用户侧需要能综合治理瞬态波动、电压暂降和短时中断的设备
1引言
近几十年来，随着新材料、新技术、新工艺的不断进步与发展，工业生产规模越来越大，自动化程度也越来越高，由电压暂降和短时中断带来的经济损失成为电能质量问题中备受关注的热点。电压暂降是电网运行过程中不可避免的短时扰动现象。国标GB/T30137-2013中对电压暂降和短时中断分别做了定义，并指出短时中断可以看作是一种最严重的电压暂降。
电压暂降给过程型生产企业造成巨大的经济损失，如生产工艺停产和重新启动成本、未完成产品的报废、敏感设备的损坏、产品质量下降等，甚至会引起严重的安全事故和环境问题。电压暂降是工业界和学术界长期以来的研究课题，随着我国工业生产规模越来越大，自动化程度也越来越高，电压暂降成为相关行业关注的热点，引起电网公司和行业用户的高度重视。
笔者所在单位自2005年开始为过程型生产企业提供电压暂降治理方案和产品，治理设备的现场安装数量逐年上升，如图1所示。本文将基于笔者所在单位各行业用户中200个典型用户的电压暂降治理过程、现场监测和调研统计，进行数据挖掘，分析电压暂降原因及治理措施的一些共性和差异，以期为各行业用户和相关技术人员提供有价值的参考。
图1笔者所在单位电压暂降治理设备安装数量
2基于典型案例的电压暂降发生次数汇总和分析
2.1电压暂降治理设备的安装情况
电压暂降对过程型工业行业的影响巨大，各行业用户也在积极寻找电压暂降治理解决方案。笔者所在单位基于直流供电技术的VSP（VoltageSagsProtector）解决方案、交直流混合供电解决方案在各行业都有普遍应用。本文挑选了上述四个行业的200个典型用户（火电厂100个、化工25个、化纤50个及半导体25个），统计了各行业用户的被保护敏感负荷数量、设备数量和设备容量，结果分别如图2~4所示。
2.2电压暂降发生次数汇总和分析笔者所在单位运维数据中心，长期对受电压暂降影响的用户分行业、分区域进行电压暂降汇总分析。同时给上百套VSP系统免费安装了电能质量（PQR）分析仪，如图5所示。
图5现场安装的PQR分析仪
PQR分析仪能够准确捕获电压瞬态波动、电压暂降、短时中断、电压暂升、闪变等电压质量事件，事件波形记录保存在SD储存卡中，可通过网络上传波形数据，事件顺序记录（SOE）可以邮件形式发给相关人员，形成数据分析的有力素材。图6为PQR分析仪捕获的几次电压质量事件：（a）单次三相不平衡电压暂降事件波形；（b）配电网10kV开关动作造成的电压暂降波形；（c）电压短时中断波形。
根据现场安装的PQR分析仪中电压暂降事件的波形记录以及用户10kV故障录波仪数据，并结合电压暂降保护设备的运行记录和现场调研数据，2015年1~11月期间200个典型用户的电压暂降和短时中断情况如表1所示，其中大于1分钟的长时中断2次，一次为5分钟，一次为12分钟。
对比所有短时中断和电压暂降发生的次数，可以发现电压暂降所占比例为89.2%，短时中断10.7%，长时中断0.1%。值得注意的是短时中断所占比例依然较高。
对比分析火电厂和工业用户，可以发现火电厂发生电压暂降和短时中断的平均数为1.57次/年，明显小于工业用户的20.5次/年。我们认为这与各自所处的电网位置及自身配网复杂程度相关，工业用户处于电网的负荷侧，多种因素综合影响，较电网的电源侧来说，是电压暂降发生较多的地方。
基于典型案例数据的电压暂降原因研究和分析
3.1电压暂降原因
电压暂降的主要原因是由供电系统和用户内部设备发生短路故障引起的。过度和恶劣的天气条件，如雷电、大风、暴雪和冰雹等强对流天气往往与电压暂降的发生直接相关。由于绝缘老化和污染引起的电特性降低、动物与树枝引起的触电，以及有关施工和运输活动中人为造成的短路故障都会造成电压暂降事故。此外，大型电动机的起动、变压器通电或负荷切换均会引起电压暂降。
3.2各行业、各区域电压暂降主要原因
根据现场安装的PQR分析仪中电压暂降事件的波形记录以及用户10kV故障录波仪数据，可以分析出每次电压暂降的发生原因。再结合对用户的现场调研，可形成相应的各行业、各区域电压暂降主要原因。火电厂和工业用户各区域电压暂降主要原因如图7-8所示。
3.3电压暂降主要原因分析
根据2015年电压暂降汇总图表可以看出，相同行业不同区域的电压暂降主要原因存在些许差异，相同区域不同行业的电压暂降主要原因存在明显差异。•火电行业电压暂降的主要原因大多为高压输电线路故障，这是由于火电厂厂用电系统比较完善，出现故障的概率非常低。•工业用户电压暂降的主要原因为自然原因，其次是配电线路故障。极端天气和强对流天气期间统计到的电压暂降次数远大于其他原因引起的电压暂降次数，而且电压暂降发生时间与区域极端天气时间一致，如西北、东北地区受强风、暴雪等恶劣天气影响严重，东南沿海区域受雷电、台风等强对流天气影响严重。例如，福建某用户在2015年8月8日台风苏迪罗登陆期间发生电压暂降53次，如图9所示，短短两天内电压暂降发生次数占全年电压暂降总次数的81.5%。另外，辽宁某用户在2015年11月6~10日大雪期间发生电压暂降34次，占其全年电压暂降总次数的85%。
如果对各用户多年来电压暂降原因进行分析，可以发现其主要原因也在发生变化。这一事实与这些用户及所在地区电力公司采取的电压暂降治理措施分不开，鉴于篇幅所限，在此不作详细讨论。在后续的治理措施中，将挑选一些典型用户给出详细分析。
4电压暂降改进措施
4.1电网侧改进的主要措施
1.减少故障次数
这是电力公司和具有自主配网的用户常采用的措施。主要办法有：园区配电线路规划、高耗能大负荷企业搬迁、预防性试验检查、架空线入地、架空线加外绝缘、对剪树作业严加管理、架设附加的屏蔽导线、增加绝缘水平、增加维护和巡视的频度等。案例1：陕西神木某化工公司2007~2015年间发生电压暂降的次数如图10所示。2007~2009年间的电压暂降主要原因是园区周边用户的大负荷启动、设备故障、误操作和电缆短路等。通过2009年政府的产业调整，高耗能的电石厂搬迁，电力公司加强用户侧监管，并新建蟒过渠变电站转移耗能用户后，电压暂降发生次数明显减少，2010~2013年间电压暂降主要原因是内部配网故障和天气原因。该公司被神华集团收购后，管理水平明显提高，配合电力公司要求进行了预防性试验，对内网电缆头和电机引线进行了绝缘加强处理，明显减少了接地短路故障发生。2014~2015年间电压暂降主要原因为自然原因和外网故障，发生次数由2007年的24次下降为2015年的4次，如图10所示。
图10陕西神木某化工公司电压暂降治理历程
案例2：浙江慈溪某化纤公司所处的沿海化工园区是个雷击重灾区，原先配电线路为沿海近10km的35kV架空线路，每年夏季甚至开春时节该用户就可能因为雷击造成电压暂降和短时中断，2008年发生电压暂降27次。2010年慈溪电力公司对园区供电线路做了优化，就近新上了一座220kV变电站，10kV线路采用架空线和电缆敷设相结合的方式，有效避免了雷击造成的电压暂降，用户侧电压暂降次数减少为3~5次/年。
2.缩短故障清除时间
采用快速断路器可有效缩短故障切除时间，而且能够提高远距离保护的选择性；速动后备保护也是缩短故障清除时间的少数有效方法之一。通过缩小分级区域的方法、优化各种保护时间定值、做好级差配合，都可以减少故障影响范围并快速切除故障，有效缩短电压暂降持续时间。案例3：中石化仪征某化纤公司在全厂进行保护定值整定，通过设备的快切配合，将故障引起的电压暂降持续时间控制在100ms以内，可保证多数生产装置几乎不受影响，少数敏感负荷再通过增加缓解设备来确保平稳渡过电压暂降。
图11所示为保护的常规配置。Q6开关：配置过电流保护，动作时限为0.7s；电流速断保护，动作时限为0s。110开关：配置充电保护，因保护动作时限级差无法配合，一般不配过电流或电流速断保护。Q4开关：配置过电流保护，动作时限为1.2s；电流速断保护，动作时限为0.5s。Q2开关：配置过电流保护，动作时限为1.7s；电流速断保护，动作时限为1s。负荷侧母线不设专门母线保护，母线故障由Q4开关的电流速断保护来切除。
按上述保护的常规配置，当Q2和Q4之间电缆发生故障时，靠1s的电流速断保护切除故障，电源侧母线电压下降严重，同一母线的所有用户因低电压而影响生产。负荷侧母线故障由Q4的0.5S电流速断来切除。
为了快速切除故障，降低故障时母线电压下降的幅度，利于电动机的自启动，推荐保护如下配置：Q6开关：配置过电流保护，动作时限为0.7s；电流速断保护，动作时限为0s。110开关：配置充电保护。Q2和Q4之间的电缆设置导引线纵联差动保护。负荷侧变电所母线设置0.15s的反向闭锁式母线保护。Q4开关：配置过电流保护，动作时限为1.2s；电流速断保护，动作时限为0.15s。负荷侧变电所母线故障由0.15s的电流速断保护切除。Q2开关：配置过电流保护，动作时限为1.7s；电流速断保护，动作时限为0.5s；导引线纵联差动保护，动作时限为0s。导引线纵差保护起动110开关快切装置。
综上所述，利用保护优化取得了在任何运行方式下都保护快速切除（0.1～0.2秒）切除母线故障，在单线运行情况下，10kV母线故障影响范围减少了50%。
上述两项措施是电力公司经常采取的措施。一方面，工业用户对于电能质量和供电可靠性要求非常高的地区，电力公司也采取相应的措施以提供优质供电和客户满意度；另一方面，一些地区受强对流天气和恶劣天气影响严重，除电力公司采取相应的措施，用户也要积极采取其它措施才能避免电压暂降带来的损失。
4.2用户侧主要改进措施
1.改变供电方式
在敏感负荷附近装设1台电源；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；在系统中的关键位置安装限流线圈，以增加与故障点间的电气距离；对于高敏感负荷，可以考虑由两个或更多电源供电，这些方式都会改变暂降影响范围。
不同的供电方式在电压暂降时会有不同的开关动作，会造成不同的暂降范围、暂降深度和持续时间；不同的变压器接线方式和接地方式会造成高低压侧不同的电压暂降传递方式；单源双线、双源双线、单母线分段、双母线分段、开环运行和合环运行等都会对电压暂降严重度有影响，如何选择适合客户自己的运行方式实在是仁者见仁智者见智，要根据用户实际情况选择，坚持提高供电可靠性并降低暂降影响是基本原则。
案例4：某大型石油化工企业有两条110kV进线和4台自备发电机组，厂内有35kV、10kV不同电压等级的线路。经过仿真分析，选择一种提高供电可靠性又降低电压暂降影响的运行方式，如图12所示。基于外网供电可靠性越来越高的前提，将部分装置的10kV开环运行方式改为合环运行方式，避免了开环运行中备自投开关动作将电压暂降扩大为短时中断，而在外电网深度暂降或短时中断时，快速开环运行，重构电网，避免扩大电压暂降的影响，确保重要负荷正常运行。
图12某大型石油化工企业35kV及10kV配网图
2.安装缓解设备
对敏感负荷安装缓解设备是电压暂降和短时中断治理的最后一道防线。前几种措施虽然可以有效减少电压暂降发生的次数，也可以有效减少电压暂降的持续时间，但是不能从根本上杜绝电压暂降的发生，更不能在电压暂降发生时保护敏感负荷免受电压暂降影响。安装缓解设备可以彻底解决敏感负荷受电压暂降和短时中断的影响，也是保护敏感负荷的必然选择。
选择缓解设备的关键问题是确定边际条件，也就是确定缓解设备的保护范围，包括电压保护范围、保护时间和治理频次。CIGREC4.110工作组报告给出一种针对工业过程免疫力时间（ProcessImmunityTime，PIT）的推荐性标准，一般来说，电压以满足短时中断为基础，时间以满足最大保护动作时间为基础，频次以解决全部电压暂降为基础。同时，缓解设备有交流串联式与直流并联式之分，电压源型与电流源型之分，带与不带储能单元之分，单一设备与组网治理之分。总体来说，并联设备比串联设备可靠性要高，带储能的比不带储能的治理范围大。同时，带储能的缓解设备工作时对电网的冲击电流小，可以治理伴随保护动作、线路瞬时开路的电压暂降和短时中断。
采用交流不间断电源（UPS）和直流不间断电源（DC-UPS）是解决控制系统供电中断的有效方法，同时也能有效治理电压暂降；采用基于直流供电技术的电压暂降保护（VSP）系统可以彻底解决变频器和接触器等敏感负荷电压暂降和短时中断。
案例5：陕西神木某化工用户在定制缓解设备时，根据以往监测到的电压暂降数据，认为暂降深度不会超过60%，选择了电压保护范围为60%的电压暂降保护系统。在设备安装后的第一年运行过程中，发生了深度电压暂降，其暂降深度超过60%，敏感负荷停机。随之将该套设备更改为带有储能单元的VSP系统，可提供15s的短时中断治理，后来所有的电压暂降和短时中断发生时，没有再出现敏感负荷停机的情况。
3.提高用电设备的抗扰能力
给消费类电子设备、计算机、控制设备等单相、低功率设备内部的直流母线装设更多的电容，将有效延长设备所能承受的电压暂降时间，提高设备对电压质量问题的抵御能力；采用宽范围DC/DC变换器；对电压暂降非常敏感的设备变频调速装置，增大直流母线的电容量可有效防止单相和相间故障引起的电压暂降；对所有接触器、继电器、传感器等器件的抵御能力进行检查分析，进而采用一定的措施，也能大大提高整个系统的抵御能力；安装新设备时，应事先从生产厂家那里得到有关设备抵御能力的信息。但遗憾的是除了半导体行业有针对行业设备的SEMIF47标准外，其他工业行业还没有设备的电压暂降耐受力标准，这个现状希望能引起相关各行业思考。
4.采用交直流混合供电模式
在原有交流供电的基础上，增加直流供电，形成交直流混合供电，可以提高供电可靠性；并在电压暂降期间，由直流供电线路给敏感负荷供电，保证敏感负荷不间断运行，这种改变供电方式的做法，在一些汽车制造、半导体和化工行业已有小范围应用，随着直流配电技术的发展，特别是直流断路器、直流保护技术的完善，必将成为一种发展趋势。这种供电方式可以避免一对一治理设备的“打补丁”方式的缺点，形成全厂的协同治理，也是一种高性价比的治理措施。
案例6：中石化某新建煤化工项目中，空分车间采用交直流混合供配电方式，对全部空分车间的控制系统和敏感负荷统一进行保护，并与分布式发电装置柴油发电机形成无缝对接，可长时间确保工艺关键装置不停机，整体投资比分散治理方案减少了约10%。
从电压暂降改进措施来看，各行业可以根据自身的配电特征和负荷特性采取相应的改进措施，如表3所示。电网侧措施只是降低电压暂降的次数和持续时间，但并不能在电压暂降发生时产生保护效果。各行业可以在前三种改进措施的基础上，根据需求采用安装缓解设备和采用交直流混合供电进行电压暂降的保护。只有多项措施并举才能彻底避免电压暂降带来的影响。另外，半导体行业采用了所有的改进措施，包括提高用电设备的抗扰能力（如制定SEMIF47标准），电力行业在2012年由国家电网调度中心牵头制定了《发电厂一类辅机变频器高低电压穿越技术规范》，并在2015年升级为电力行业标准《发电厂变电站辅机变频器高低电压穿越技术规范》，相关工作已接近尾声，是国内不多见的行业设备电压暂降、暂升抗扰能力标准。
5结论和展望
电压暂降和短时中断是电网运行过程中不可避免的短时扰动现象。根据十年以来典型用户现场调查、设备运行记录及PQR分析仪的波形记录，对相关四个行业的电压暂降次数、主要原因、改进措施进行了汇总分析。结果表明，相同行业不同区域的电压暂降发生次数、主要原因存在些许差异，但相同区域不同行业的电压暂降主要原因存在明显差异。其中，火电行业电压暂降主要原因大多为高压输电线路故障，其他行业暂降主要原因大多为自然原因。各行业、各区域采用的主要改进措施也存在一定的差异，对高度敏感的负荷通过安装缓解设备甚至改变供电方式可以彻底解决电压暂降和短时中断的影响，多种措施并用可减少终端用户、电网及全社会因电压暂降引起的经济损失。半导体行业采用了所有的改进措施。由于汇总基数有限，汇总结果必然存在一定的误差，随着电压暂降治理用户数、PQR记录仪安装数量及暂降事件波形记录的逐渐增加，汇总结果的准确性也必将逐步上升。希望本文的统计和分析结果能够为我国电压暂降治理的研究和实践提供一定的参考。
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