電壓凹陷

電壓凹陷（ Voltage Sag）是指供電電壓有效值在短時間內突然下降到 0.1~0.9 pu，持續時間一般為半個周期到幾秒鐘之間，其主要特點為電壓有效值的大幅度下降。

基本介紹

• 中文名：電壓凹陷
• 外文名：voltage sag

近幾年來，隨著高新技術尤其是信息技術的飛速發展，基於計算機和微處理器的用電設備和各種電力電子設備等敏感負荷在電力系統負荷中所占比例大幅增加，它們對電能質量的要求較一般用電設備更加苛刻，因而，電壓凹陷目前已經成為影響用電設備安全穩定運行的重要電能質量問題之一。電壓凹陷（ Voltage Sag）是指供電電壓有效值在短時間內突然下降到 0.1~0.9 pu，持續時間一般為半個周期到幾秒鐘之間，其主要特點為電壓有效值的大幅度下降。 短路故障、大型敏感電機起動、雷擊是導致電壓凹陷的三大原因。快速、準確檢測電壓凹陷是補償研究重點之一，現有的凹陷檢測方法有缺損電壓法、有效值計算方法[3]、瞬時電壓 dq變換方法等。這些方法有效值、峰值、基波計算法的實時性較差，且得不到電壓相位， 基於 dq 變換的方法雖然能檢測單相電壓的特徵量，但仍需要60°的延時。

簡介

國際電氣與電子工程師協會 ( IEEE) 將電壓凹陷定義為供電電壓有效值快速下降到額定值的 90 % — 10% , 持續時間為 0. 5- 30周波。 它主要由短路、 開關操作、 變壓器以及電容器組的投切、 大容量感應電機起動等原因造成。 目前 , 隨著複雜電子設備在各用電部門的廣泛套用 , 它們對快速電壓變化較為敏感 , 如電壓凹陷易引起計算機系統紊亂 (幅值下降大於10% ,持續時間大於 0. 1s)、 調速設備跳閘 (幅值下降大於 15% ,持續時間為半個電源周期 )以及機電設備誤操作等。因此 , 電壓凹陷問題是使這些敏感設備不能正常工作的主要原因。在許多國家 , 電壓凹陷已上升為最重要的電能質量問題之一。

凹陷域是指系統中發生故障引起電壓短時驟降 , 使相關敏感負荷不能正常工作的故障點區域。研究它 , 對減小電壓凹陷對敏感負荷的影響有重要的指導意義。在文獻中指出 , 今後 ,電壓凹陷域的分析可能象潮流計算和短路計算一樣 ,是電力系統分析中不可缺少的一部分。在國內 , 這一領域的研究才剛剛起步 , 本文以 IEEE RBTS- 6 (其系統接線見圖 3) 可靠性測試系統為例 , 對這一問題進行探討。

影響電壓凹陷特徵量的因素

從某種意義上說 , 電壓凹陷的危害程度比電壓短時中斷嚴重 , 這是由於凹陷自身的特點]:( 1) 發生頻次遠高於電壓短時中斷 ;( 2) 幾百公里以外的故障也會引起該負荷點的電壓凹陷 ;( 3) 為減小凹陷頻次 ,不僅要減少本饋電線的故障次數 ,同時也要提高平行線路及輸電線路的供電質量。

電壓凹陷域的分析

凹陷域的確定是找出系統中發生會引起所關心母線上電壓驟降到低於所設定電壓的故障所在範圍。 我們可選擇電力系統的部分站點進行電能質量實地監測 , 通過對所採集數據的統計處理來確定凹陷域 , 也可對系統進行隨機預估。 相比而言 , 前者更準確 , 但受到所需費用高和監測周期長的限制。 而隨機預估可很好地解決這兩個問題 , 它又可分為臨界距離法和故障點法。 前者簡單 , 在系統結構未知的情況下也可計算 , 但它只能計算線路故障時的凹陷幅值 , 不能將變電站、 母線等故障情況加以考慮 , 同時它沒有計及凹陷持續時間對敏感負荷的影響 ; 而故障點法可考慮各種故障情況及各個特徵量對凹陷域的影響 , 但它相對複雜 , 且計算量大。

1 臨界距離法

臨界距離含義為: 母線電壓降低到所設定的臨界電壓 V 時 , 故障點與所關心母線之間的距離 , 在此範圍內發生故障 , 對敏感負荷有不良影響。 對於故障點位於輻射狀配電系統變壓器前的情況 , 許多學者已做討論。將輻射狀和非輻射狀系統的臨界距離計算公式用統一的形式表示 , 以使其更易接受 , 同時給出故障點位於配電系統變壓器副邊時的臨界距離公式。

2 故障點法

故障點法是通過計算所選故障的凹陷特徵量來確定凹陷域。具體處理辦法如下 , 首先分析各種可能發生的故障對敏感負荷產生的凹陷影響 , 將系統粗略地劃為若干部分 , 具有相同凹陷特徵的為同一部分 , 各部分由一個故障點代表 ;然後對各種故障類型進行仿真或短路計算 , 得到凹陷幅值、 相移和持續時間等特徵量 ; 再由各特徵量準確地判斷可能帶給所關心負荷不良影響的故障所在區域 , 即凹陷域。將 此 方 法 用 於 IEEERBT S- 6可靠性測試系統 ,選用此系統是因為它結構典型 , 同時由於該系統小 , 可在短時間內對各種運行方式的數據進行處理 , 其輸電系統單相接線圖及所得凹陷域 (系統結構圖未畫出部分的凹陷域用虛線表示 )。著重對故障點的選取及如何與臨界距離法結合進行討論 , 以提高該法的準確度、 減少其計算量。分別採用臨界距離法和故障點法對 IEEE RB TS- 6可靠性測試系統 Bus2的11kV 母線各臨界電壓對應的臨界距離計算結果的比較。 從中可以看出 , 所用臨界距離公式雖有近似 , 但就輻射狀配電系統而言 , 該法的計算結果完全可以接受。

3 故障點的選取

敏感負荷對快速電壓變化是否有不良反應的外部條件主要取決於凹陷幅值、 持續時間和頻次這三個因素 , 故應從負荷點所經歷凹陷的這三方面來選擇故障點。 如相鄰兩故障點對應的三個凹陷特徵量之一相差較大 , 則將它們視為不同的故障點。以 IEEE RBTS- 6輸電線 5 ( 50km ) 上故障點的選取情況為例 , 圓點表示故障點來說明如何選取故障點。 各代表一定的故障區域 , 如點 2為與本地變電站相鄰的線路故障 , 它代表 1 /8線路長度 , 即認為段內故障 , 負荷點的凹陷特徵相同。 點 2與代表本地變電站母線故障的點 1有著相同的凹陷幅值 , 但故障頻次不同 , 故用不同的故障點表示。 點 2、 3、 4 、 5有著相同的凹陷持續時間 ,但凹陷幅值不等。 點 6 、 7、 8故障對負荷的凹陷幅值相等 , 但持續時間和頻次不同 , 故設為不同的故障點。

故障點的選取是該法的關鍵 , 為減少盲目性 , 在選取故障點前 , 可就所關心的臨界電壓用臨界距離法計算出臨界距離。 在臨界距離內 , 結合系統結構及保護的設定 , 對凹陷的可能持續時間及頻次進行估計 , 再按上述方法確定故障點。

4 故障點之間的距離

顯然 , 選取的故障點越多 , 結果越準確 , 但受到計算量的限制 , 如何才能用有限個故障點代表各種可能的凹陷情況。

5 凹陷域的細化
如前所述 ,由故障點法可精確地求出所選故障情況下負荷點的凹陷特徵量 , 但故障點法受到計算量的限制 , 只能選取有限個故障點 , 其它臨界電壓所對應的臨界距離 , 可結合臨界距離法由下式求出 , 從而將凹陷域進一步細。

影響凹陷域的因素

IEEE RB TS- 6系統用故障點法分析凹陷域時 , 對所選取的故障點 , 在Alpha 233工作站上用 PSCAD仿真軟體對各種故障類型進行仿真分析 , 得知如下因素對凹陷幅值和持續時間產生影響。

1 系統短路容量“若系統短路容量大 , 則 Zs小 , 由 ( 1) 式可得 , Vsag大 , 即臨界距離大於短路容量小的系統。

2 負荷附近是否有電源：IEEE RB TS- 6系統的輸電線1線路中點發生三相短路故障時 , 在母線2、 3和 4處觀測到的電壓有效值。母線 3和4附近都沒有電源 , 由於母線 4比母線 3距離故障點遠 , 所以它的凹陷幅值要高一些。雖然故障點距離母線 2和 3基本相等 , 但因為母線 2附近有電源 , 所以此處凹陷幅值大於母線 3處。

其他

① 將輻射狀和非輻射狀系統的臨界距離計算公式用統一的形式表示 , 使得臨界距離法更易接受 , 同時將該法擴展到故障點位於配電系統變壓器副邊的情況。 計算結果與故障點法比較表明 , 該方法簡單 , 其計算結果完全可以接受。
②由於臨界距離法計算簡單 , 故障點法中可先用臨界距離法選取故障點 , 得到凹陷域後也可用臨界距離公式對此凹陷域進一步細化。 實踐表明 , 將兩種方法結合起來 , 可提高故障點法的準確度、 減小計算量。
③對凹陷域影響因素的討論對敏感負荷的安裝位置和實際運行中如何減小電壓凹陷的影響都有指導意義 , 如將敏感負荷置於電源點附近、 雙母線並聯運行既可避免電壓短時中斷也可減小凹陷的幅值、 提高敏感負荷所在母線及各饋電線的供電質量 , 從而降低凹陷次數和持續時間等。