电能质量分析与控制5章-肖湘宁

第五章电压暂降与短时间中断第一节概述电压暂降和短时间中断通常是相关联的电能质量问题。电压暂降是指供电电压均方根值在短时间突然下降的事件，其典型持续时间为0.5～30周。电压暂降标准：IEC下降到额定值的90%～1%IEEE下降到额定值的90%～10%电压暂降的幅值、持续时间和相位跳变是标称电压暂降的最重要的三个特征量。电压暂降电压中断当电压均方值降低到接近零时，称为中断。持续时间较长的中断称为长时间中断，而持续时间较短的中断则称为短时间中断。接近于零：IEC低于额定电压的1%IEEE低于额定电压的10%长时间中断：IEC中断持续时间大于3minIEEE中断持续时间大于2min(1min)短时间中断：IEC中断持续时间小于3minIEEE中断持续时间小于2min(1min)图5-1所示为某115KV系统大约一年内实测电压暂降的发生情况（幅值按低于额定电压的百分比给出）。由图5-1可知，多数电压暂降的幅值为额定电压的90%～70%。图5-2给出了与图5-1对应的暂降频次、暂降幅值及持续时间之间的三维柱状图。由图5-2可直观了解三者之间的关系。电压暂降与中断涉及的内容非常广泛，而且对它们的很多方面仍在不断认识之中。因此，本章将在对电压暂降与中断基本内容进行介绍的基础上，侧重对暂降的原因、设备对暂降的敏感度、电压暂降的幅值与临界距离计算、电压暂降分类、暂降特征量检测方法等几个问题予以阐述。第二节电压暂降与中断的起因当输配电系统中发生短路故障、感应电机启动、雷击、开关操作、变压器以及电容器组的投切等事件时，均可引起电压暂降。其中短路故障、感应电机启动、雷击电压暂降的最主要原因。雷击电机启动短路故障电压暂降的起因保护装置切除故障、误动以及运行人员误操作等均可引起供电中断。具有故障自动恢复装置的断电为短时间中断，而需要手动才能恢复的断电则为长时间中断。图5-3所示为一具有架空线路的配电系统。架空线路上发生的多数故障属于暂态性质，如雷电冲击等。图5-3所示的分支线路中采用慢速熔断器保护，当主馈线断路器清除暂态故障时，熔断器不动作。因此，暂态故障由重合闸清除后，系统供电自动恢复正常。中断的起因永久性故障也可以被主馈线的断路器清除，但将导致该线路上所有用户长时间的电压中断，为此，可以考虑采用熔断器清除永久性故障。此时，需将重合闸设定为瞬时动作和延迟动作两种情况，及对所有可能的故障电流，保护动作的时间顺序依次为：主馈线断路器（重合闸）瞬时动作、熔断器动作、主馈线断路器（重合闸）延迟动作。这样，当故障发生时，主馈线的所有用户承受的将为短时间电压中断。保护装置按上述方式配合时，将会对不同的用户带来不同的影响。假设图5-3中线路1发生故障，则故障线路1与非故障线路2电压均方根值的变化情况如图5-4所示。图5-5和图5-6给出了相应于图5-4非故障线路2和故障线路1上的实测电压波形。故障切除时间大约为2周波，重合闸重合所需时间约为2s，第一次重合为成功，第二次重合系统才恢复正常供电。装设自动重合闸和自动切换装置，是为了保证对用户不中断供电采取的常规措施。但自动重合闸实际断电时间达几周波至几秒，自动切换装置则一般需要0.5s至几秒。因此，如上分析的故障引起的电压暂降和中断扰动问题是不可避免的。对于重要的敏感用户，可考虑采用微电子继电保护装置加大功率电力电子技术制成的固态切换开关来替换常规的自动重合闸与自动切换装置，以保证在0.5周波内完成全部切换操作。但对于大多数用户而言，广泛采用的仍为常规自动重合闸和自动切换装置，对此将在第七章进一步介绍缓解电压暂降的解决措施。输配电系统中的多数故障为单相接地故障，该故障是产生电压暂降的主要原因。据统计，单相、两相和三相电压暂降占全部电压暂降的比例分别约为66%、17%和17%。第三节短时间电压中断的监测与随机预估1.短时间电压中断与长时间电压中断的比较短时间电压中断是指线路由于故障或检修而被断路器断开，但在极短时间内重新恢复供电的电压中断现象。与长时间电压中断相比，短时间电压中断发生的频次高，在技术处理上也有不同。表5-1给出了短时间电压中断与长时间电压中断的比较。2.短时间电压中断的监测与长时间电压中断不同，短时间电压中断是在人们无法预知的情况下发生的，因此对它的检测需要自动进行。对于短时间电压中断，应在系统的所有分支回路或重要节点上装设监测装置进行监测。与长时间电压中断相同，短时间电压中断的检测记录内容应包括日（年）电压中断频次等，并多以频次与持续时间之间的关系给出统计结果。图5-7、图5-8和图5-9给出了某一点型的短时间电压中断统计结果实例。图5-7所示为中断频次与持续时间的函数关系。图中频次取年平均次数，持续时间取给定时间间隔。中断平均次数计算式为式中——在检测期间Ti内，由检测装置i观测到的在r范围内的事件次数。——事件发生平均值。11rkirikiiNNTriNrN(5-1)在图5-7的统计结果中，以电压下降到低于额定电压的10%为一次中断。由图5-7可以看出，1～30s是短时间电压中断的典型持续时间间隔，而小于6c（100ms）的事件是极少发生的。由图5-7还可以计算出持续时间概率密度函数f(r)和概率分布函数F(t)rrkNfrNrtFtfr(5-2)(5-3)中断持续时间的概率密度函数曲线如图5-8所示，该曲线给出了没有超出指定持续时间的中断百分数。由图5-8可以看出，10%的中断持续时间小于20c，80%的中断持续时间小于20min。将概率分布函数反转过来就是可能引起设备掉电的概率函数，或称之为超出指定值的百分数曲线，用以强调抗扰性。图5-9给出了持续时间大于给定值的每年中断次数。需要注意的是，短时间电压中断次数的统计结果随监测位置的不同而不同。越靠近负荷侧，短时间中断的次数越多。3.电压中断次数的随机预估对重要的输配电线路，前面已经论及对电压中断可能发生次数进行估计的必要性。由第二节可知，当具有架空线路配电系统发生故障时，相邻非故障线路可能承受的电压暂降或中断，是与自动重合闸装置密切相关的。因此，在随机预估某一馈线用户所承受的短时间电压中断次数之前，必须了解重合闸装置和熔断器的安装位置、重合闸装置多次重合的第一次成功率和第二次成功率，此外还需了解主馈线和分支线路长度以及线路的故障率。下面以图5-10所示的配电系统为例，介绍电压中断次数的随机预估的过程。图5-10中的主馈线故障率为0.1次/(年km)，分支线路故障率为0.25次/(年km)，重合闸装置第一次重合的成功率为75%，重合闸装置的第二次成功率是故障数的10%，因此有15%的故障二次重合没有成功，这些故障属于永久性故障，将导致长时间中断。1重合闸过程(1)由于发生短路故障，过电流使线路保护动作，断路器瞬时打开。(2)断路器打开时间为1s，在此期间75%故障会被消除。(3)断路器闭合。如果故障仍然存在，过电流使断路器再次打开，这种情况占25%。(4)此次断路器打开时间为5s，在此期间10%总故障数被消除。(5)断路器闭合约1s时间，如果故障仍然存在，断路器保持闭合，直到分支线路的熔断器动作。(6)熔断器熔断后，若故障仍然没有消失，断路器第三次打开，并保持断路状态，直到人为操作恢复供电。此时整个馈线将承受长时间断电。2馈线故障总次数计算馈线故障总次数为11*0.1+22*0.25=66(次/年)。每次故障都将引起电压幅值骤降事件，并且可能存在四种不同情况：(1)1s持续时间的短时间电压中断；(2)二次短时间中断，一次为1s，一次为5s；(3)二次短时间中断，随之出现一次电压暂降；(4)二次短时间中断，随之出现一次长时间中断。由于预估该馈线上发生6.6次/年故障，所以其中(1)6.6*75%=5.0次/年为所有用户一次短时间断电；(2)6.6*10%=0.7次/年为所有用户二次短时间断电；(3)6.6*15%=1.0次/年为永久性故障，即用户将承受二次短时间断电和随之发生的二次电压暂降，或随之出现的长时间断电。由该馈线供电的每一个用户所承受的短时间电压中断次数相等，即1s持续时间的为5.0次/年，(1+5)s持续时间的为0.7次/年。长时间电压中断次数则取决于故障在馈线上发生的位置。当主馈线发生永久性故障时，所有用户都将承受长时间电压中断；分支线路发生永久性故障时，则仅仅是由该分支线路供电的用户承受长时间电压中断。对于不同馈线，永久性故障的次数为：(1)分支A：8*0.25*0.15=0.3(次/年);(2)分支B：4*0.25*0.15=0.15(次/年);(3)分支C：7*0.25*0.15=0.26(次/年);(4)分支D：3*0.25*0.15=0.11(次/年);(5)主馈线：11*0.1*0.15=0.17(次/年)。不同馈线上的用户，经受长时间中断的次数为：(1)主馈线：0.17(次/年);(2)分支A：0.17+0.3=0.47(次/年);(3)分支B：0.17+0.15=0.32(次/年);(4)分支C：0.17+0.26=0.43(次/年);(5)分支D：0.17+0.11=0.28(次/年)。不设置重合闸，而仅靠熔断器来清除分支线路上的所有故障，降至可能存在长时间电压中断。其次数为：(1)主馈线：0.11(次/年);(2)分支A：3.1(次/年);(3)分支B：2.1(次/年);(4)分支C：2.9(次/年);(5)分支D：1.9(次/年)。表5-2所示为有重合闸和无重合闸条件下，长时间电压中断和短时间电压中断次数的比较结果。对长时间电压中断敏感的设备或生产过程，显然应该采取有重合闸装置的系统，因为这会使长时间电压中断减少85%。如果当设备或生产过程对短时间电压中断和长时间电压中断都敏感，最好是取消重合闸装置，断电的次数比有重合闸装置时可减少1/2～1/5。但这仍要视具体用户而定，实际上有些用户更愿意接受短时间电压中断而不愿长时间断电。短时间电压中断可以视为严重的暂降，起分析方法与电压暂降相似，因此后边不再对其专门进行论述。有关长时间电压中断的内容可以参见第三章的相关部分。第四节电压暂降对敏感用电设备的影响由于电力系统中电压暂降发生的次数远比电压中断发生的次数多，而故障引起的电压暂降又是不可避免的，所以了解用电设备对电压暂降的敏感程度，对用户来说是非常重要的。一CBEMA与ITIC曲线现代社会各行各业中广泛应用的计算机，对短时间的急剧电压变化非常敏感。据IBM的统计表明，48.5%的计算机数据丢失是由电压不合格造成的。20世纪80年代，美国计算机商业设备制造者协会CBEMA（现已改称ITIC信息技术工业协会）基于大型计算机对电能质量的要求，提出了电压允许的CBEMA曲线。该曲线是根据大型计算机的实验数据和历史数据绘制的。对于其他敏感负荷的CBEMA曲线，可参照该曲线并根据实际情况制定。图5-11所示的CBEMA曲线，描述了计算机承受某种程度与持续时间的电压变化的能力。CBEMA曲线可划分为合格与不合格电压变化两个区域。CBEMA曲线的上包络线过电压时合格与不合格的分界线，下包络线低电压时合格与不合格的分界线，阴影部分为合格电压。幅值低于10%的低压情况对应于电压暂降，幅值为零则对应于电压中断。由图5-11可知，允许的电压中断时间小于8.33ms（60Hz系统的半个周波）。CBEMA改称为信息技术工业协会后，其所属的第三技术委员会对图5-11的曲线进行了修订后称其为ITIC曲线，如图5-12所示。图5-12仍沿用图5-11的基本概念，即包络线内的电压为合格电压，而包络线外的电压为不合格电压。但与CBEMA曲线相比，ITIC曲线的包络线进行了修订。图5-12中将光滑曲线改为折线，使电压幅值与持续时间有明确的对应关系；稳态电压容限从106%和87%改为110%和90%，电压的上下偏差值相等；下包络线的起始时间从8.33ms改为20ms（超过60Hz系统的1个周波），表明计算机元件的断电耐受水平有了提高；横坐标既标明单位s，又标明60Hz系统的周波（图