電能質量的描述分為穩(wěn)態(tài)電能質量和暫態(tài)電能質量，過去我們對電能質量的描述和評價主要集中在穩(wěn)態(tài)方面，而且經(jīng)過多年的努力，我們國家的穩(wěn)態(tài)電能質量已經(jīng)得到很大的提高，然而，我們對于暫態(tài)電能質量的認識尚不深入，電力部門也沒有引起足夠的重視。

1 電壓暫降問題

暫態(tài)電能質量問題主要包括：電壓暫降/驟降（Voltage Sag or Dip）、電壓暫升/驟升（Voltage Swell）、電壓中斷（Voltage Interrruption）、電壓波動（Voltage Fluctuation）等。EPRI（美國電科院）的全國性調研結果表明：在所有的電能質量問題中，其中98％是由電壓暫降、持續(xù)15秒或更短時間的電壓中斷造成的。

目前電壓暫降和瞬時供電中斷問題已經(jīng)給國內的石化、冶金、煤礦、半導體、汽車、制藥、紡織等行業(yè)造成了幾十億的年直接經(jīng)濟損失，所導致的間接損失更是無法估量。

從現(xiàn)在開始，我們必須正視這一現(xiàn)狀，從政策、體制、資金、技術和運行管理等方面綜合推進電能質量治理這一系統(tǒng)工程。

2 電壓暫降解決方案分析

電壓暫降治理方案的選擇涉及到企業(yè)負荷性質、治理層面（終端負荷、生產(chǎn)線、全廠）、現(xiàn)有經(jīng)濟損失、治理方案資金投入、現(xiàn)場施工等多個方面，是一項綜合考慮經(jīng)濟與技術、投資與回報的復雜工作。

常規(guī)解決方案主要包括：不間斷電源（UPS）、動態(tài)電壓恢復器（DVR）和固態(tài)切換開關（SSTS），方案對比如下：

（1）UPS是我們通常會首先想到的解決方案，已經(jīng)在眾多行業(yè)得到了普遍應用。但目前主流的雙變換在線式UPS所帶來的高能耗問題已經(jīng)被大家所認知，因此，一種效率極高的動態(tài)不間斷電源（Dynamic Uninterruptible Power Supply, DUPS）正日見端倪，并開始得到應用。

無論UPS還是DUPS，一般功率較小，通常以低壓為主，主要適用于企業(yè)終端負荷治理，可以根據(jù)功率情況進行“一對一”或“一對多”應用。如果企業(yè)敏感負荷所占比重較大，可以考慮生產(chǎn)線級，甚至全廠級治理，此時需要大功率UPS（或DUPS），甚至是高壓大功率UPS（或DUPS），相應的造價將非常高昂，同時還涉及到電池定期維護和更換問題。

（2）DVR在應對電壓暫降方面與UPS相比，有比較強的價格優(yōu)勢，但它自身具有致命性缺陷，即電網(wǎng)電壓跌至50％以下，或完全中斷時，DVR已經(jīng)無法進行有效補償，形同虛設了。

（3）SSTS是一種能夠在一個周波之內完成雙電源切換的極高速切換裝置，與傳統(tǒng)的切換設備有著實質性的區(qū)別，它徹底摒棄了機械開關作為切換元件的傳統(tǒng)做法，而是創(chuàng)造性的采用半導體固態(tài)開關作為切換元件，同時輔以先進的檢測和控制技術，來實現(xiàn)如此高速的電源切換。

目前SSTS已經(jīng)在國外得到了廣泛應用，生產(chǎn)廠家主要以外國公司為主，可喜的是，國內一些有雄厚技術實力的廠家已經(jīng)開發(fā)出此類裝置，比如榮信股份開發(fā)的系列高中低壓SSTS，技術指標接近甚至超過了外國公司，并且已經(jīng)在多個行業(yè)開始應用。

SSTS尤其適用于大容量的生產(chǎn)線級和全廠級電壓暫降治理，或者是高壓大功率終端負荷，其投資大大低于高壓大容量UPS（或DUPS），另外現(xiàn)場改造簡單，施工和調試方便，是一種理想的大功率電壓暫降解決方案，尤其是高中壓場合。

3 SSTS基本原理

SSTS基本原理拓撲如圖1所示，它主要包括基于晶閘管閥體的固態(tài)開關、旁路和隔離開關、電壓互感器、電流互感器、控制器、人機交互接口等。

圖1 SSTS基本原理拓撲

（1）固態(tài)開關：由一對反并聯(lián)的晶閘管組成，各自導通半個周波，根據(jù)系統(tǒng)額定電壓和電流情況，固態(tài)開關由晶閘管串并聯(lián)組成，形成晶閘管閥體。

假定正常情況下電源1供電，則固態(tài)開關1導通，固態(tài)開關2處于分斷狀態(tài)，電流流經(jīng)固態(tài)開關1。當電源1故障，或主動切換至電源2時，分斷固態(tài)開關1，此后導通固態(tài)開關2，負載轉由電源2供電，電流流經(jīng)固態(tài)開關2。

（2）隔離和旁路開關：K1～K3為隔離開關，K4和K5為旁路開關。正常情況下電流流經(jīng)固態(tài)開關，電源之間的切換由固態(tài)開關完成，此時隔離開關處于導通狀態(tài)，而旁路開關處于分斷狀態(tài)。當固態(tài)開關故障或定期維護時，導通旁路開關，分斷隔離開關，此時SSTS類似于傳統(tǒng)的電源切換裝置，以最大程度上保證負荷的正常供電不受影響。

（3）電壓互感器、電流互感器：信號采樣裝置，通過電壓和電流互感器獲取一次電壓和電流信息，以供控制器進行分析判斷。

（4）控制器：整個SSTS系統(tǒng)核心，負責各種信號的采樣處理、分析計算、開關動作、保護等。

（5）人機交互：主/備電源選擇、手動/自動切換、切換門限、狀態(tài)顯示等通過人機交互接口處理。

4 應用案例

4.1 企業(yè)需求

唐山高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)已經(jīng)發(fā)展成為以焊接、汽車零部件、新材料、生物制藥、智能儀器儀表、環(huán)保機械為特色的國家級高新區(qū)。

從高新區(qū)規(guī)劃開始，唐山供電局就始終秉承提供一流高品質電力供應的服務宗旨，在規(guī)劃、建設、運行和服務等多個方面堅持高標準。

但隨著開發(fā)區(qū)規(guī)模的不斷發(fā)展壯大，用戶對供電品質需求的差異性也逐漸顯現(xiàn)出來。比如某半導體制造企業(yè)，生產(chǎn)裝置基本全是國外進口，對電能質量要求極高，一旦發(fā)生電壓暫降等暫態(tài)電能治理問題，就會導致部分設備，甚至全廠設備停機，每次損失高達100萬元左右，這樣的事故基本上每年都會發(fā)生3～5次不等，甚至很多情況下連照明日光燈都沒有閃爍，企業(yè)感到非常困惑。

4.2 現(xiàn)場調研

針對該企業(yè)的實際情況，唐山供電局和用戶進行了深入的溝通和分析，最后決定首先在企業(yè)兩段10kV母線上安裝兩臺電能治理監(jiān)測儀，以實時監(jiān)測電壓波動情況，系統(tǒng)一次圖如圖2所示。

圖2 企業(yè)一次系統(tǒng)圖

經(jīng)過3個月的實時監(jiān)測，共發(fā)生5次電壓暫降，其中電壓暫降幅度最大的一次高達80％，持續(xù)時間200ms，其余幾次暫降幅值都在30～50％之間，持續(xù)時間在100～200ms之間。由于企業(yè)兩路35kV進線來自不同的變電站，所以兩段10kV并沒有同時發(fā)生電壓暫降事故。

由于該企業(yè)敏感負荷占全廠總負荷的50％以上，所以唐山供電局經(jīng)過與用戶協(xié)商后，決定安裝一臺榮信股份生產(chǎn)的10kV/630A SSTS，用于全廠級電壓暫降治理。唐山供電局提供從解決方案選擇、設備選型、方案設計、現(xiàn)場施工、安裝調試等一系列技術支持工作。

4.3 解決方案

由于是現(xiàn)場改造項目，企業(yè)要求現(xiàn)有開關均保留，所以SSTS串聯(lián)接入現(xiàn)有系統(tǒng)，安裝示意圖如圖3所示，其中SSTS內部結構如圖4所示。

圖3 SSTS安裝示意圖

圖4 SSTS內部結構圖

SSTS安裝之后，要求現(xiàn)有斷路器QF1、QF2和QF3處于常閉狀態(tài)，而系統(tǒng)運行方式和電源之間的切換全部由SSTS完成。

4.4 現(xiàn)場調試

SSTS設備安裝之后，系統(tǒng)上電，然后分別進行了手動空載切換、人為斷一路輸入電源的自動空載切換、半載和全載下的手動切換和斷一路輸入電源自動切換，每次SSTS都能可靠動作，切換時間都在8ms以內，典型切換波形如圖5所示。

圖5 負載電壓典型切換波形

由圖5可以看出，SSTS切換時負載電壓波形連續(xù)，真正實現(xiàn)了無縫切換。SSTS切換時，所有生產(chǎn)設備、辦公設備、生活設備都沒有受到任何影響，一切運轉平穩(wěn)，完全感受不到電源發(fā)生了變化。

該設備投運至今，已成功避免了十多次的電壓暫降，有效的保證了企業(yè)的正常生產(chǎn)，避免了巨大經(jīng)濟損失。

5 結論

（1）SSTS現(xiàn)場運行結果表明，切換時能夠確保變頻器、伺服驅動器、直流調速器、接觸器、機器手、PLC、DCS、計算機和行業(yè)專有設備（如切割機、PECVD、光纖機、高頻電解電鍍電源等）的不間斷運行；

（2）SSTS是解決電壓暫降問題的一種經(jīng)濟有效方案，尤其是大容量終端負荷、生產(chǎn)線或全廠級治理，且該設備免維護。

（3）對于企業(yè)來講，避免經(jīng)濟損失意味著將直接增加了效益。宏觀上，有效節(jié)約和利用了社會資源，提高了國民經(jīng)濟的總體效益。

（編自《電氣技術》，作者為趙亮、張建軍。）