時(shí)計(jì)算機(jī)應(yīng)能持續(xù)工作，否則屬于制造商產(chǎn)品質(zhì)量問題。

圖3 ITIC曲線

國際半導(dǎo)體設(shè)備聯(lián)盟對電源品質(zhì)較高要求的半導(dǎo)體制造業(yè)制定了供電系統(tǒng)電壓下降應(yīng)變能力的強(qiáng)制性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)SEMI F47-0706，如圖4所示。規(guī)定半導(dǎo)體制程設(shè)備對電壓暫降的耐受時(shí)間，在電壓為50%標(biāo)稱值時(shí)為0.05~0.2s，在電壓為70%標(biāo)稱值時(shí)為0.2~0.5s，在電壓為80%時(shí)為0.5~1s。

圖4 SEMI F47曲線

此外，CIWA南非國家標(biāo)準(zhǔn)NRS 048-2:2003中，規(guī)定了用戶側(cè)電氣設(shè)備要求能夠具有電壓暫降到70%時(shí)承受150ms、80%時(shí)600ms，大于80%時(shí)長期運(yùn)行的抗擾度水平。國際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）也成立了專門的聯(lián)合工作組研究電氣設(shè)備的電壓暫降抗擾度水平。

中國的《電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化的抗擾度試驗(yàn)》（GB/T17626.11—2008）中提出：商用和公用環(huán)境中的用電設(shè)備，一般應(yīng)能承受70%Ue，持續(xù)時(shí)間為0.5s的電壓暫降，該標(biāo)準(zhǔn)是試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)且為推薦標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.2 對電網(wǎng)公司的要求

國外標(biāo)準(zhǔn)對電壓暫降給出了相關(guān)定義、推薦指標(biāo)及監(jiān)測要求等，并對電壓暫降的監(jiān)測提出了具體的算法和要求，但暫未提出對電網(wǎng)公司的強(qiáng)制性要求，電網(wǎng)公司著重從防范電網(wǎng)系統(tǒng)故障方面，降低發(fā)生電壓中斷的概率。

2 某工業(yè)園區(qū)電壓暫降案例分析

據(jù)沿海地區(qū)某工業(yè)園區(qū)供電“閃斷”數(shù)據(jù)顯示，該區(qū)域共有高壓用戶564家，其中有10家企業(yè)反映出現(xiàn)供電“閃斷”問題，引起了當(dāng)?shù)卣碗娋W(wǎng)公司的重視，進(jìn)行專項(xiàng)分析與治理。

2.1 用戶供電“閃斷”情況分析

針對10家重點(diǎn)用戶的調(diào)研，所反映的88次“閃斷”中，有記錄的57次，與該區(qū)域電網(wǎng)故障情況進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，由供電中斷引起的4起，供電未中斷的其他原因引起53起，具體情況如表1所示。

由此可見，反映電壓暫降的用戶占片區(qū)用戶總數(shù)的1.77%，對于記錄的“閃斷”現(xiàn)象，供電中斷引起的占7%，其余93%非供電可靠性問題。

2.2 故障頻次及原因分析

對該區(qū)域三年以來的配網(wǎng)故障情況進(jìn)行分析，如表2所示。由此可見，自然因素、設(shè)備故障、用戶故障和外力破壞是造成配網(wǎng)故障的主要原因，尤其隨著配電網(wǎng)改造的不斷推進(jìn)，抗自然災(zāi)害能力增強(qiáng)，用戶和外力破壞逐漸成為需重點(diǎn)關(guān)注的故障原因。

3 政企聯(lián)動(dòng)電壓暫降治理措施

由電壓暫降的產(chǎn)生機(jī)理、國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際案例分析結(jié)果，結(jié)合國內(nèi)外電壓暫降研究經(jīng)驗(yàn)，改善電壓暫降對用戶設(shè)備的影響，需要政府、電網(wǎng)公司和企業(yè)用戶三方共同努力，開展綜合治理[6]。其中，電網(wǎng)公司主要降低電網(wǎng)側(cè)故障以減少電壓暫降發(fā)生概率；企業(yè)用戶主要提升設(shè)備對電壓暫降的免疫力，同時(shí)降低用戶側(cè)設(shè)備引起電網(wǎng)跳閘的頻度；政府則作為總體協(xié)調(diào)，平衡電網(wǎng)公司與企業(yè)用戶之間的治理措施，通過電力行政聯(lián)合執(zhí)法，建立防外力破壞和外部環(huán)境治理的長效機(jī)制，推動(dòng)三方綜合治理。

表1 用戶“閃斷”次數(shù)及原因統(tǒng)計(jì)表

表2 某工業(yè)區(qū)域2018~2020年配網(wǎng)故障情況分析表

3.1 加強(qiáng)電網(wǎng)電壓動(dòng)態(tài)監(jiān)測

電壓暫降的發(fā)生具有隨機(jī)性、偶發(fā)性等特點(diǎn)，其發(fā)生頻度和電網(wǎng)質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、地理氣象條件、運(yùn)行維護(hù)水平等因素有關(guān)，其影響大小和用電負(fù)荷性質(zhì)和工況有關(guān)，需長期監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)暫降原因，針對性采取措施。在電網(wǎng)側(cè)，通過在與敏感用戶相關(guān)聯(lián)的變電站側(cè)加裝故障錄波、電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，監(jiān)測日常運(yùn)行時(shí)各線路及母線電壓、諧波，開展數(shù)據(jù)分析，為中長期治理電壓暫降問題提供理論和數(shù)據(jù)支撐。在敏感性用戶側(cè)，加裝電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，重點(diǎn)監(jiān)測統(tǒng)計(jì)用戶內(nèi)部電氣故障、負(fù)荷快速變化、諧波等事件引起的電壓暫降。

3.2 降低電壓暫降發(fā)生頻度

3.2.1 提升設(shè)備用戶健康水平

根據(jù)調(diào)研情況，大多用戶設(shè)備自投運(yùn)以來基本未開展檢修，隨著用戶設(shè)備常年運(yùn)行，運(yùn)行環(huán)境未及時(shí)維護(hù)，用戶設(shè)備發(fā)生故障的概率明顯增加。用戶應(yīng)加強(qiáng)用電設(shè)備運(yùn)行環(huán)境整治及設(shè)備檢修，更換老舊設(shè)備；政府牽頭組織用電檢查，電網(wǎng)公司可提供技術(shù)支撐，切實(shí)提升用戶設(shè)備健康狀況，減少用戶側(cè)引起的故障頻度。

3.2.2 強(qiáng)化電網(wǎng)設(shè)備精益運(yùn)維

電網(wǎng)側(cè)加強(qiáng)線路運(yùn)維巡視，采用無人機(jī)、紅外測溫儀、局部放電測試儀等智能化巡檢設(shè)備強(qiáng)化線路、設(shè)備日常巡視工作。開展重要用戶所在線路特殊巡視，根據(jù)巡視結(jié)果推進(jìn)重要用戶所在線路的主動(dòng)檢修工作，降低線路曲線隱患，提高供電可靠性。

3.2.3 加強(qiáng)電力設(shè)施外破防范

隨著政府投資加大，各處施工增加，外力破壞引發(fā)線路故障明顯增加。制定政企聯(lián)動(dòng)防外破機(jī)制，由政府牽頭建立長效防外破和外部環(huán)境治理機(jī)制，開展外力破壞供電設(shè)施專項(xiàng)治理，強(qiáng)化電力執(zhí)法力度，進(jìn)一步減少外力破壞引起的線路跳閘，保障用戶的用電可靠性。

3.3 降低電壓暫降的幅值

消除電壓暫降影響最成熟的辦法是成為定制電力技術(shù)，主要指在用戶端安裝電壓暫降補(bǔ)償裝置（穩(wěn)壓器），包括增強(qiáng)型并聯(lián)無功補(bǔ)償裝置和串聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)裝置等，不但能有效避免發(fā)生電壓暫降、中斷、波動(dòng)及閃變對負(fù)載的影響，還能對輸出電壓進(jìn)行幅值調(diào)節(jié)，保證正常的電壓輸出。此外，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）也可根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)輸出相應(yīng)幅值和相位的補(bǔ)償電壓，從而抑制電網(wǎng)電壓暫降對重要負(fù)荷的損害[7]。

3.4 降低電壓暫降的持續(xù)時(shí)間

3.4.1 縮短故障清除時(shí)間

電壓暫降持續(xù)時(shí)間很大程度上取決于短路故障消除（切除）的速度，可研究線路保護(hù)時(shí)限縮短的可行性。用戶側(cè)設(shè)備各類短路故障也未全部實(shí)現(xiàn)速斷，應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)各級(jí)配置配合的研究，特別對用戶設(shè)備頻繁故障的情況可考慮局部犧牲保護(hù)選擇性，以控制用戶設(shè)備故障波及其他敏感性用戶。

3.4.2 采用固態(tài)切換開關(guān)（SSTS）

低壓自動(dòng)投切需要配置雙電源供電，在常用電源電壓暫降或斷電情況下，可通過固態(tài)切換開關(guān)在短時(shí)間內(nèi)在低壓側(cè)切換至備用電源供電。

3.5 提高用戶設(shè)備的電壓暫降免疫力

企業(yè)購入新設(shè)備時(shí)關(guān)注設(shè)備是否存在電能質(zhì)量的特殊要求，從設(shè)備制造商處獲得該設(shè)備的免疫力基本信息資料，參考GB/T17626.11—2008標(biāo)準(zhǔn)制定合同條款。已有敏感性設(shè)備的企業(yè)通過尋求現(xiàn)有設(shè)備的免疫力提升措施而解決電壓暫降的影響，如某藥業(yè)公司僅通過對關(guān)鍵設(shè)備配置了50kW的UPS即有效緩解了“閃斷”。

4 結(jié)束語

由于引起電壓暫降的原因是多方面、隨機(jī)和不可避免的，雖然目前對解決電壓暫降問題提出了一些方法和措施，但仍存在較多不足之處。在現(xiàn)代信息化社會(huì)中，電壓暫降問題必然會(huì)上升為用戶企業(yè)所關(guān)注的電能質(zhì)量問題，但其解決方法需要電網(wǎng)公司、用戶企業(yè)以及設(shè)備制造商的共同努力進(jìn)行綜合抑制。

本文通過對電壓暫降產(chǎn)生的機(jī)理與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的分析，對沿海地區(qū)某工業(yè)園區(qū)多家企業(yè)用戶反映的電壓暫降引起“閃斷”現(xiàn)象進(jìn)行研究，分析電壓暫降產(chǎn)生原因和相應(yīng)治理措施，提出了基于政府、電網(wǎng)公司、用戶企業(yè)三方政企聯(lián)動(dòng)的區(qū)域電壓暫降治理措施，并在實(shí)際應(yīng)用中得以驗(yàn)證，極大程度緩解了該區(qū)域電壓暫降影響。