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重庆无功补偿浅谈国标《电能质量电压暂降与短时中断》的贯彻

发表时间:2021-03-31 来源:
1 引言

二十世纪80年代以来,随着信息产业、微电子控制和电力电子等新型电力负荷的迅速发展,电能质量已成为电力企业和广大用户共同关注的问题。电压暂降和短时供电中断(以下简称为电压暂降)已被证明是影响许多用电设备,特别是大量敏感性负荷正常、安全运行zui重要的电能质量问题。2013年,人们期盼已久的国家标准《电能质量 电压暂降与短时中断》(GB/T 30137-2013)终于颁布。本文就标准中一些规定以及如何贯彻执行谈些看法,并提出一些建议供有关技术和管理人员参考。

2 正确认识电压暂降现象

(1)电压暂降的定义

电网中各处扰动引发的电能质量问题,可以从不同角度分类。依扰动存在的持续时间来分类,电能质量可以分为稳态和暂态(或动态)两大类。稳态电能质量问题是指经常存在的一些质量指标,例如供电电压和频率的偏差、谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡等。这类电能质量虽称为“稳态”,实际上是处在变动之中的,“稳态”的含义仅仅指其经常存在而已。对于这类质量指标,基本上已有一套行之有效的标准和分析计算办法,工程上也有大量的成熟的技术和装置可供选择;暂态电能质量问题一般具有下列特征:①产生的原因往往具有突发性或偶发性(事故、操作、负荷突变等);②电压幅值变化很大,可以在0~8p.u.范围内发生,且往往伴有波形剧变(相对于工频正弦波而言);③持续时间从纳秒(ns)级到秒(s)级不等,(一般限定1min之内)。电网中发生的暂时过电压和瞬态过电压以及电压暂降与短时中断就属于暂态电能质量问题。

关于电压暂降,国标GB/T 30137-2013[1]定义为:电网中某点工频电压方均根值突然降低至0.1p.u.~0.9p.u.,并在短暂持续10ms(工频半周)~1min后恢复正常的现象;若降低至0.1p.u.以下,在同样的持续时间内恢复正常,则称短时中断。

美国IEEE Std1159TM—2009[2]还将电压暂降按持续时间进一步划分为三类:持续时间0.5~30周波(即10ms~600ms)为瞬时(instantaneous)暂降;持续时间30周波~3s(即600ms~3s)为暂时(momentary)暂降;持续时间3s~1min为短时(temporary)暂降。

可以看出,电压暂降不同于瞬态(transient)现象,暂降是以研究电压方均根值变化为特征;而后者研究的现象持续时间在0.5周波(10ms)以内,且以幅值和频谱(或上升、下降速率)为其特征。当然,电压暂降和电压波动也是不同的。暂降是以研究电压大幅度突降,随后很快恢复的现象为目标,而电压波动则是由已知的生产性干扰源(例如电弧炉、轧机、电焊机等)引起持续性电压变动现象,其允许波动的幅值度远小于电压暂降范围(见国标GB/T 12326[3])。

(2)电压暂降的原因

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。

短路引起电流的急剧升高,随之引起供电系统阻抗上大幅度的电压降。短路故障在电力系统中是不可避免的,引发的原因有很多。

绝大多数的供电系统是三相系统。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,这导致暂降电压在相量上的复杂性。

发生短路时,在短路点上电压几乎完全突降为零。同时,所有其他点的电压要降低,但一般来说,其降低的程度按离短路点的远近相对较小。

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的值,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,这些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(也称为电压跌落)。

大负载的切换,变压器的充电,大型电动机的直接启动以及某些负载特性造成的大幅度电压变动,都可以产生与短路电流的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。这类情况可以划分为电压暂降或电压波动。

(3)电压暂降的危害

电压暂降会影响大量敏感性用电负荷的正常运行,例如引起变速驱动装置(ASD)跳闸、程序逻辑控制器(PLC)损坏、各种数字式自动控制装置误动、计算机系统失常,数据丢失;导致相关加工生产线(例如石化、玻璃、纺织、造纸、塑料、半导体以及橡胶等)停顿,大型公共场所照明失电(例如镝灯,灯灭后需冷却好几分钟后才能启动)等等。

(4)电压暂降的特征量

在描述电压暂降时,常用下降幅值(或深度)、持续时间和发生频次这三大特征量。如图1所示,电压暂降的深度d定义为电压标称值(Un)与电压下降的zui小值(残压)之差 ,以标称值的百分数表示。而暂降的持续时间 则定义为低于90% Un至回升到90%Un的时间。上述定义比较粗略,只对矩形的电压暂降来说是准确的,但对非矩形的暂降则显不足。因为即使暂降深度和持续时间相同,不同的暂降曲线引起的危害对某些用户可能是不同的。另外,电压暂降通常都伴随相位的偏移或跳变,大多数设备对此并不是十分敏感,但是对于使用电压相位信息决定触发时刻的控制系统,可能会造成极大的影响,这方面问题尚待深入分析、归纳。

3 电压暂降的测量和统计

贯彻执行GB/T 30137,必须开展电压暂降的测量和统计工作。电压暂降是突发事件,因此对其监测需要在线长时间连续进行。应在监测点安装监测仪,总体上仪器应符合GB/T 19862要求。监测记录内容应包括事件特征(3相电压有效值变化)、发生时刻、发生位置等,按照标准规定的格式记录下来。应注意,监测仪中用于判断电压暂降开始和结束而设定的电压门槛(称为阈值),虽然一般依据定义设置为0.9p.u.,但实际上根据用户供电要求或供用电合同规定可以作小范围变动,一般可将暂降zui高阈值设置为低于正常电压限值(在85%~90%间选择);或者使暂降结束阈值超过起始值1%~2%,以避免电压值在阈值范围附近正常波动时造成事件的多次统计。在标准中引入的术语,“迟滞电压”(hystersis voltage)就是反映暂降的起始和结束电压阈值之差。还应注意,由于暂降事件的复杂性和短时持续性,标准规定对1min内发生的数次电压暂降归并为一次进行统计,如由于二次重合闸引发的两次电压暂降应统计为一次电压暂降,其残余电压(residual voltage,即暂降过程中记录的电压方均根值的zui小值)应取数次电压暂降中zui小值,持续时间应取zui低残余电压所在那次暂降的持续时间。对于多相系统的某一次暂降,当一相或多相的残压低于起始阈值时,电网暂降开始,当所有相的残压均高于结束阈值时,暂降结束。