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浅析电压暂降治理措施
2017-11-24 16:12:23  作者:董献海 赵龙腾  来源:中国设计师网  
  •   在电能质量问题中,电压暂降问题带来的负面影响最为严重,也最受人们关注。解决电压暂降问题需要多方面的共同努力。现如今治理电压暂降的设备种类繁多,但主流设备都具有部分的局限性。本文先介绍电压暂降问题,然后介绍解决方案。重点介绍了一种新型的电压自理设备,即Sinexcel AVC-RTS,阐述了其工作原理、性能特点、技术优势以及实际的运行效果。

  深圳市盛弘电气股份有限公司 董献海 赵龙腾

  1 概述

  随着工业规模的扩大和科学技术的发展,新工艺、新技术广泛应用于工业生产和人民生活的各个方面,越来越多的用户采用了性能好、效率高,但对电源特性变化敏感的高科技设备,电力用户对电能质量的要求在不断提高。

  据统计,在欧洲和美国,电力部门与用户对电压暂降的关注程度比对其他有关电能质量问题的关注程度要高得多。根据美国电科院的统计,90%以上的电能质量问题是由电压暂降引起。专家们认为,电压暂降已上升为最重要的电能质量问题,已成为信息社会对供电质量提出的新挑战。

  2 电压暂降的定义

  电压暂降是指供电电压有效值在短时间内突然下降之后又恢复到正常运行状态的现象。对于电压暂降的指标,国际上至今尚未有统一标准定义。国际电气与电子工程师协会(IEEE)将电压暂降定义为供电电压有效值下降到额定值的90%~10%,持续时间为10ms~1min;国际电工委员会(IEC)将其定义为下降至额定值90%~1%,持续时间为10ms~1min。

  3 电压暂降产生的原因及过程

  供电系统任意点上发生的电气短路是公共电网上观察到的电压暂降主要来源。短路故障在电力系统中是不可避免的,引发的原因有很多。短路会发生在相线与相线之间,相线与中线之间或者相线与大地之间,也包括任何多相短路,这导致电压暂降在相量上的复杂性。

  发生短路时,在短路点上电压几乎完全突降为零。同时,所有其他点降低的程度按离短路点的远近依次影响减小。

  供电系统所配备的保护装置将短路从电源上断开。断开一旦发生,断开点以外的每一点上的电压立即恢复到接近于原先值,而被断开的负荷将停电。然而,大部分故障可以自行清除,因此通过自动重合闸的作用,负荷也将很快恢复供电。刚刚描述的这种电压突然降低,随后恢复的现象称为电压暂降。

  大负荷的切换,变压器的充电,大型电动机的直接启动以及某些负荷特性造成的大幅度电压变动,都可以产生与短路电流效果类似的大电流变化。尽管通常这类现象对发生点的影响一般不如短路严重,但是这类情况也可以划分为电压暂降。

  4 电压暂降的危害

  电压暂降带来的危害与行业性质和负载有关。下表为部分设备对电压敏感程度的说明:

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  (1)对生产造成的影响

  a.影响设备的正常运行,造成产品质量下降;

  b.精密产品的损坏和浪费,原料报废;

  c.自动化装置停顿或误动作,变频调速器停顿;

  d.引起接触器脱扣或低压保护启动,造成电动机,电梯等停顿;

  e.引起高温光源(碘钨灯)熄灭;

  f.使生产线紊乱或中断,且跌落后的无序启动比计划断电后的有序恢复造成危害及损失大得多;

  g.延误交货时间。

  (2)对电气设备造成损害

  a.计算机系统失灵、数据丢失、生产线上电机停顿、变频器失压保护动作、可编程逻辑控制器(PLC)失灵等;

  b.医院中用计算机控制的脑外科,心血管外科,眼科手术等,电压跌落而造成的设备不能正常工作时带来严重后果;

  c.是电气设备寿命缩短甚至损坏。

  (3)对公司财政造成影响

  a.降低1-2%工厂效率;

  b.降低劳动工时利用率;

  c.设备投资回报率低;

  d.加大维护费用;

  e.增加额外备品备件支出。

  5 电压暂降的治理措施

  电压暂降的治理措施应该从三方面讨论:供电系统、设备制造商、用户业主,三者需要共同合作,协作解决。如图1所示:

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  5.1 供电系统

  如若某地区存在电压暂降的频率较大,持续时间较长,那么首先应当考虑从供电系统方面解决问题。

  在供电系统方面,主要通过采取减少故障数目、缩短故障清除时间和改变供电方式等措施解决电压暂降问题。

  减少短路故障数目不仅可以减少电压暂降的发生,也可以减少供电中断事故。事实上,电力部门都已经尽最大努力来减少故障发生的频度,具体的改进措施包括:架空线入地、架空线加外绝缘、架设附加屏蔽导等。需要强调的是,这些措施的实施可能代价很高,应当通过全面衡量用电设备跳闸与各种措施之间的经济利益关系来确定合理的方案。

  缩短故障清除时间虽然不能减少电压暂降发生的频率,却能明显减少电压暂降的幅值和持续时间。缩短故障清除时间的最有效措施是应用有限流作用的熔断器,这种熔断器能够在半个周期内清除故障,使得电压暂降的持续时间不超过1个周波。此外,还可以用反时延过电流继电器来缩短故障清除时间,因为与时间成反比的过电流继电器的延时是随故障电流的不断增加而减少的。

  通过供电方式的改变可以有效降低电压暂降问题的严重性,但这类方法通常需要很高的代价。随着分布式发电技术的发展,以及储能技术、燃料电池技术等技术的实用化,敏感负荷附近装设电源设备成为一种可行的方案;另外,还可以采用母线分段或多设配电站的方法来限制同一回供电母线上的馈线数;为了增加与故障点间的电气距离,还可以在系统中的关键位置安装限流线圈,等等。总之,采用这类方法时,电压质量的改善是通过增加更多的线路及配电设备达到的,考虑到投资与效益的权衡,这类方法通常仅适用于对供电质量要求高的工业和商业用户。

  另外,在必要情况下,供电部门应对电能质量进行准确监测,以便为确定设备敏感度和解决设备敏感度问题提供资料。

  5.2 设备制造商

  如若设备在大多数电压暂降的干扰下都不能正常工作,甚至发生跳闸,说明该设备不适应这种工作环境,应该考虑从设备制造商反面解决问题。

  设备制造商可以降低设备对电压暂降的敏感度或影响。用户在设备订货合同中向制造商明确这方面的技术要求,使设备具备一定的抗电压暂降能力;也可以通过分析,调整内部某些环节参数来解决。如果电压暂降是由于用户大电动机启动引起的,则直接采取改进启动方式(如:全压启动改为降压启动,硬启动改为软启动)或增加公共连接点(PCC)的短路容量来解决。

  5.3 用户业主

  现实的情况是供电系统难以保证能够提供完美的电力,并且往往也并不能要求设备制造商提供免疫电压暂降的设备。因此,目前应用最普遍也是比较推荐的治理电压暂降的措施是在供电系统与用户设备之间加装补偿装置,常见的补偿装置包括:不间断电源(UPS—Uninterruptible Power Supply)、固态切换开关(SSTS—Solid State Transfer Switch)、动态电压恢复器(DVR—Dynamic Voltage Restorer)。下面分别具体介绍:

  (1)不间断电源(UPS)

  不间断电源Uninterruptible Power Supply,简称UPS。UPS是广为所知的一种设备,主要采取电池等化学能来进行储能,当电网断电时,UPS是解决供电中断的有效方法,能提供几分钟到几小时的电能供应,同时也能抑制电压暂降。

  UPS采用在线方式时,电压暂降就得到抑制,但这种方式能耗比较大,约为8%-12%;采用后备方式时,采用快速固态开关,电压暂降几乎不会对设备造成影响。如果企业敏感负荷所占比重较大,此时需要大功率UPS,所需费用太大而不现实,并且UPS也有其致命的弱点:UPS储能电池维护成本较高。UPS占地面积较大,不适合工厂电力改造工作。UPS不适用于负荷剧烈变动的负载,如变频电机、伺服驱动系统、智能机器人等对电网冲击性大的负荷,不然很容易引起其储能电池故障。

  (2)固态高速切换开关(SSTS)

  固态高速切换开关Solid State Transfer Switch,简称SSTS。当工厂或者用户配电系统是由两条不同母线或者不同变电所的线路供电时,为了防止供电中断及电压暂降的影响,当一路电压有问题时,可快速(SSTS切换速度为5~12ms)切换至另一路电源,从而保证负荷供电的连续性。并且SSTS在开关过程中不产生电弧,体积小、价格低、免维护。根据厂家提供的技术参数,SSTS在电压中断或者下降时,能在13ms内切换到正常电源,可以满足很多设备对电压暂降的影响。该产品适用于各级变电站、开闭所、配电室、终端负荷等有两路或两路以上独立电源的新建或已存在的供电场合。使用SSTS进行全厂级电压暂降治理,只需要将SSTS串接在原配电系统中,具有改造简单,调试方便的优点。设备投资整体费用也低于采用UPS的方案,是一种理想的大功率负荷电压骤降的解决方案,但SSTS需要有备用电源这个前提条件。

  (3)动态电压恢复器(DVR)

  动态电压恢复器Dynamic Voltage Restorer,简称DVR。对于敏感负荷,解决电压暂降问题的一个有效措施就是在供电电源与负荷设备之间加装DVR设备。DVR能在毫秒级的时间内给负荷侧补偿适当的跌落电压,让负载侧恢复正常电压,消除电压暂降影响。

  响应时间、暂降保护深度是体现DVR补偿性能的两个重要参数。响应时间包含检测时间和动作时间。目前市面上已经有了采用超级电容的DVR产品,能有效提高动态电压恢复器的响应时间。暂降保护范围,即补偿深度。市面上销售的DVR产品,都可以补偿三相电压发生30%跌落的电压。单相电压补偿能力会比三相补偿更好些。短时电压扰动是造成工厂设备产生次品的主要原因,DVR在5ms内能产生补偿电压,抵消市电所受干扰,使工厂设备几乎感受不到电压扰动,保证了工厂设备的安全可靠运行。不过DVR具有致命性缺陷,即电网电压跌至50%以下,或完全中断时,DVR无法进行有效补偿。不过在电压跌落在0-50%范围时,且不中断的情况下,DVR是一种较好的解决方案。

  6 Sinexcel AVC-RTS实时控制型动态电压调节器

  Sinexcel AVC-RTS是我司推出的一种成本有效的高性价比电压暂降解决方案,它使用极其快速的电压矫正来去除工厂或办公室电源中的电压暂降、暂升,保证负载继续运转而不被中断。

  对比于前文介绍的UPS、SSTS和DVR,Sinexcel AVC-RTS有着突出的优势,是未来解决电压暂降问题的趋势选择。下面作具体介绍。

  6.1 Sinexcel AVC-RTS工作原理

  (1)电网电压正常时

  当电网电压在正常范围内,Sinexcel AVC-RTS为待机状态,控制晶闸管为导通状态,逆变器不工作,超级电容为充满电状态。输出电压即为电网电压。如图2所示:

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  (2)电网电压发生暂降时

  当电网电压发生电压暂降时,AVC立刻控制晶闸管为关断状态,电网电压完全与负载隔断。在5ms内,经过逆变器放电,再通过一个注入变压器,向负载输出预先设定的电压。RTS的电压支撑彻底避免了由于电压暂降所导致的对负载的危害。如图3所示:

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  (3)电网电压恢复正常时

  电网电压恢复到正常值时,AVC停止工作,同时控制晶闸管为导通状态,输出电压恢复为电网电压,超级电容开始充电,为下一次的电压暂降做准备。如图4所示:

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  6.2 Sinexcel AVC-RTS产品特点

  Sinexcel AVC-RTS相较于UPS、SSTS、DVR等主要有以下特点以及优势:

  a.0~100%剩余电压至100%额定电压完美补偿;

  b.快速切换时间小于100μs,全响应时间小于5ms;

  c.校正支撑时间长达3s;

  d.过电压调节能力,额定电压可设;

  e.仅在电压暂降时介入,高效率,免维护,免值守;

  f.10%~90%电压暂降,电压中断,电压暂升全治理,真正解决用户痛点;

  g.采用注入变压器,变压器和主线分离,安装简便。

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  7 结语

  在治理电压暂降的问题上,业内并未统一一种完美的解决方案。UPS适用于容量较小的现场,能够解决绝大多数小容量电压暂降问题。SSTS与DVR相比于UPS是两种较经济的解决方案。在现场具备备用电源情况下,宜优先选择SSTS解决方案。如现场不具备后备电源,需要改造加装,SSTS解决方案仍然需要高额成本投入。此时,选用DVR方案较为合理。

  而本文提到的Sinexcel AVC-RTS解决方案存在许多优势,是传统DVR方案的一种升级产品,成本可观,性价比较高。然而,现如今Sinexcel AVC-RTS只能治理低压侧的电压暂降,中高压技术还有待开发。

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