電壓暫降是指電力系統(tǒng)中某點(diǎn)工頻電壓方均根值突然降低至0.1～0.9p.u.、并在短暫持續(xù)10ms～1min后恢復(fù)正常的現(xiàn)象。產(chǎn)生電壓暫降事件的原因很多，普遍認(rèn)為包括系統(tǒng)內(nèi)的短路故障、大型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、大型變壓器空載激磁、大容量無功補(bǔ)償電容器組的投切等，這些原因可統(tǒng)一歸結(jié)為短時(shí)間內(nèi)從系統(tǒng)突然汲出一個(gè)大電流，并自動(dòng)恢復(fù)?？梢哉J(rèn)為，電壓暫降是電力系統(tǒng)正常運(yùn)行不可避免的事件。

近年來，由于臺(tái)風(fēng)災(zāi)害、重大活動(dòng)籌備建設(shè)等原因，廈門翔安地區(qū)電網(wǎng)頻繁發(fā)生由短路故障引起的電壓暫降事件。該地區(qū)大量以光電子行業(yè)為代表的高新技術(shù)企業(yè)匯集成現(xiàn)代工業(yè)園區(qū)，為了提高生產(chǎn)力水平，所采用的大量以CPU、微電子、電力電子、數(shù)字化和信息化技術(shù)為核心的高科技精密設(shè)備對(duì)電壓暫降非常敏感。電壓暫降已成為威脅園區(qū)生產(chǎn)運(yùn)作的主要問題。

電力用戶每年因電壓暫降問題造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大。實(shí)際調(diào)查表明，該園區(qū)年度平均經(jīng)濟(jì)損失超過2億元。某國家級(jí)光電子產(chǎn)業(yè)基地的重要用戶，在2016年6月—2017年6月期間因電壓暫降停機(jī)12次，單次經(jīng)濟(jì)損失達(dá)400～600萬元。

隨著現(xiàn)代工業(yè)園區(qū)設(shè)備趨于集成化和精密化，用電設(shè)備對(duì)電壓質(zhì)量的要求不斷提高，電壓暫降對(duì)用戶設(shè)備的安全可靠運(yùn)行造成的威脅日益加劇。且由于不同用戶用電需求的差異性，傳統(tǒng)的單一定制電力技術(shù)不能很好地滿足電力市場(chǎng)中供用電雙方的利益訴求，因此，需要積極探索預(yù)防性和補(bǔ)救性相結(jié)合的措施，應(yīng)分別從配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化、用戶配電設(shè)備參數(shù)設(shè)置以及含儲(chǔ)能設(shè)備的電壓暫降治理設(shè)備的應(yīng)用等方面提出針對(duì)現(xiàn)代工業(yè)園區(qū)電壓暫降的防治方法。

1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及用戶電壓暫降情況

1.1 翔安地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

翔安地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及各重要高壓用戶的供電方式已能滿足較高的可靠供電要求，如圖1所示。公共電源點(diǎn)方面：主要有500kV的東崗變（電源主要來自泉州、漳州和寧德電廠）；公共變電站方面：在運(yùn)500kV變電站1座（東崗變），220kV變電站3座（內(nèi)官變、丁亭變、翔安變）。500kV和220kV電網(wǎng)均已形成雙回雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)電能跨區(qū)供應(yīng)。

110kV電網(wǎng)架構(gòu)是廈門市布置最密集和完善的區(qū)域之一。重要客戶電網(wǎng)方面：主要有SA、XD、YJ、TM等數(shù)家高新技術(shù)企業(yè)（由于涉及用戶隱私，故采用字母縮寫代替），均為自建110kV變電站且均為雙回110kV進(jìn)線供電，兩回進(jìn)線盡量來自不同的220kV變電站。

圖1 重要用戶與上級(jí)電源點(diǎn)連接關(guān)系

1.2 用戶電壓暫降情況

廈門翔安工業(yè)園區(qū)陸續(xù)投產(chǎn)了一批高質(zhì)量電壓需求客戶。2017年以來，由于區(qū)域內(nèi)臺(tái)風(fēng)、雷擊等自然災(zāi)害，電網(wǎng)設(shè)備故障（含泉、漳500kV電網(wǎng)故障，廈門其他區(qū)域故障，客戶設(shè)備故障），以及重大活動(dòng)籌備建設(shè)等因素，造成部分重要敏感用戶發(fā)生了電壓暫降和短時(shí)停電。

表1統(tǒng)計(jì)的是該地區(qū)4家代表性企業(yè)同時(shí)遭受的電壓暫降事件。電壓暫降主要影響其生產(chǎn)線精密工藝設(shè)備、空氣壓縮機(jī)、變頻器、交流接觸器等敏感設(shè)備，造成產(chǎn)品報(bào)廢、設(shè)備損壞、生產(chǎn)效率降低、能量損耗增大、合同賠償?shù)戎苯踊蜷g接損失。

表1 重要用戶電壓暫降事故集中統(tǒng)計(jì)表

• XD從2017年2月—2017年6月一共發(fā)生停電或暫降事故11起（停電2起，暫降9起），損失529萬。
• TM從2016年6月—2017年6月共發(fā)生暫降事故14起。其中工藝設(shè)備受影響較嚴(yán)重，敏感負(fù)荷復(fù)機(jī)時(shí)間長，停機(jī)1～2h，而復(fù)電至正常工作則需要2～3天，14起中有12起導(dǎo)致工業(yè)設(shè)備宕機(jī)（指計(jì)算不能正常工作）；廠務(wù)設(shè)備有3起受影響。
• SA統(tǒng)計(jì)2016年發(fā)生電壓暫降事故3起，2017近半年發(fā)生6起電壓暫降事故，損失將近1.5億，主要影響集中于生產(chǎn)線的敏感負(fù)荷，一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)（二十多天）若發(fā)生暫降，則將導(dǎo)致全批次產(chǎn)品報(bào)廢。
• YJ統(tǒng)計(jì)2017年近半年9起電壓暫降事故，共計(jì)損失203萬元。

2 電壓暫降原因分析

2.1 電網(wǎng)側(cè)原因分析

系統(tǒng)短路故障造成電壓暫降或短時(shí)停電。當(dāng)發(fā)生突發(fā)自然災(zāi)害、零星異物漂浮、野蠻施工破壞、季節(jié)性火燒山等事故時(shí)，會(huì)造成輸電線路短路，影響相關(guān)配電系統(tǒng)的電壓質(zhì)量。用戶經(jīng)受的電壓暫降幅值取決于與故障點(diǎn)的電氣距離，電氣距離越近，電壓暫降幅值越大。配電系統(tǒng)的短路故障也會(huì)引起相鄰饋線的電壓暫降。

隨著電網(wǎng)互聯(lián)的加強(qiáng)，在供電能力和可靠性進(jìn)一步提升的同時(shí)，電壓暫降大范圍傳播的威脅加大。當(dāng)上級(jí)近區(qū)500kV系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，將影響廈門地區(qū)的所有220kV電壓；當(dāng)220kV系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，與故障點(diǎn)距離近的片區(qū)220kV電壓同時(shí)發(fā)生暫降，如泉州地區(qū)、同安區(qū)220kV系統(tǒng)故障，翔安區(qū)220kV電壓也感受到暫降；110kV線路故障影響范圍集中在直接連接的220kV站、110kV母線及其饋出線路。

電網(wǎng)大建設(shè)引起電網(wǎng)事故風(fēng)險(xiǎn)增大。由于翔安地區(qū)用戶和用電量的快速增加，電網(wǎng)公司加快電網(wǎng)建設(shè)以滿足負(fù)荷增長的需要。在電網(wǎng)建設(shè)過程中，線路跨越、設(shè)備試驗(yàn)等因素引起電網(wǎng)部分線路停電，新設(shè)備投入和電網(wǎng)運(yùn)行方式的調(diào)整使風(fēng)險(xiǎn)增加。

臺(tái)風(fēng)給電網(wǎng)和設(shè)備帶來一定的隱患。超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過后，翔安地區(qū)電網(wǎng)和上一級(jí)電網(wǎng)快速恢復(fù)供電，但部分電網(wǎng)和設(shè)備存在強(qiáng)度下降、應(yīng)力降低等不影響送電的隱患，經(jīng)過一定時(shí)間的運(yùn)行，抗外力影響的能力有所降低。

2.2 用戶側(cè)原因分析

圖2 典型電壓敏感負(fù)載耐受能力

用戶包含越來越多的敏感設(shè)備。多數(shù)敏感設(shè)備的電壓暫降耐受力在幾十甚至幾毫秒內(nèi)，如圖2所示，且位于工業(yè)過程的關(guān)鍵部分，一旦遭遇電壓暫降而宕機(jī)，就可能導(dǎo)致后續(xù)工序被迫中斷。此外，相當(dāng)一部分的工業(yè)過程中斷事故是廠務(wù)系統(tǒng)宕機(jī)所致，其造成的后果往往比工藝設(shè)備直接受到電壓暫降影響更嚴(yán)重。

比如，排氣系統(tǒng)的排氣泵由變頻器拖動(dòng)，當(dāng)發(fā)生電壓暫降時(shí)，變頻器跳閘，隨即排氣風(fēng)機(jī)停機(jī)，潔凈室氣體指標(biāo)發(fā)生變化，導(dǎo)致半導(dǎo)體工藝連鎖跳車，生產(chǎn)過程中斷，產(chǎn)品報(bào)廢，造成幾百萬的經(jīng)濟(jì)損失。

用戶配備的電壓補(bǔ)償設(shè)備或不間斷電源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。對(duì)廈門市110kV重點(diǎn)工業(yè)企業(yè)電壓補(bǔ)償設(shè)備的調(diào)查顯示，僅少數(shù)企業(yè)配備電壓暫降緩解設(shè)備。初步調(diào)研可知，有配置的企業(yè)在電壓發(fā)生暫降時(shí)，可承受20%～30%電壓壓降及60～100ms的電壓暫降，能夠維持正常生產(chǎn)，降低產(chǎn)能損失。

企業(yè)普遍缺乏對(duì)電壓暫降的認(rèn)識(shí)，不愿意投資治理。國網(wǎng)福建電力公司2017年開展某地級(jí)市的電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)損失調(diào)研，參與調(diào)研的20家企業(yè)包含了紡織業(yè)、醫(yī)院、農(nóng)產(chǎn)品加工、新能源、電子行業(yè)、鞋業(yè)、塑料盒橡膠業(yè)等行業(yè)，主要產(chǎn)品包括紡織品、封裝產(chǎn)品、保鮮蔬菜、測(cè)試產(chǎn)品，其中，只有47.1%的企業(yè)愿意增加投資解決電能質(zhì)量問題。

3 電壓暫降防治建議

對(duì)于電壓暫降問題應(yīng)主要從以下兩方面考慮防治措施：一方面改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)短路故障的發(fā)生概率，以減少發(fā)生電壓暫降的頻率；另一方面在短路故障發(fā)生后，在用戶側(cè)加裝補(bǔ)償設(shè)備，以緩解電壓暫降的影響。

3.1 電網(wǎng)側(cè)改造

1）系統(tǒng)改造

減少故障次數(shù)不僅可以減少電壓暫降的頻次，還可以減小永久性供電中斷頻次，因此，這是一種改善電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的有效方法，主要措施有：用地下電纜替代架空線、修理樹枝、增強(qiáng)防雷擊、提高絕緣水平等。電壓中斷持續(xù)時(shí)間取決于供電恢復(fù)的速度，縮短故障清除時(shí)間雖然不能影響電壓暫降的頻次，但是會(huì)明顯地限制電壓暫降的持續(xù)時(shí)間，減小電壓暫降事件的嚴(yán)重程度。

其方法主要包括對(duì)關(guān)鍵線路采用光纖保護(hù)、優(yōu)化本地配電網(wǎng)的保護(hù)定值等。此外，通過系統(tǒng)改造，電壓擾動(dòng)事件的嚴(yán)重程度也可以得到降低，其抑制電壓中斷的主要方法是安裝冗余元件。

2）雙電源快速切換

基于電磁斥力原理的快速開關(guān)（HSB）因其速度性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性上的優(yōu)勢(shì)，被越來越多地應(yīng)用于電力系統(tǒng)故障限流、直流斷路器以及相控開關(guān)等諸多領(lǐng)域。與基于電力電子技術(shù)的固態(tài)切換開關(guān)（SSTS）相比，這種快速開關(guān)切換速度相當(dāng)（HSB：13～15ms；SSTS：10～13ms）且不受電力電子器件可靠性、高壓大容量經(jīng)濟(jì)性制約，因而可以彌補(bǔ)電力電子快切開關(guān)在高壓系統(tǒng)的不足。

基于快速開關(guān)的雙電源快速切換方案，可在變電站或開關(guān)站出線處實(shí)施，從電網(wǎng)側(cè)保證大功率敏感負(fù)荷的供電連續(xù)性，其原理如圖3所示。

圖3 雙電源快速切換原理示意圖

正常運(yùn)行時(shí)，Ⅰ段電源進(jìn)線開關(guān)K1處于合閘狀態(tài)，Ⅱ段開關(guān)K2處于分閘狀態(tài)；切換控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)工備電源的電壓同期狀態(tài)。當(dāng)工作電源系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降時(shí)，切換控制器控制K1跳閘，然后再合K2，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷供電的切換。在企業(yè)兩路進(jìn)線電源端安裝快速切換裝置，實(shí)現(xiàn)15ms以內(nèi)備用電源快速切換，可避免企業(yè)內(nèi)部大多數(shù)負(fù)荷經(jīng)受因外部電網(wǎng)故障造成電壓暫降。

值得注意的是，本方案需要滿足兩個(gè)前提：①具備兩路同性質(zhì)且不同源的獨(dú)立電源；②每路電源能承載切換后的總負(fù)荷。

3.2 用戶側(cè)治理

1）調(diào)整低壓脫扣器的配置

低壓脫扣器是斷路器的核心元件，對(duì)斷路器的分閘起關(guān)鍵性作用，一旦監(jiān)測(cè)到電壓低于某一設(shè)定值，即動(dòng)作切斷負(fù)載，目前在配電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用[10-11]。據(jù)調(diào)研，配電網(wǎng)中低壓開關(guān)中配有的低壓脫扣器大多數(shù)采用的是瞬時(shí)型。

然而，配置瞬時(shí)型低壓脫扣存在的問題有：①電壓暫降或正常操作可能會(huì)引起低壓脫扣器動(dòng)作，造成用電設(shè)備突然斷電，影響用戶的生產(chǎn)；②在線路故障跳閘、限電、檢修等情況下，0.4kV低壓斷路器也會(huì)因低壓脫扣器動(dòng)作而跳閘，必須由人工對(duì)低壓斷路器進(jìn)行合閘操作后電路才能復(fù)電，工作量大，降低了供電的連續(xù)性。

通過給低壓脫扣裝置設(shè)置延時(shí)，可以合理避開部分暫態(tài)事件影響，減少用戶平均停電時(shí)間，提高用戶供電可靠性。

對(duì)低壓脫扣器的配置建議如下：

（1）建議對(duì)用戶專用變壓器的低壓進(jìn)線或母聯(lián)開關(guān)的欠壓脫扣全部解除，這樣與公網(wǎng)配置一致，可以避免普通負(fù)荷因電壓暫降造成的損失。

（2）若用戶各用電設(shè)備的終端開關(guān)配置有欠壓脫扣，則建議加上1～2s的延時(shí)，低壓脫扣裝置的延遲時(shí)間按照躲過電網(wǎng)各電壓等級(jí)故障切除時(shí)長、單相故障重合閘等時(shí)長和各類傳感器檢測(cè)、開關(guān)動(dòng)作、自動(dòng)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙逃袝r(shí)間進(jìn)行設(shè)置，應(yīng)根據(jù)各種工況詳細(xì)計(jì)算，至少不小于1s。這樣既避免了大部分因主網(wǎng)故障造成的電壓暫降影響，又保留了用戶特殊的失壓保護(hù)功能。

2）電壓補(bǔ)償設(shè)備

電網(wǎng)故障是不可避免的，在用戶設(shè)備已安裝投運(yùn)的情況下，通過在用戶側(cè)加裝補(bǔ)償設(shè)備是目前通用的主要措施，以降低生產(chǎn)過程中斷和生產(chǎn)設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)。典型的治理方案包括以下4種：

（1）在線式不間斷電源（uninterruptible power supply, UPS）

此方案響應(yīng)速度快，不間斷供電，持續(xù)供電時(shí)間長，達(dá)到分鐘級(jí)，且具有穩(wěn)壓的效果，可以顯著提高功率因數(shù)。缺點(diǎn)是建設(shè)投資高，后期維護(hù)量成本量和工作量大，蓄電池壽命短（3～5年），具有10%的損耗和20%的電流畸變率。

（2）離線式應(yīng)急電源（UPS）

此方案配置電池儲(chǔ)能后可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間補(bǔ)償，效率比在線式UPS高5%，投資比在線式UPS略低，且運(yùn)行噪聲低。缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢（10ms左右），輸出諧波含量大，且占地面積大，建設(shè)投資和后期維護(hù)成本的工作量大。

（3）動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（dynamic voltage restorer, DVR）

此方案響應(yīng)速度快（2ms），如果不采用電池，那么占地面積小，使用壽命長。但也存在輸出諧波含量大、補(bǔ)償?shù)纳疃群统掷m(xù)時(shí)間有限、裝置本身有損耗等缺點(diǎn)。

（4）直流支撐技術(shù)（VSP）

此方案響應(yīng)速度快，達(dá)到微秒級(jí)，補(bǔ)償時(shí)間長，深度大，電池用量少，建設(shè)維護(hù)成本低。技術(shù)缺點(diǎn)是改造工程量大，放電時(shí)容易形成變頻器之間的換流，直流紋波增大，相互之間會(huì)有干擾，且存在電池維護(hù)問題。

以上方案均基于電力電子技術(shù)，存在投資高、損耗大、可靠性差、容量受限等問題。

基于快速開關(guān)的含儲(chǔ)能快切裝置可解決上述問題，其原理示意圖如圖4所示。切換裝置由切換開關(guān)K1、K2和切換控制器組成，負(fù)載連接超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置。當(dāng)電源發(fā)生故障時(shí)，切換控制器控制切換開關(guān)斷開，由超級(jí)電容向負(fù)載供電。

圖4 含儲(chǔ)能的快切裝置原理示意圖

若在企業(yè)內(nèi)部關(guān)鍵生產(chǎn)流程安裝含儲(chǔ)能的快切裝置，則可實(shí)現(xiàn)故障時(shí)間15ms內(nèi)將關(guān)鍵工藝流程供電切換到儲(chǔ)能電源，且能維持足夠的供電時(shí)間，等待暫降結(jié)束回切。

結(jié)論

本文分析了廈門翔安地區(qū)重要用戶的電壓暫降的現(xiàn)狀，針對(duì)該地區(qū)用戶特點(diǎn)，從全局角度提出了電網(wǎng)改造、安裝電壓補(bǔ)償設(shè)備等防治建議。通過基于快速開關(guān)的雙電源快切方案和含儲(chǔ)能的快切方案在電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可靠的電壓暫降治理，有效提升用戶電能質(zhì)量。

電壓暫降的防治工作需要充分發(fā)揮電網(wǎng)側(cè)預(yù)防的宏觀作用和用戶側(cè)治理的高效性。供需雙方協(xié)同治理，是未來的趨勢(shì)。為了優(yōu)化電壓暫降治理資源配置，減少電能質(zhì)量責(zé)任糾紛，下一步應(yīng)重點(diǎn)研究電網(wǎng)側(cè)與用戶側(cè)相協(xié)調(diào)的治理策略。