電能質(zhì)量分析與控制5章-肖湘寧

1、第五章 電壓暫降與短時(shí)間中斷第一節(jié) 概述 電壓暫降和短時(shí)間中斷通常是相關(guān)聯(lián)的電能質(zhì)量問題。 電壓暫降是指供電電壓均方根值在短時(shí)間突然下降的事件，其典型持續(xù)時(shí)間為0.530周。電壓暫降標(biāo)準(zhǔn)： IEC 下降到額定值的90%1% IEEE 下降到額定值的90%10% 電壓暫降的幅值、持續(xù)時(shí)間和相位跳變是標(biāo)稱電壓暫降的最重要的三個(gè)特征量。電壓暫降電壓中斷 當(dāng)電壓均方值降低到接近零時(shí)，稱為中斷。 持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的中斷稱為長(zhǎng)時(shí)間中斷，而持續(xù)時(shí)間較短的中斷則稱為短時(shí)間中斷。接近于零： IEC 低于額定電壓的1% IEEE 低于額定電壓的10%長(zhǎng)時(shí)間中斷： IEC 中斷持續(xù)時(shí)間大于3min IEEE 中斷持續(xù)時(shí)

2、間大于2min(1min)短時(shí)間中斷： IEC 中斷持續(xù)時(shí)間小于3min IEEE 中斷持續(xù)時(shí)間小于2min(1min) 圖5-1所示為某115KV系統(tǒng)大約一年內(nèi)實(shí)測(cè)電壓暫降的發(fā)生情況（幅值按低于額定電壓的百分比給出）。 由圖5-1可知，多數(shù)電壓暫降的幅值為額定電壓的90%70%。 圖5-2給出了與圖5-1對(duì)應(yīng)的暫降頻次、暫降幅值及持續(xù)時(shí)間之間的三維柱狀圖。由圖5-2可直觀了解三者之間的關(guān)系。 電壓暫降與中斷涉及的內(nèi)容非常廣泛，而且對(duì)它們的很多方面仍在不斷認(rèn)識(shí)之中。 因此，本章將在對(duì)電壓暫降與中斷基本內(nèi)容進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，側(cè)重對(duì)暫降的原因、設(shè)備對(duì)暫降的敏感度、電壓暫降的幅值與臨界距離計(jì)算、電壓

3、暫降分類、暫降特征量檢測(cè)方法等幾個(gè)問題予以闡述。 第二節(jié) 電壓暫降與中斷的起因 當(dāng)輸配電系統(tǒng)中發(fā)生短路故障、感應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)、雷擊、開關(guān)操作、變壓器以及電容器組的投切等事件時(shí)，均可引起電壓暫降。 其中短路故障、感應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)、雷擊電壓暫降的最主要原因。 雷擊 電機(jī)啟動(dòng) 短路故障電壓暫降的起因 保護(hù)裝置切除故障、誤動(dòng)以及運(yùn)行人員誤操作等均可引起供電中斷。 具有故障自動(dòng)恢復(fù)裝置的斷電為短時(shí)間中斷，而需要手動(dòng)才能恢復(fù)的斷電則為長(zhǎng)時(shí)間中斷。 圖5-3所示為一具有架空線路的配電系統(tǒng)。架空線路上發(fā)生的多數(shù)故障屬于暫態(tài)性質(zhì)，如雷電沖擊等。 圖5-3所示的分支線路中采用慢速熔斷器保護(hù)，當(dāng)主饋線斷路器清除暫態(tài)故障時(shí)，

4、熔斷器不動(dòng)作。因此，暫態(tài)故障由重合閘清除后，系統(tǒng)供電自動(dòng)恢復(fù)正常。中斷的起因 永久性故障也可以被主饋線的斷路器清除，但將導(dǎo)致該線路上所有用戶長(zhǎng)時(shí)間的電壓中斷，為此，可以考慮采用熔斷器清除永久性故障。 此時(shí)，需將重合閘設(shè)定為瞬時(shí)動(dòng)作和延遲動(dòng)作兩種情況，及對(duì)所有可能的故障電流，保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間順序依次為：主饋線斷路器（重合閘）瞬時(shí)動(dòng)作、熔斷器動(dòng)作、主饋線斷路器（重合閘）延遲動(dòng)作。 這樣，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，主饋線的所有用戶承受的將為短時(shí)間電壓中斷。 保護(hù)裝置按上述方式配合時(shí)，將會(huì)對(duì)不同的用戶帶來不同的影響。假設(shè)圖5-3中線路1發(fā)生故障，則故障線路1與非故障線路2電壓均方根值的變化情況如圖5-4所示。 圖5

5、-5和圖5-6給出了相應(yīng)于圖5-4非故障線路2和故障線路1上的實(shí)測(cè)電壓波形。 故障切除時(shí)間大約為2周波，重合閘重合所需時(shí)間約為2s，第一次重合為成功，第二次重合系統(tǒng)才恢復(fù)正常供電。 裝設(shè)自動(dòng)重合閘和自動(dòng)切換裝置，是為了保證對(duì)用戶不中斷供電采取的常規(guī)措施。但自動(dòng)重合閘實(shí)際斷電時(shí)間達(dá)幾周波至幾秒，自動(dòng)切換裝置則一般需要0.5s至幾秒。 因此，如上分析的故障引起的電壓暫降和中斷擾動(dòng)問題是不可避免的。 對(duì)于重要的敏感用戶，可考慮采用微電子繼電保護(hù)裝置加大功率電力電子技術(shù)制成的固態(tài)切換開關(guān)來替換常規(guī)的自動(dòng)重合閘與自動(dòng)切換裝置，以保證在0.5周波內(nèi)完成全部切換操作 。 但對(duì)于大多數(shù)用戶而言，廣泛采用的仍為

6、常規(guī)自動(dòng)重合閘和自動(dòng)切換裝置，對(duì)此將在第七章進(jìn)一步介紹緩解電壓暫降的解決措施。 輸配電系統(tǒng)中的多數(shù)故障為單相接地故障，該故障是產(chǎn)生電壓暫降的主要原因。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，單相、兩相和三相電壓暫降占全部電壓暫降的比例分別約為66%、17%和17%。第三節(jié) 短時(shí)間電壓中斷的監(jiān)測(cè)與隨機(jī)預(yù)估 1. 短時(shí)間電壓中斷與長(zhǎng)時(shí)間電壓中斷的比較 短時(shí)間電壓中斷是指線路由于故障或檢修而被斷路器斷開，但在極短時(shí)間內(nèi)重新恢復(fù)供電的電壓中斷現(xiàn)象。 與長(zhǎng)時(shí)間電壓中斷相比，短時(shí)間電壓中斷發(fā)生的頻次高，在技術(shù)處理上也有不同。 表5-1給出了短時(shí)間電壓中斷與長(zhǎng)時(shí)間電壓中斷的比較。 2. 短時(shí)間電壓中斷的監(jiān)測(cè) 與長(zhǎng)時(shí)間電壓中斷不同，短時(shí)間

7、電壓中斷是在人們無法預(yù)知的情況下發(fā)生的，因此對(duì)它的檢測(cè)需要自動(dòng)進(jìn)行。 對(duì)于短時(shí)間電壓中斷，應(yīng)在系統(tǒng)的所有分支回路或重要節(jié)點(diǎn)上裝設(shè)監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 與長(zhǎng)時(shí)間電壓中斷相同，短時(shí)間電壓中斷的檢測(cè)記錄內(nèi)容應(yīng)包括日（年）電壓中斷頻次等，并多以頻次與持續(xù)時(shí)間之間的關(guān)系給出統(tǒng)計(jì)結(jié)果。 圖5-7、圖5-8和圖5-9給出了某一點(diǎn)型的短時(shí)間電壓中斷統(tǒng)計(jì)結(jié)果實(shí)例。 圖5-7所示為中斷頻次與持續(xù)時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。圖中頻次取年平均次數(shù)，持續(xù)時(shí)間取給定時(shí)間間隔。中斷平均次數(shù)計(jì)算式為式中 在檢測(cè)期間Ti內(nèi)，由檢測(cè)裝置i觀測(cè) 到的在r范圍內(nèi)的事件次數(shù)。 事件發(fā)生平均值。 11rkirikiiNNT riN rN(5-1) 在

8、圖5-7的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，以電壓下降到低于額定電壓的10%為一次中斷。 由圖5-7可以看出，130s是短時(shí)間電壓中斷的典型持續(xù)時(shí)間間隔，而小于6c（100ms）的事件是極少發(fā)生的。 由圖5-7還可以計(jì)算出持續(xù)時(shí)間概率密度函數(shù)f(r)和概率分布函數(shù)F(t) rrkNf rN rtF tf r(5-2)(5-3) 中斷持續(xù)時(shí)間的概率密度函數(shù)曲線如圖5-8所示，該曲線給出了沒有超出指定持續(xù)時(shí)間的中斷百分?jǐn)?shù)。 由圖5-8可以看出，10%的中斷持續(xù)時(shí)間小于20c，80%的中斷持續(xù)時(shí)間小于20min。 將概率分布函數(shù)反轉(zhuǎn)過來就是可能引起設(shè)備掉電的概率函數(shù)，或稱之為超出指定值的百分?jǐn)?shù)曲線，用以強(qiáng)調(diào)抗擾性。 圖5

9、-9給出了持續(xù)時(shí)間大于給定值的每年中斷次數(shù)。 需要注意的是，短時(shí)間電壓中斷次數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果隨監(jiān)測(cè)位置的不同而不同。越靠近負(fù)荷側(cè)，短時(shí)間中斷的次數(shù)越多。3. 電壓中斷次數(shù)的隨機(jī)預(yù)估 對(duì)重要的輸配電線路，前面已經(jīng)論及對(duì)電壓中斷可能發(fā)生次數(shù)進(jìn)行估計(jì)的必要性。 由第二節(jié)可知，當(dāng)具有架空線路配電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，相鄰非故障線路可能承受的電壓暫降或中斷，是與自動(dòng)重合閘裝置密切相關(guān)的。 因此，在隨機(jī)預(yù)估某一饋線用戶所承受的短時(shí)間電壓中斷次數(shù)之前，必須了解重合閘裝置和熔斷器的安裝位置、重合閘裝置多次重合的第一次成功率和第二次成功率，此外還需了解主饋線和分支線路長(zhǎng)度以及線路的故障率。 下面以圖5-10所示的配電系統(tǒng)

10、為例，介紹電壓中斷次數(shù)的隨機(jī)預(yù)估的過程。 圖5-10中的主饋線故障率為0.1次/(年km)，分支線路故障率為0.25次/(年 km) ，重合閘裝置第一次重合的成功率為75%，重合閘裝置的第二次成功率是故障數(shù)的10%，因此有15%的故障二次重合沒有成功，這些故障屬于永久性故障，將導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間中斷。1 重合閘過程(1)由于發(fā)生短路故障，過電流使線路保護(hù)動(dòng)作， 斷路器瞬時(shí)打開。(2)斷路器打開時(shí)間為1s，在此期間75%故障會(huì)被消除。(3)斷路器閉合。如果故障仍然存在，過電流使斷路器再次打開，這種情況占25%。(4)此次斷路器打開時(shí)間為5s，在此期間10%總故障數(shù)被消除。(5)斷路器閉合約1s時(shí)間，如果

11、故障仍然存在，斷路器保持閉合，直到分支線路的熔斷器動(dòng)作。(6)熔斷器熔斷后，若故障仍然沒有消失，斷路器第三次打開，并保持?jǐn)嗦窢顟B(tài)，直到人為操作恢復(fù)供電。此時(shí)整個(gè)饋線將承受長(zhǎng)時(shí)間斷電。2 饋線故障總次數(shù)計(jì)算 饋線故障總次數(shù)為11*0.1+22*0.25=66(次/年)。每次故障都將引起電壓幅值驟降事件，并且可能存在四種不同情況：(1)1s持續(xù)時(shí)間的短時(shí)間電壓中斷；(2)二次短時(shí)間中斷，一次為1s，一次為5s；(3)二次短時(shí)間中斷，隨之出現(xiàn)一次電壓暫降；(4)二次短時(shí)間中斷，隨之出現(xiàn)一次長(zhǎng)時(shí)間中斷。由于預(yù)估該饋線上發(fā)生6.6次/年故障，所以其中(1)6.6*75%=5.0次/年為所有用戶一次短時(shí)間

12、斷電；(2)6.6*10%=0.7次/年為所有用戶二次短時(shí)間斷電；(3)6.6*15%=1.0次/年為永久性故障，即用戶將承受二次短時(shí)間斷電和隨之發(fā)生的二次電壓暫降，或隨之出現(xiàn)的長(zhǎng)時(shí)間斷電。 由該饋線供電的每一個(gè)用戶所承受的短時(shí)間電壓中斷次數(shù)相等，即1s持續(xù)時(shí)間的為5.0次/年，(1+5)s持續(xù)時(shí)間的為0.7次/年。 長(zhǎng)時(shí)間電壓中斷次數(shù)則取決于故障在饋線上發(fā)生的位置。當(dāng)主饋線發(fā)生永久性故障時(shí)，所有用戶都將承受長(zhǎng)時(shí)間電壓中斷；分支線路發(fā)生永久性故障時(shí)，則僅僅是由該分支線路供電的用戶承受長(zhǎng)時(shí)間電壓中斷。對(duì)于不同饋線，永久性故障的次數(shù)為：(1)分支A：8*0.25*0.15=0.3(次/年);(2)

13、分支B：4*0.25*0.15=0.15(次/年);(3)分支C：7*0.25*0.15=0.26(次/年);(4)分支D：3*0.25*0.15=0.11(次/年);(5)主饋線：11*0.1*0.15=0.17(次/年)。 不同饋線上的用戶，經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間中斷的次數(shù)為：(1)主饋線：0.17(次/年);(2)分支A：0.17+0.3=0.47(次/年); (3)分支B：0.17+0.15=0.32(次/年); (4)分支C：0.17+0.26=0.43(次/年);(5)分支D：0.17+0.11=0.28(次/年)。 不設(shè)置重合閘，而僅靠熔斷器來清除分支線路上的所有故障，降至可能存在長(zhǎng)時(shí)間電壓

14、中斷。其次數(shù)為：(1)主饋線：0.11(次/年);(2)分支A：3.1(次/年); (3)分支B：2.1(次/年); (4)分支C：2.9(次/年);(5)分支D：1.9(次/年)。 表5-2所示為有重合閘和無重合閘條件下，長(zhǎng)時(shí)間電壓中斷和短時(shí)間電壓中斷次數(shù)的比較結(jié)果。 對(duì)長(zhǎng)時(shí)間電壓中斷敏感的設(shè)備或生產(chǎn)過程，顯然應(yīng)該采取有重合閘裝置的系統(tǒng)，因?yàn)檫@會(huì)使長(zhǎng)時(shí)間電壓中斷減少85%。如果當(dāng)設(shè)備或生產(chǎn)過程對(duì)短時(shí)間電壓中斷和長(zhǎng)時(shí)間電壓中斷都敏感，最好是取消重合閘裝置，斷電的次數(shù)比有重合閘裝置時(shí)可減少1/21/5。但這仍要視具體用戶而定，實(shí)際上有些用戶更愿意接受短時(shí)間電壓中斷而不愿長(zhǎng)時(shí)間斷電。 短時(shí)間電壓中

15、斷可以視為嚴(yán)重的暫降，起分析方法與電壓暫降相似，因此后邊不再對(duì)其專門進(jìn)行論述。有關(guān)長(zhǎng)時(shí)間電壓中斷的內(nèi)容可以參見第三章的相關(guān)部分。第四節(jié) 電壓暫降對(duì)敏感用電設(shè)備的影響 由于電力系統(tǒng)中電壓暫降發(fā)生的次數(shù)遠(yuǎn)比電壓中斷發(fā)生的次數(shù)多，而故障引起的電壓暫降又是不可避免的，所以了解用電設(shè)備對(duì)電壓暫降的敏感程度，對(duì)用戶來說是非常重要的。 一 CBEMA與ITIC曲線 現(xiàn)代社會(huì)各行各業(yè)中廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)，對(duì)短時(shí)間的急劇電壓變化非常敏感。據(jù)IBM的統(tǒng)計(jì)表明，48.5%的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)丟失是由電壓不合格造成的。 20世紀(jì)80年代，美國(guó)計(jì)算機(jī)商業(yè)設(shè)備制造者協(xié)會(huì)CBEMA （現(xiàn)已改稱ITIC信息技術(shù)工業(yè)協(xié)會(huì)）基于大型計(jì)算機(jī)

16、對(duì)電能質(zhì)量的要求，提出了電壓允許的CBEMA曲線。 該曲線是根據(jù)大型計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)繪制的。對(duì)于其他敏感負(fù)荷的CBEMA曲線，可參照該曲線并根據(jù)實(shí)際情況制定。 圖5-11所示的CBEMA曲線，描述了計(jì)算機(jī)承受某種程度與持續(xù)時(shí)間的電壓變化的能力。 CBEMA曲線可劃分為合格與不合格電壓變化兩個(gè)區(qū)域。CBEMA曲線的上包絡(luò)線過電壓時(shí)合格與不合格的分界線，下包絡(luò)線低電壓時(shí)合格與不合格的分界線，陰影部分為合格電壓。 幅值低于10%的低壓情況對(duì)應(yīng)于電壓暫降，幅值為零則對(duì)應(yīng)于電壓中斷。由圖5-11可知，允許的電壓中斷時(shí)間小于8.33ms（60Hz系統(tǒng)的半個(gè)周波）。 CBEMA改稱為信息技術(shù)工業(yè)協(xié)

17、會(huì)后，其所屬的第三技術(shù)委員會(huì)對(duì)圖5-11的曲線進(jìn)行了修訂后稱其為ITIC曲線，如圖5-12所示。 圖5-12仍沿用圖5-11的基本概念，即包絡(luò)線內(nèi)的電壓為合格電壓，而包絡(luò)線外的電壓為不合格電壓。但與CBEMA曲線相比，ITIC曲線的包絡(luò)線進(jìn)行了修訂。 圖5-12中將光滑曲線改為折線，使電壓幅值與持續(xù)時(shí)間有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系；穩(wěn)態(tài)電壓容限從106%和87%改為110%和90%，電壓的上下偏差值相等；下包絡(luò)線的起始時(shí)間從8.33ms改為20ms（超過60Hz系統(tǒng)的1個(gè)周波），表明計(jì)算機(jī)元件的斷電耐受水平有了提高；橫坐標(biāo)既標(biāo)明單位s，又標(biāo)明60Hz系統(tǒng)的周波（圖5-12中的c）單位，更具實(shí)用性。二 計(jì)算

18、機(jī)與電子設(shè)備對(duì)電壓暫降的敏感度分析 計(jì)算機(jī)與多數(shù)其他電子設(shè)備的電源結(jié)構(gòu)極為相似，通常由一個(gè)二極管整流器和一個(gè)電壓調(diào)節(jié)器組成，他們對(duì)電壓暫降的敏感程度也是相似的。 圖5-13所示為計(jì)算機(jī)電源的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，圖中電容器起減小電壓紋波的作用。 圖5-13中，正常工作時(shí)，交流電壓經(jīng)整流器整流后得到幾百伏的直流電壓，再由電壓調(diào)節(jié)器將其調(diào)節(jié)為10V左右的直流電壓，提供給用電設(shè)備。 如果交流測(cè)電壓降低，整流器直流側(cè)的電壓也隨之降低。但是，在一定的電壓變化范圍內(nèi)，電壓調(diào)節(jié)器有能力使其輸出電壓恒定，保證設(shè)備正常工作。若整流器直流側(cè)電壓過低，調(diào)節(jié)器不足以維持定值時(shí)，則可能會(huì)影響設(shè)備的正常工作。為研究電壓暫降對(duì)整流器的

19、影響，作如下假設(shè)：(1)當(dāng)交流電壓絕對(duì)值大于直流側(cè)電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通，直流側(cè)電壓等于交流電壓。(2)暫降事件發(fā)生前，正弦交流電壓峰值為1.在暫降事件發(fā)生后，正弦交流電壓為峰值小于1的恒定值。電壓暫降僅考慮幅值的降低，不考慮可能的相位跳變。正弦電壓不受負(fù)荷電流的影響。(3)二極管關(guān)斷時(shí)，電容器放電。但電壓調(diào)節(jié)器的功率為定值，與直流側(cè)電壓大小無關(guān)。 圖5-14以發(fā)生的50%無相位跳變電壓暫降為例，給出了發(fā)生前、發(fā)生期間、發(fā)生后整流器直流側(cè)電壓的變化情況。圖中虛線為交流電壓絕對(duì)值。 電壓暫降時(shí)，交流電壓瞬時(shí)降低，其最大值小于直流側(cè)電壓。因此，二極管處于反向關(guān)斷狀態(tài)，電容器開始放電并向直流負(fù)荷供電。這

20、一過程一直持續(xù)到電容器電壓小于暫降期間交流電壓的最大值為止。此時(shí)將建立一個(gè)新的平衡點(diǎn)。 應(yīng)當(dāng)注意，電容器放電只決定于連接到直流側(cè)的負(fù)荷，而與交流電壓無關(guān)。因此，任何暫降都將引起直流電壓的衰減，衰減的持續(xù)時(shí)間決定于暫降的幅值。暫降程度越深，電容器放電到可重新從交流電源充電的時(shí)間越長(zhǎng)。 在一定的輸入電壓范圍內(nèi)，電壓調(diào)節(jié)器有能力使其輸出電壓恒定，而與輸入電壓無關(guān)。如果我們假設(shè)電壓調(diào)節(jié)器無損耗，則輸入功率與直流側(cè)電壓無關(guān)，可認(rèn)為連接到直流側(cè)的負(fù)荷為恒定功率負(fù)荷。 在交流電壓的絕對(duì)值低于直流側(cè)電壓時(shí)，提供給負(fù)荷的所有電能都來自于儲(chǔ)存在電容器中的能量。 設(shè)電容量為C電壓暫降前與暫降期間直流側(cè)電壓分別為U0

21、和U，直流側(cè)負(fù)荷功率為P，則在電壓暫降期間某一時(shí)刻t，存在如下關(guān)系： 只要直流側(cè)電壓大于交流電壓的絕對(duì)值，式(5-4)就成立。直流側(cè)電壓衰減期間的大小為：2201122CUCUPt202 PUUtC(5-4)(5-5) 在電壓暫降前正常運(yùn)行條件下，直流側(cè)電壓的變化較小。可在U=U0附近對(duì)式(5-5)進(jìn)行線性化，即 式(5-6)可用于計(jì)算電壓紋波。電壓紋波指直流側(cè)電壓最大值與最小值之間的差。設(shè)基波電壓的周期為T，由式(5-6)可知，當(dāng)t=0與t=T/2時(shí)，直流側(cè)電壓分別達(dá)最大值和最小值。因此，可得電壓紋波為0022002211PPUUtUtU CU C(5-6) 電壓紋波通常用做單相二極管整流器

22、的一個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 將式(5-7)代入式(5-5)可得放電期間直流變壓器的表達(dá)式為 由式(5-8)可知，正常工作情況下直流側(cè)電壓的紋波越大，電壓暫降期間直流側(cè)電壓下降越快。maxmin202PTUUU C 014tUtUT(5-7)(5-8) 當(dāng)直流側(cè)電壓低于電壓調(diào)節(jié)器能正常維持的最小電壓輸入電壓Umin時(shí)，計(jì)算機(jī)電源將跳閘。 假設(shè)電壓暫降前正常工作時(shí)，交流與直流電壓幅值（峰值）均為1p.u.，并忽略直流側(cè)電壓的紋波，則幅值為U的暫降將引起一個(gè)幅值也等于U的新的穩(wěn)態(tài)直流側(cè)電壓。 當(dāng)UUmin時(shí)，計(jì)算機(jī)電源不會(huì)跳閘；當(dāng)UUmin時(shí)，計(jì)算機(jī)電源將跳閘。 設(shè)直流側(cè)電壓剛剛低于Umin時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為tm

23、ax，將U0= 1p.u.代入式(5-8)可得 若已知最小直流側(cè)電壓Umin，則式(5-9)可用于確定計(jì)算機(jī)電源跳閘時(shí)刻，即電源能忍受的最大電壓暫降持續(xù)時(shí)間。電源跳閘時(shí)的直流側(cè)電壓取決于電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。2m inm ax14UtT(5-9)例5-1 假設(shè)某臺(tái)計(jì)算機(jī)在正常工作時(shí)電源直流側(cè)電壓的紋波為5%，試計(jì)算當(dāng)直流側(cè)電壓出現(xiàn)中斷以及最小電壓Umin分別為額定電壓的50%、70%和90%時(shí)，計(jì)算機(jī)電源的跳閘時(shí)刻。若正常工作時(shí)電源直流側(cè)電壓的紋波為1%，重新進(jìn)行上述計(jì)算。 解 當(dāng)Umin=0、0.5、0.7、0.9p.u.時(shí)，若正常工作時(shí)電源直流側(cè)電壓的紋波為5%，由式(5-9)可分別求出tma

24、x=5T、3.75T、2.55T和0.95T。若正常工作時(shí)電源直流側(cè)電壓的紋波為1%，由式(5-9)可分別求出tmax=25T、18.75T、12.75T和4.75T。將所得的結(jié)果按0.5倍周期取整，可得表5-3所示結(jié)果。 由表5-3可知，如果一臺(tái)計(jì)算機(jī)在50%額定直流電壓時(shí)跳閘，且正常工作時(shí)電源直流側(cè)電壓的紋波為5%，則小于4個(gè)周期的電壓暫降不會(huì)使計(jì)算機(jī)跳閘。 任何幅值低于50%、持續(xù)時(shí)間大于4個(gè)周期的電壓暫降都會(huì)使計(jì)算機(jī)跳閘，而幅值大于50%的電壓暫降則不會(huì)對(duì)該計(jì)算機(jī)產(chǎn)生危害。 由表還可以看出，隨著正常工作時(shí)電源直流側(cè)電壓紋波的降低，計(jì)算機(jī)電源允許的最大電壓暫降持續(xù)時(shí)間也加長(zhǎng)了。三 典型設(shè)

25、備對(duì)電壓暫降的敏感度舉例 嚴(yán)重的電壓暫降，將使用電設(shè)備停止工作，或引起所生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量下降。而電壓暫降影響的嚴(yán)重性則隨用電設(shè)備的特性而異。 一般而言，工業(yè)過程設(shè)備對(duì)電壓暫降特別敏感，因?yàn)樵O(shè)備內(nèi)任何一個(gè)元件由于電源出現(xiàn)問題都會(huì)使整個(gè)流程停止運(yùn)轉(zhuǎn)。 下面就給出一些重要設(shè)備受電壓暫降影響的情況。1 冷卻裝置控制 對(duì)生產(chǎn)電子器件的廠家來說，在發(fā)生電壓暫降的情況下，就會(huì)面臨制冷用的大型電動(dòng)機(jī)跳閘而停止工作的所帶來的問題。 例如，電子器件生產(chǎn)廠家生產(chǎn)設(shè)備中采用120V、15V A用來調(diào)節(jié)水溫的過程控制器，會(huì)引起某些冷卻裝置跳閘。利用持續(xù)時(shí)間為0.51000周波的電壓暫降仿真設(shè)備對(duì)該控制器進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該控制

26、器對(duì)電壓暫降非常敏感，不論持續(xù)時(shí)間多長(zhǎng)，在80%額定電壓時(shí)就會(huì)斷電停止工作。2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) 在工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域，如印刷與塑料生產(chǎn)中，都廣泛采用直流驅(qū)動(dòng)。塑料的擠壓生產(chǎn)就是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一個(gè)非常典型的應(yīng)用。 擠塑機(jī)使塑料顆粒變軟并將其壓成液態(tài)塑料，在卷繞機(jī)將塑料卷繞在卷軸之前，液態(tài)塑料可被吹制成塑料袋或加工成其他產(chǎn)品。在這一過程中，防止電壓暫降顯得尤為重要。 在發(fā)生電壓暫降期間，直流驅(qū)動(dòng)的控制器和卷繞機(jī)都可能斷電。由于塑料擠壓生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度很高，任何生產(chǎn)環(huán)節(jié)的中斷都會(huì)造成巨大的損失。 據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)介紹，塑料生產(chǎn)過程中每次電壓暫降事件所帶來的損失平均約為10000美元，而每個(gè)工廠每年約經(jīng)歷

27、2025次電壓暫降事件。 由國(guó)外初步監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，當(dāng)電壓降低到額定電壓的88%時(shí)，擠壓機(jī)就開始出現(xiàn)問題，這表明它對(duì)電壓暫降有著非常高的敏感度。而距離工廠幾英里遠(yuǎn)的故障就會(huì)引起工廠電壓降低至其額定值的88%。 對(duì)于塑料生產(chǎn)過程來說，僅對(duì)控制器和卷繞機(jī)進(jìn)行保護(hù)，并不是在所有情況下都是有效的。如果控制器和卷繞機(jī)得到保護(hù)，它們?cè)陔妷簳航灯陂g將正常工作，而直流驅(qū)動(dòng)將減速。 如果電壓暫降非常嚴(yán)重，直流驅(qū)動(dòng)能力將大大減弱，從而致使塑料袋破損，產(chǎn)生如前所述的問題。因此，直流驅(qū)動(dòng)也應(yīng)得到保護(hù)。3 可編程邏輯控制器(PLC) 對(duì)工業(yè)處理過程來說，PLC是一類非常重要的裝置，因?yàn)檎麄€(gè)工業(yè)流程通常都是在這些裝置的控制

28、下進(jìn)行的。 各類可編程控制器對(duì)電壓暫降的敏感程度有很大差別，但一般來講，PLC的某些部分對(duì)電壓暫降非常敏感。例如，電壓僅有幾周波低于90%額定值，遠(yuǎn)端I/O單元就會(huì)跳閘。 圖5-15為兩個(gè)不同類型的PLC的電壓暫降承受能力測(cè)試結(jié)果，從圖中可以看到同一功能不同類型的PLC對(duì)不同電壓暫降的承受能力。 圖5-15中，較新的類型1控制器在電壓降低至額定值的50%60%時(shí)就較為敏感，而較早的類型2控制器則能承受15個(gè)周波的零電壓。 這說明電子裝置正在變得對(duì)電壓變化越來越敏感，亦即隨著高新技術(shù)的發(fā)展，電壓暫降所帶來的危害有加重的趨勢(shì)，應(yīng)當(dāng)引起關(guān)注。4 機(jī)械裝置 通常，這一領(lǐng)域的自動(dòng)裝置或復(fù)雜機(jī)械用于切割、

29、鉆孔和金屬去處理等。電壓的任何變化都會(huì)影響被加工部件的質(zhì)量。 機(jī)械裝置對(duì)電壓敏感的另一個(gè)原因出自對(duì)安全性的考慮。自動(dòng)裝置通常要求非常平穩(wěn)的電壓以保證正常安全運(yùn)行。電壓的任何波動(dòng)，特別是電壓暫降，都可能引起自動(dòng)裝置或復(fù)雜機(jī)械的不安全運(yùn)行。 因此，這種類型的機(jī)械裝置通常設(shè)定在90%額定電壓跳閘。4 可調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置 可調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置在下列情況下可能跳閘： (1)為了防止對(duì)可調(diào)速驅(qū)動(dòng)中電力電子元件的損壞，當(dāng)驅(qū)動(dòng)控制器的保護(hù)檢測(cè)到工作條突然變化時(shí)，使可調(diào)速驅(qū)動(dòng)跳閘； (2)電壓暫降引起的直流母線電壓的降低，將引起驅(qū)動(dòng)控制器或PWM逆變器的誤動(dòng)或跳閘； (3)電壓暫降期間交流測(cè)電流的增大或電壓暫降結(jié)束后的過

30、電流，使直流電容充電，將引起過電流跳閘，使保護(hù)電力電子元件的熔斷器熔斷。 (4)由電壓暫降引起的電機(jī)速度降低或轉(zhuǎn)矩變化。 還需要注意的是，當(dāng)裝置電源跳閘之后，有的驅(qū)動(dòng)裝置隨著電壓恢復(fù)可立即重新啟動(dòng)，有的將在一定延遲之后才能重新啟動(dòng)，還有一些驅(qū)動(dòng)裝置則必須手動(dòng)才能重新啟動(dòng)。第五節(jié) 電壓暫降幅值、臨界距離與凹陷域 系統(tǒng)中出現(xiàn)短路故障時(shí)，可通過對(duì)公共連接點(diǎn)(PCC)電壓暫降幅值的計(jì)算。然后與允許給定電壓做比較，從而判斷是否對(duì)PCC上某一敏感性用電負(fù)荷產(chǎn)生不利影響。 反之，在已知允許給定電壓情況下，也可以確定系統(tǒng)中何處發(fā)生故障時(shí)會(huì)引起PCC電壓降低到超過該允許電壓值，并進(jìn)而確定使相關(guān)敏感性負(fù)荷不能工作

31、的故障點(diǎn)所在區(qū)域(凹陷域)。 一 輻射狀配電系統(tǒng)的電壓暫降幅值與臨界距離 對(duì)于輻射狀配電系統(tǒng)，可以用圖5-16所示的電壓分配器電路描述。 在圖5-16中，忽略負(fù)荷電流，并假設(shè)電源電壓Us=1p.u.，則故障引起的PCC點(diǎn)以及負(fù)荷端的電壓暫降幅值為 式中 ZF故障點(diǎn)與PCC點(diǎn)之間的線路阻抗， ； ZSPCC點(diǎn)與電源之間的系統(tǒng)阻抗， 。 令ZF=z ( 為故障點(diǎn)與PCC之間的距離，z為單位長(zhǎng)度線路阻抗)，則Fsa gFSZUZZllsagSzlUzlZ(5-10)(5-11) 定義PCC電壓降低到等于臨界電壓U時(shí)，故障點(diǎn)與PCC之間的距離為臨界距離。假設(shè)線路阻抗與系統(tǒng)阻抗的X/R值相等，則由式(5

32、-11)可得臨界距離 的計(jì)算公式為 在臨界距離 內(nèi)發(fā)生的相關(guān)故障將使PCC的敏感性負(fù)荷非正常工作。 critl1scritZUlzUcritl(5-12) 嚴(yán)格地講，式(5-12)僅適用于單相系統(tǒng)。對(duì)于三相系統(tǒng)的三相故障，如果Zs和z采用正序阻抗，式(5-12)仍可使用；對(duì)于單相故障，應(yīng)采用正序、負(fù)序和零序阻抗之和，式(5-12)中電壓為故障相的相對(duì)地電壓；對(duì)于兩相故障，對(duì)于單相故障，應(yīng)采用正序和負(fù)序阻抗之和，式(5-12)中電壓為故障相之間的電壓。 當(dāng)系統(tǒng)與線路的阻抗均為復(fù)數(shù)時(shí)，故障引起的PCC點(diǎn)亦即負(fù)荷端的電壓暫降幅值為 故障其中，Zs=Rs+jXs為PCC點(diǎn)的系統(tǒng)阻抗，ZF=(r+jx)

33、 為故障點(diǎn)與PCC點(diǎn)之間的線路阻抗， 為故障點(diǎn)與PCC點(diǎn)之間的距離， 為單位長(zhǎng)度線路阻抗。可以證明復(fù)阻抗時(shí)的臨界距離 為FsagFSZUZZllzrjx critl22cos1sin=11scritZUUUlzUU(5-13)(5-14)其中，Zs=|Rs+jXs|，z=|r+jx|， 為系統(tǒng)阻抗與線路阻抗在復(fù)平面上夾角，即阻抗角 假設(shè)系統(tǒng)和線路的X/R值相等，則 =0，式(5-14)可簡(jiǎn)化為式(5-12)。盡管上述假設(shè)并不是總成立，但在多數(shù)情況下，用式(5-12)計(jì)算即可得到較滿意的結(jié)果，特別是在沒有足夠數(shù)據(jù)計(jì)算阻抗角的情況下。11tgtgssXxRr(5-15) 圖5-17給出了某一11k

34、v架空線路不同 角時(shí)臨界距離與臨界電壓的關(guān)系曲線。其中系統(tǒng)阻抗為0.663p.u.，線路阻抗為0.278p.u./km。 由上圖可知，僅在阻抗角較大時(shí)，采用式(5-12)時(shí)的計(jì)算結(jié)果誤差才會(huì)較大。 進(jìn)一步分析可知，式(5-12)與式(5-14)的不同之處在于，式(5-14)存在系數(shù) 在阻抗角較大時(shí)，按下式進(jìn)行計(jì)算，即可得到臨界距離的較精確結(jié)果 為簡(jiǎn)化計(jì)算，可將k做如下近似22cos1sin1UUkU221cos1sin111 cos2kUUUU =11cos1scritZUlUzU(5-16)(5-17)(5-18)二 非輻射狀配電系統(tǒng)的電壓暫降幅值與臨界距離 前面所述的電壓暫降幅值與臨界距離

35、的確定方法，僅適用于主要是輻射狀網(wǎng)絡(luò)的配電系統(tǒng)，將該方法應(yīng)用于非輻射狀配電系統(tǒng)，需進(jìn)行一些修正。 例如，帶有地方發(fā)電機(jī)配電系統(tǒng)的等值電路如圖5-18所示 圖中，Z1為PCC點(diǎn)的系統(tǒng)阻抗，Z2為故障點(diǎn)與PCC點(diǎn)之間的阻抗，Z3為PCC和發(fā)電機(jī)母線間的阻抗，Z4為地方發(fā)電機(jī)的暫態(tài)電抗。負(fù)荷端的電壓暫降幅值由下式確定43411sagpccZUUZZ 忽略負(fù)荷電流，并假設(shè)兩個(gè)發(fā)電機(jī)的端電壓相同，可得PCC電壓為 因此有22134/ /pccZUZZZZ1421341341sagZ ZUZZZZZZZ (5-19)(5-20)(5-21)令 ，臨界電壓為U,可得臨界距離為 又如圖5-19所示的為同一電源

36、、兩個(gè)支路的配電系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可使電壓中斷次數(shù)大大減少，但通常卻會(huì)使發(fā)生較嚴(yán)重的電壓暫降次數(shù)增加。 2Zzl1431341critZUlZZz ZZZU(5-22) 假設(shè)Z1和Z2為兩條線路的阻抗，Z0為系統(tǒng)阻抗。線路1在距電源p處發(fā)生故障，則負(fù)荷母線電壓暫降由下式?jīng)Q定 當(dāng)p=0或p=1時(shí)，電壓暫降幅值為0.通過合理的假設(shè)，也可對(duì)臨界距離進(jìn)行描述。21201212111sagpp ZUZZZpZ Zpp Z(5-23) 例5-2 如圖5-20所示的132kV環(huán)網(wǎng)配電系統(tǒng)，132kV供電變電所的短路容量為5000MV A，提供給敏感性負(fù)荷用電的變電所到132kV供電變壓所的線路長(zhǎng)度分別為25km和100km。單位長(zhǎng)度線路阻抗為z=0.3 /km，請(qǐng)畫出在兩線路不同地點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)負(fù)荷母線電壓暫降幅值曲線。解 與圖5-19比較