厦门翔安地区电压暂降问题分析及防治措施
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国网福建省电力有限公司厦门供电公司、福州大学电气工程与自动化学院的研究人员吴颖、蒋衍、李为明、张逸，在2019年第7期《电气技术》杂志上撰文，根据厦门翔安地区实际调研结果，分别从电网侧与用户侧角度分析了该地区产生电压暂降的原因以及造成的影响，在此基础上提出了电网侧改造与用户侧治理相结合的综合防治方案。
在电网侧重点探讨了快速开关技术在快速切换电源方面的应用，在用户侧提出了合理设置低压脱扣器动作延时以及与电压补偿设备相配合的措施，所提方案能够有效缓解电压暂降问题对重要负荷的影响。
电压暂降是指电力系统中某点工频电压方均根值突然降低至0.1～0.9p.u.、并在短暂持续10ms～1min后恢复正常的现象。产生电压暂降事件的原因很多，普遍认为包括系统内的短路故障、大型电动机起动、大型变压器空载激磁、大容量无功补偿电容器组的投切等，这些原因可统一归结为短时间内从系统突然汲出一个大电流，并自动恢复。可以认为，电压暂降是电力系统正常运行不可避免的事件。
近年来，由于台风灾害、重大活动筹备建设等原因，厦门翔安地区电网频繁发生由短路故障引起的电压暂降事件。该地区大量以光电子行业为代表的高新技术企业汇集成现代工业园区，为了提高生产力水平，所采用的大量以CPU、微电子、电力电子、数字化和信息化技术为核心的高科技精密设备对电压暂降非常敏感。电压暂降已成为威胁园区生产运作的主要问题。
电力用户每年因电压暂降问题造成的经济损失巨大。实际调查表明，该园区年度平均经济损失超过2亿元。某国家级光电子产业基地的重要用户，在2016年6月—2017年6月期间因电压暂降停机12次，单次经济损失达400～600万元。
随着现代工业园区设备趋于集成化和精密化，用电设备对电压质量的要求不断提高，电压暂降对用户设备的安全可靠运行造成的威胁日益加剧。且由于不同用户用电需求的差异性，传统的单一定制电力技术不能很好地满足电力市场中供用电双方的利益诉求，因此，需要积极探索预防性和补救性相结合的措施，应分别从配电网网架结构优化、用户配电设备参数设置以及含储能设备的电压暂降治理设备的应用等方面提出针对现代工业园区电压暂降的防治方法。
1 电网结构及用户电压暂降情况
1.1 翔安地区电网结构
翔安地区电网结构及各重要高压用户的供电方式已能满足较高的可靠供电要求，如图1所示。公共电源点方面：主要有500kV的东岗变（电源主要来自泉州、漳州和宁德电厂）；公共变电站方面：在运500kV变电站1座（东岗变），220kV变电站3座（内官变、丁亭变、翔安变）。500kV和220kV电网均已形成双回双环网结构，可以实现电能跨区供应。
110kV电网架构是厦门市布置最密集和完善的区域之一。重要客户电网方面：主要有SA、XD、YJ、TM等数家高新技术企业（由于涉及用户隐私，故采用字母缩写代替），均为自建110kV变电站且均为双回110kV进线供电，两回进线尽量来自不同的220kV变电站。
图1 重要用户与上级电源点连接关系
1.2 用户电压暂降情况
厦门翔安工业园区陆续投产了一批高质量电压需求客户。2017年以来，由于区域内台风、雷击等自然灾害，电网设备故障（含泉、漳500kV电网故障，厦门其他区域故障，客户设备故障），以及重大活动筹备建设等因素，造成部分重要敏感用户发生了电压暂降和短时停电。
表1统计的是该地区4家代表性企业同时遭受的电压暂降事件。电压暂降主要影响其生产线精密工艺设备、空气压缩机、变频器、交流接触器等敏感设备，造成产品报废、设备损坏、生产效率降低、能量损耗增大、合同赔偿等直接或间接损失。
表1 重要用户电压暂降事故集中统计表
XD从2017年2月—2017年6月一共发生停电或暂降事故11起（停电2起，暂降9起），损失529万。
TM从2016年6月—2017年6月共发生暂降事故14起。其中工艺设备受影响较严重，敏感负荷复机时间长，停机1～2h，而复电至正常工作则需要2～3天，14起中有12起导致工业设备宕机（指计算不能正常工作）；厂务设备有3起受影响。
SA统计2016年发生电压暂降事故3起，2017近半年发生6起电压暂降事故，损失将近1.5亿，主要影响集中于生产线的敏感负荷，一个生产周期内（二十多天）若发生暂降，则将导致全批次产品报废。
YJ统计2017年近半年9起电压暂降事故，共计损失203万元。
2 电压暂降原因分析
2.1 电网侧原因分析
系统短路故障造成电压暂降或短时停电。当发生突发自然灾害、零星异物漂浮、野蛮施工破坏、季节性火烧山等事故时，会造成输电线路短路，影响相关配电系统的电压质量。用户经受的电压暂降幅值取决于与故障点的电气距离，电气距离越近，电压暂降幅值越大。配电系统的短路故障也会引起相邻馈线的电压暂降。
随着电网互联的加强，在供电能力和可靠性进一步提升的同时，电压暂降大范围传播的威胁加大。当上级近区500kV系统发生短路时，将影响厦门地区的所有220kV电压；当220kV系统发生短路时，与故障点距离近的片区220kV电压同时发生暂降，如泉州地区、同安区220kV系统故障，翔安区220kV电压也感受到暂降；110kV线路故障影响范围集中在直接连接的220kV站、110kV母线及其馈出线路。
电网大建设引起电网事故风险增大。由于翔安地区用户和用电量的快速增加，电网公司加快电网建设以满足负荷增长的需要。在电网建设过程中，线路跨越、设备试验等因素引起电网部分线路停电，新设备投入和电网运行方式的调整使风险增加。
台风给电网和设备带来一定的隐患。超强台风过后，翔安地区电网和上一级电网快速恢复供电，但部分电网和设备存在强度下降、应力降低等不影响送电的隐患，经过一定时间的运行，抗外力影响的能力有所降低。
2.2 用户侧原因分析
图2 典型电压敏感负载耐受能力
用户包含越来越多的敏感设备。多数敏感设备的电压暂降耐受力在几十甚至几毫秒内，如图2所示，且位于工业过程的关键部分，一旦遭遇电压暂降而宕机，就可能导致后续工序被迫中断。此外，相当一部分的工业过程中断事故是厂务系统宕机所致，其造成的后果往往比工艺设备直接受到电压暂降影响更严重。
比如，排气系统的排气泵由变频器拖动，当发生电压暂降时，变频器跳闸，随即排气风机停机，洁净室气体指标发生变化，导致半导体工艺连锁跳车，生产过程中断，产品报废，造成几百万的经济损失。
用户配备的电压补偿设备或不间断电源远远不足。对厦门市110kV重点工业企业电压补偿设备的调查显示，仅少数企业配备电压暂降缓解设备。初步调研可知，有配置的企业在电压发生暂降时，可承受20%～30%电压压降及60～100ms的电压暂降，能够维持正常生产，降低产能损失。
企业普遍缺乏对电压暂降的认识，不愿意投资治理。国网福建电力公司2017年开展某地级市的电能质量经济损失调研，参与调研的20家企业包含了纺织业、医院、农产品加工、新能源、电子行业、鞋业、塑料盒橡胶业等行业，主要产品包括纺织品、封装产品、保鲜蔬菜、测试产品，其中，只有47.1%的企业愿意增加投资解决电能质量问题。
3 电压暂降防治建议
对于电压暂降问题应主要从以下两方面考虑防治措施：一方面改变网络结构，降低系统短路故障的发生概率，以减少发生电压暂降的频率；另一方面在短路故障发生后，在用户侧加装补偿设备，以缓解电压暂降的影响。
3.1 电网侧改造
1）系统改造
减少故障次数不仅可以减少电压暂降的频次，还可以减小永久性供电中断频次，因此，这是一种改善电力系统供电质量的有效方法，主要措施有：用地下电缆替代架空线、修理树枝、增强防雷击、提高绝缘水平等。电压中断持续时间取决于供电恢复的速度，缩短故障清除时间虽然不能影响电压暂降的频次，但是会明显地限制电压暂降的持续时间，减小电压暂降事件的严重程度。
其方法主要包括对关键线路采用光纤保护、优化本地配电网的保护定值等。此外，通过系统改造，电压扰动事件的严重程度也可以得到降低，其抑制电压中断的主要方法是安装冗余元件。
2）双电源快速切换
基于电磁斥力原理的快速开关（HSB）因其速度性、可靠性和经济性上的优势，被越来越多地应用于电力系统故障限流、直流断路器以及相控开关等诸多领域。与基于电力电子技术的固态切换开关（SSTS）相比，这种快速开关切换速度相当（HSB：13～15ms；SSTS：10～13ms）且不受电力电子器件可靠性、高压大容量经济性制约，因而可以弥补电力电子快切开关在高压系统的不足。
基于快速开关的双电源快速切换方案，可在变电站或开关站出线处实施，从电网侧保证大功率敏感负荷的供电连续性，其原理如图3所示。
图3 双电源快速切换原理示意图
正常运行时，Ⅰ段电源进线开关K1处于合闸状态，Ⅱ段开关K2处于分闸状态；切换控制器实时检测工备电源的电压同期状态。当工作电源系统发生电压暂降时，切换控制器控制K1跳闸，然后再合K2，实现对负荷供电的切换。在企业两路进线电源端安装快速切换装置，实现15ms以内备用电源快速切换，可避免企业内部大多数负荷经受因外部电网故障造成电压暂降。
值得注意的是，本方案需要满足两个前提：①具备两路同性质且不同源的独立电源；②每路电源能承载切换后的总负荷。
3.2 用户侧治理
1）调整低压脱扣器的配置
低压脱扣器是断路器的核心元件，对断路器的分闸起关键性作用，一旦监测到电压低于某一设定值，即动作切断负载，目前在配电网中广泛应用[10-11]。据调研，配电网中低压开关中配有的低压脱扣器大多数采用的是瞬时型。
然而，配置瞬时型低压脱扣存在的问题有：①电压暂降或正常操作可能会引起低压脱扣器动作，造成用电设备突然断电，影响用户的生产；②在线路故障跳闸、限电、检修等情况下，0.4kV低压断路器也会因低压脱扣器动作而跳闸，必须由人工对低压断路器进行合闸操作后电路才能复电，工作量大，降低了供电的连续性。
通过给低压脱扣装置设置延时，可以合理避开部分暂态事件影响，减少用户平均停电时间，提高用户供电可靠性。
对低压脱扣器的配置建议如下：
（1）建议对用户专用变压器的低压进线或母联开关的欠压脱扣全部解除，这样与公网配置一致，可以避免普通负荷因电压暂降造成的损失。
（2）若用户各用电设备的终端开关配置有欠压脱扣，则建议加上1～2s的延时，低压脱扣装置的延迟时间按照躲过电网各电压等级故障切除时长、单相故障重合闸等时长和各类传感器检测、开关动作、自动化数据传输等固有时间进行设置，应根据各种工况详细计算，至少不小于1s。这样既避免了大部分因主网故障造成的电压暂降影响，又保留了用户特殊的失压保护功能。
2）电压补偿设备
电网故障是不可避免的，在用户设备已安装投运的情况下，通过在用户侧加装补偿设备是目前通用的主要措施，以降低生产过程中断和生产设备损坏的风险。典型的治理方案包括以下4种：
（1）在线式不间断电源（uninterruptible power supply, UPS）
此方案响应速度快，不间断供电，持续供电时间长，达到分钟级，且具有稳压的效果，可以显著提高功率因数。缺点是建设投资高，后期维护量成本量和工作量大，蓄电池寿命短（3～5年），具有10%的损耗和20%的电流畸变率。
（2）离线式应急电源（UPS）
此方案配置电池储能后可实现长时间补偿，效率比在线式UPS高5%，投资比在线式UPS略低，且运行噪声低。缺点是响应速度慢（10ms左右），输出谐波含量大，且占地面积大，建设投资和后期维护成本的工作量大。
（3）动态电压恢复器（dynamic voltage restorer, DVR）
此方案响应速度快（2ms），如果不采用电池，那么占地面积小，使用寿命长。但也存在输出谐波含量大、补偿的深度和持续时间有限、装置本身有损耗等缺点。
（4）直流支撑技术（VSP）
此方案响应速度快，达到微秒级，补偿时间长，深度大，电池用量少，建设维护成本低。技术缺点是改造工程量大，放电时容易形成变频器之间的换流，直流纹波增大，相互之间会有干扰，且存在电池维护问题。
以上方案均基于电力电子技术，存在投资高、损耗大、可靠性差、容量受限等问题。
基于快速开关的含储能快切装置可解决上述问题，其原理示意图如图4所示。切换装置由切换开关K1、K2和切换控制器组成，负载连接超级电容储能装置。当电源发生故障时，切换控制器控制切换开关断开，由超级电容向负载供电。
图4 含储能的快切装置原理示意图
若在企业内部关键生产流程安装含储能的快切装置，则可实现故障时间15ms内将关键工艺流程供电切换到储能电源，且能维持足够的供电时间，等待暂降结束回切。
本文分析了厦门翔安地区重要用户的电压暂降的现状，针对该地区用户特点，从全局角度提出了电网改造、安装电压补偿设备等防治建议。通过基于快速开关的双电源快切方案和含储能的快切方案在电网侧和用户侧的应用，实现经济可靠的电压暂降治理，有效提升用户电能质量。
电压暂降的防治工作需要充分发挥电网侧预防的宏观作用和用户侧治理的高效性。供需双方协同治理，是未来的趋势。为了优化电压暂降治理资源配置，减少电能质量责任纠纷，下一步应重点研究电网侧与用户侧相协调的治理策略。