电压中断与电压暂降的成因其及防治

陈众励 许维胜

（同济大学 上海 10044）

1 引言

民用建筑和一般工业建筑中，用户系统与设备的运行稳定性问题，经常是由终端配电系统电压异常造成的。常见的电压异常包括电压中断、暂降、骤升、波动等暂态或短时现象，鉴于电压暂降和电压中断给用户造成的损失远较其他原因严重，故本文集中讨论电压中断与电压暂降问题。

2 电压中断和电压暂降的形成机理

电压中断（voltage interruption）是指供电系统中某连接点电压有效值从额定电压骤降至额定电压的0.1倍（即0.1p.u.）以下，随后又在0.5至3个周波内恢复至额定电压的短暂失压现象。电压中断的持续时间是其主要评价指标。在城市终端电网中，电压中断通常由输配电网络自动重合闸动作、配电系统中常用电源与备用电源之间的转换等操作引起，其持续时间取决于上述过度过程的长短。

电压暂降（voltage sags或voltage dips）是指供电系统中某连接点电压有效值快速下降到0.1～0.9（即0.1～0.9p.u.）倍额定电压，随后又在短时间内恢复到额定值的现象。电压暂降的深度（depth of voltage dip）和持续时间（duration of voltage dip）是其主要评价指标。

在低压电网中，电压暂降形成原因错综复杂，且深度和持续时间各不相同。一般而言，当电网中发生短路、雷击或大功率设备启动等事件时，均可引发电压暂降。当供电线路发生金属性短路时，或当系统遭受雷击使避雷器动作的瞬间，其下游及同母线的相邻线路均将出现电压暂降现象。一旦故障排除，则同母线的相邻线路电压迅即恢复（注意，自身线路可能持续断电，也可能迅速恢复电压，取决于故障类型），电压暂降并告结束。因此故障持续时间通常与电压暂降持续时间相同。图1显示了某公司IGBT整流单元短路，电流短期上升（约100ms）引起的10kV母线相电压暂降事件文献[1]中，电压与电流的变化情况（Ub的单位为kV，Ib的单位为A）：

大功率设备启动导致工作电流骤升，从而压低母线电压，也会使其相邻线路出现电压暂降现象，启动过程一旦完成，其相邻线路的电压暂降随即结束，但此类电压暂降的深度较浅、电压恢复时间相对较长、上升陡度较小。

图1 A相电压与电流波形

（说明：电流由100A左右上升到1046A，电压由5.58kV下降到5.00kV，电压暂降深度0.104p.u.，持续时间110ms。）

3 电压暂降和电压中断的危害

电压中断和电压暂降现象对工业和民用建筑的影响是广泛的。

电压中断对工业与民用建筑的影响是显而易见的。由于金卤灯等灯具的工作特性，电压中断将导致体育场馆比赛照明系统较长时间内无法恢复工作，故可能导致比赛中断。普通民用建筑中由BAS监控的设备也可能因电压中断使得照明灯具等被控设备在电压恢复后仍然无法自动恢复工作。

工业和民用建筑中常用的电气设备，如变频器、PLC控制器、DDC控制器、接触器、继电器等器件对电压暂降都相当敏感。当电压下降到其门槛值以下、且持续时间超过1个周波时，就将导致其运行故障。上海某特大型IT制造企业的资料显示，电压暂降事件导致其生产线的晶圆破皮报废，生产流水线重启则可能需要数天时间，企业每年需承受数十万元甚至数百万元的经济损失。我国某科研机构每年应电压暂降导致的电子加速器故障多达十余起，监测数据显示其电压凹陷深度可达80%（电压仅为0.2pu），由于电压暂降导致接触器、继电器意外脱扣，从而导致其大型同步辐射装置停运的事故屡有发生，其对科研活动造成的影响非常严重。此外，电压暂降对机场行李分拣系统、物流集散中心货物分拣系统等设施的影响也不容忽视。

4 电压中断和电压暂降的防治方法与措施

我国的在编国家标准文献[2]规定：

“当供配电系统中存在对电压中断、电压暂降等电压异常现象敏感的重要负载时，宜在相关供电回路或设备端设置电压自动补偿装置。”

一般而言，电压中断宜采用不间断电源装置（UPS）或EPS加以克服，其技术、产品及应用方法都比较成熟。

用于解决电压暂降问题的电压自动补偿装置主要有机械储能型电压自动补偿装置（DUPS）、动态电压调节器（DVR）和静止无功发生器（SVG）等类型，其工作原理简述如下：

机械储能型电压自动补偿装置主要由高速飞轮、轴承支承系统、电动/发电机、功率电子变换器、电子控制设备以及附加设备等部分组成，是常用的机械储能装置之一。其基本工作原理是由电能驱动大质量飞轮高速旋转，将电能转化为机械动能加以储存，当需要电能时飞轮驱动发电机运行，将飞轮的动能转换成电能，实现机电能量的转换与回馈，其工作原理[1]如图（2）所示。

图2 机械储能型电压自动补偿装置原理图F—飞轮储能系统 M/G—电动机/发电机 E—柴油机（选项）

机械储能型电压自动补偿装置具有大储能、高效率、无污染、长寿命的特点，在电网调峰、不间断电源、分布式供电等诸多领域也具有应用前景。其缺点是价格高、维修成本高。

动态电压调节器(DVR)主要由变压器、换流器和储能装置组成，变压器串接在供电线路上向敏感负荷供电。其补偿功能是双向的，既能提升已下跌的电压，也能降低过高的电压，其响应时间只需几个毫秒。当电源侧电压不符合敏感负荷要求时，DVR通过串接的注入变压器向馈线注入合理幅值、相角和频率的电压，来校正负荷侧的电压暂降。

静止无功发生器（SVG）是一种快速响应的固态电力控制器，它是一个交流同期电压源，通过一个联络电抗与配电系统相连，并能用改变电压源的幅值和相角的方法与配电系统交换无功功率和有功功率，并通过SVG和配电线路之间的联络电抗来控制电流。这样就可调节无功电流和抑制电压突变。

工程设计中，应根据预计补偿功率（缺口功率）、电压暂降的可能持续时间等因素合理选择电压自动补偿装置。一般而言，当重要负载对电压暂降敏感，且总补偿功率大于200kW时，可采用机械储能型电压自动补偿装置；当重要负载功率较小，且对电压暂降和电压突升敏感时，可采用动态电压调节器（DVR）等串接型电压自动补偿装置；当重要负载对过电压和欠电压较为敏感时，可采用静止无功发生器（SVG）等并联型电压自动补偿装置。

必须注意的是，机械储能型电压自动补偿装置不得用于有过电压和欠电压双向补偿要求的场所。

5 结论

近年来，电压中断和电压暂降问题已逐渐引起工程设计人员重视，相关计算分析方法的研究已经取得明显进展，防治技术与产品也逐渐成熟，但某些原因（如，雷击）所致的电压暂降计算与分析仍然十分困难，有必要持续研究以期突破。

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