广东电网有限责任公司肇庆高要供电局 广东肇庆 526100
摘要：电压暂降是一种典型的暂态电能质量问题，已经给连续性生产的重要行业大用户造成了重大经济损失和负面影响，这一问题正逐渐引起电力部门和行业用户的高度重视。本文从电能暂降的概念入手，结合变频器的内部结构的相关知识，简要分析了电能暂降对变频器运行的影响机理，在此基础上提出了抑制电压暂降对企业变频器系统影响的解决措施.
关键词：电能质量；电压暂降；变频器
引言
随着全国各地区经济的高速发展，电网的负荷结构发生了很大的变化。一方面，电力系统中出现了大量非线性负荷、冲击性负荷，致使电网的电能质量问题越来越严重；另一方面，用电设备日趋精密化、智能化发展，广泛采用微处理器的控制系统，对系统所提供的电能质量提出更高的要求。
电压暂降是暂态电能质量研究中的一个主要方向，尽管目前我国还没有电压暂降的相关标准，但是电压暂降的危害更直接、明显，损失也更大。诸如电压骤降和电压瞬变等电能质量问题，可能造成的用户设备工作异常、跳闸甚至停机的情况越来越多，已经成为目前电网不可忽略的问题[1]。很多客户对供电企业的投诉都是由于电压暂降引起。据调查，80%以上的投诉都是关于电压暂降的问题，只有少部分是由于其他的电能质量问题[2]。电压暂降是一种典型的暂态电能质量问题，已经给连续性生产的重要行业大用户造成了重大经济损失和负面影响，并逐渐引起电力部门和行业用户的高度重视。
1 电压暂降的原理
1.1 电能质量
电能质量是指公用电网给用户端的交流电能的品质。目前，电能质量的研究主要包括电压偏差、频率偏差、谐波、三相不平衡、电压暂降、电压波动和闪变。电压偏差，又称电压偏移，指供配电系统各点的实际电压与系统的额定电压之差。频率偏差，是指电力系统在正常运行条件下，系统频率的实际值与标称值之差，我国系统标称频率为50Hz。三相不平衡，是指在电力系统中三相电流（或电压）幅值不一致，且幅值差超过规定范围。电压暂降（Voltage sag），又称电压骤降、电压凹陷或电压跌落。电压波动是指一系列电压变动或联系的电压偏差。闪变是指由于电压波动引起的人眼对灯光闪烁的主观感觉。本文主要研究电能质量中的电压暂降问题。
1.2 电压压降
电压暂降（Voltage sag），又称电压骤降、电压凹陷或电压跌落，国际上还没有统一的定义。电气与电子工程师协会（IEEE）标准中的电压暂降的定义为：供电系统中某点在工频条件下电压突然将抵达到额定电压值的10%～90%，并且在随后10ms～1min的短暂持续后恢复到电压的正常值[3]。国际电工委员会（IEC）标准中将电压暂降定义为电压有效值下降到电压额定值的1%～90%，这一点和IEEE的标准中电压下降到额定电压的10%～90%是不一样的。我国暂时还没有正式的电压暂降的标准，目前都是采用IEEE的标准。但是，随着我国经济及社会的发展，对电压暂降的关注将越来越大，对其的研究也将深入。
在电压暂降的分析中，最为关注的是3个主要特征参数：电压暂降幅值、持续时间、相位跳变和电压暂降频次。
电压暂降的幅值，既是指电压突然下降后的电压幅值的大小，常用电压暂降的深度来（MF= ）表示电压降低的程度。 是指电压降低前的电压有效值， 是指电压降低后的有效值，当发生三相不平衡电压暂降时，指电压基波分量[4]。电压暂降持续时间，是指电压暂降发生的时刻到电压恢复到正常值之间的时间。电网电压有效值降至额定值的10%～90%的持续时间一般为0.002s～2s，其中80%的电压暂降仅持续20ms～50ms[5]。电压暂降持续的时间越长，对设备的影响就越大。电压暂降相位跳变，是指电压暂降前后，相位的变化。
1.3 电压压降引起的原因
电压暂降引起的原因是多种多样的，既包括电网本身，也包括用户，还包括其他的外因，主要是感应电机启动或加速、电容器投切、变压器投切、线路故障和恶劣的天气条件引起保护动作等。但是，大部分的电压暂降是由于雷击和输电线路短路故障引起的。恶劣的天气条件和线路故障引起保护动作两个原因才是引起电压跌落的主要原因。
1）雷击引起线路对地放电或绝缘子闪络。由于裸体导线暴露在空气中，很容易受到雷电的击中，引起继电保护动作的发生。据欧洲的统计表明，60%以的电压跌落都和恶劣的天气（如雷击、暴风雨）有关。导线裸露在外，电力系统输电线路很长，打雷时经常会击中线路，导致线路电压过高，从而引起继电保护动作，这种系统故障影响范围大，持续时间长，超过5个周期。雷击是引起电压暂降的主要原因，其导致的跌落深度也很深[2]。
2）系统故障[6]。当系统发生故障时也将导致电压暂降，严重时将导致电压中断。由于线路是导体裸露在空气中，刮风下雨或施工引发故障，或是误操作、接地合闸，经常会使得导线发生碰撞导致相间短路或单相对地短路，从而导致线路故障。另外，系统中的一次设备也可能会出现故障。当这些故障在系统中发生时，线路的保护将动作，切断电源，用户的电源受到干扰或被切除。即使线路开关重合闸成功，也需要一定的时间，也会给用户带来影响。如果重合闸不成功，线路将断电。
1.4 电压压降的危害
随之半导体和IT技术的发展，计算机应用技术、自动控制技术和大功率半导体电力电子技术等高新技术的迅速发展，以微处理器为控制器核心的管理、控制、分析、检测的高性能、高自动化、高智能化的新型用电设备和大功率的半导体电力电子设备在电力系统中得到广泛的使用。与传统的设备相比较，这些新型的设备和半导体器件对电能质量非常敏感，对电能质量的要求更加苛刻。它们要求无论系统是处于正常状态还是处于故障状态，都要求系统的基波电压偏差在要求的范围内（在 或更小的范围）。当电压低于要求的范围，即使是仅仅几周波时间，都将会影响到这些设备的正常运行，造成巨大的损失。电压暂降是用电设备正常、安全工作的主要干扰，其影响面大，已成为电网的公害，其危害性主要有以下几个方面：
1）影响工作和生活。当电压暂降发生时，对其敏感的用电设备就不能正常运行，用电器可能出现大面积故障，例如以微处理器为核心的设备将可能会造成程序絮乱、数据丢失，严重将导致设备停止运行，为我们的生活和工作带来巨大的不方便[7]。
2）电压暂降导致巨大的生产经济损失。为了提高生产率，降低生产成本，现代的制造业基本上都是流水线生产，而且自动化程度高，生产线工序多，流程长。当某一部分的设备因数周波的电压暂降而不能正常运行时，那么整条生产线将可能会被迫停止运行，生产线上的产品也极易出现不合格产品，造成产品的浪费与设备的损害。排除故障后，设备仍需要一段时间进行设备恢复，所有的条件达到生产要求时才可重启生产线。从重启生产线到生产出产品还需要一段时间。因此，电压暂降故障将导致能源的损耗和人力浪费，特别是对于生产流程多、自动化程度高的大企业，可能造成非常巨大的经济损失。有资料表明，在欧美等国家，一次电压骤降造成的经济损失至少在数百万美元以上[8]。
3）电压暂降造成巨大的安全事故。电压暂降导致设备不能正常运行，在某些情况下，将可能导致重大安全事故的发生。
2 变频器原理
随着半导体技术和电力电子技术的发展，变频器仪器调速精准、使用简单、功能齐全而得到广泛使用。目前市场上的变频器大部分都是三相交直交变频器，下面的分析都以三相交直交变频器为研究对象。
三相交直交变频器的结构图如图2-1。
图2-1 变频器结构图
由图2-1可知，变频器是由三相工频电源L1、L2、L3接入，通过整流，将交流电转化为直流电，再控制器控制逆变单元的开关器件，将直流电逆变为三相交流电U、V、W三相。通过控制器的指令，来调节输出三相交流电U、V、W的电压和频率，从而达到变频的效果。
为了保护变频器本身及及其它设备，变频器有一些跳闸和重启动功能，主要有欠压保护、过压保护、过载保护和自动重启动。
2.1 欠压保护
欠压保护是指在变频的输入电源电压过低或缺相，使得直流母线的电压低于某一设定的值时，变频器控制系统会发出停止指令，即变频器跳闸。主要原因：1）电源电压过低；2）电源输入缺相；3）附近有大功率设备启动，如电机、电容等。
2.2 过压保护
过压保护是指变频器的主电路直流电压超过电压检测值，错误施加过高电压时保护功能动作（检测值：DC750V）。过电压保护主要有三种原因：1）电源过电压；2）电机减速预设时间过短；3）受电压冲击的干扰。
2.3 过流保护
过流保护的对象主要指带有突变性质的、电流的峰值超过了过电流检测值（约额定电流的200%），变频器发生跳闸。由于逆变器件的过载能力较差，所以变频器的过电流保护是至关重要的一环。导致过流保护主要的原因：1）变频器输出侧短路；2）变频器的转矩补偿（U/f）预置过高，而负载又较轻，电动机的磁路因补偿过分而严重饱和，励磁电流出现很高的尖峰，变频器因dt/di很大而跳闸；3）驱动的电机过载，甚至堵转。
2.4 过载保护
过载保护变频器指的是输出三相流经的电流大于额定值，但是超过的幅度不大，一般也不形成较大的冲击电流。输出电流超过反时限特性过载电流额定值，保护功能动作，变频器的容量偏小。过载保护动作的主要原因：1）机械负载过重；2）三相电压不平衡；3）变频器内部检测故障。
2.5 自动重启动
自动重启动是指当变频器发生跳闸后，变频器自动重启，以克服一些暂态故障引起的变频器跳闸。自动重启动有两个主要的参数：重合闸次数和重合闸间隔时间。重合闸次数，即允许重合闸的次数，有的变频器最多可重合闸10 次之多。重合闸的间隔时间：即每两次重合闸之间的时间间隔，预置的范围通常是0~10s，也有可长达20s。
3 电压暂降对变频器运行的影响机理分析
大用户是指大用电企业，一般指如陶瓷和冶金等高能耗企业。如果大用户大量使用变频器，当电网发生电压暂降，使变频器发生异常时停机时，生产将不能顺利进行。据发现，大面积变频跳闸往往发生在以下几种情况：
雷雨天气，大面积变频跳闸主要发生在雷雨天气。
2）附近厂区出现故障。因某个企业的电力设备发生故障，而引起了附近其他企业发生大面积变频跳闸，从而导致设备异常停机事故。
当电网发生电压暂降时，即工频输入的三相工频电源电压降低，此时变频器的直流母线的电压下降，使得变频器的逆变之后输出的三相交流电电压下降。
对于其电压降低较小的情况，即电压暂降的深度较浅时，变频器的直流母线电压降低，此时变频器的输出电压将降低。为了带动一定的负载，变频器所带动的电机必须输出一定的转矩。在转矩一定的情况下，电机的电压下降，电流必须升高。当时，长时间运行在这种大电流下设备发热增加，为了保护变频器本身的功率器件及其所启动的设备，当电流高于一定值时变频器将会关闭逆变单元的功率开关器件，停止输出，使变频器跳闸。
对于电压降低幅度较大情况，即电压暂降的深度较大时，变频器的直流母线电压会大幅度降低。为了保护变频器本身及其所驱动的设备，当变频器的直流线的电压低于某一限定值时，变频器的控制器将会输出停止指令，逆变单元的开关器件关闭，输出的三相交流电电压为零，即变频器跳闸。
变频器有自动重启动的参数设置：自动重启动次数和自动重启动时间间隔。当外部电压值渡过暂态状况时，干扰消除后，变频器的自动重启动能是变频器重新投入运行，驱动的设备就能继续正常运行。例如发生电压暂降，经过一个短时间（80%在20ms～50ms）后，电压就回复正常电压值，如果变频器顺利自动重启动，变频器能自动投入运行，电机将继续运行。电压暂降的持续时间对电机的运行来说，影响较小。但是，由于各企业电工专业水平的差异，不同厂家自动重启动的设置的参数不同，甚至有些厂家根本就没有设置自动重启动，一旦变频器跳闸，就不会自动重新启动，电机就停止。另外，若变频器长时间接入电压偏低，则其更容易受外界的影响。
4 解决措施
4.1 提高电能质量尤其是电压暂降的监测水平
电压暂降事件具有突然性大的特点，其捕捉比较困难，而且其原因较多，需要较长时间的监测，应加大电网电能质量尤其是电压暂降的监测和普查工作，既可以安排专项检测工作，将检测时间加大到1个月以上，或者安装在线监测装置，为彻底的分析和治理打下基础。
4.2 供电电源专线电缆入地
架空线路的可靠性较低：一是容易受天气因素影响，例如雷击、闪络等发生；二是容易短路，特别是多回线路同杆并架，一旦有彩带或其它物体挂在线路上，很容易就造成相间短路，可靠性低。为了提高可靠性，建议把架空线路改成铺设在地底下的专线电缆供电。铺设地下电缆供电的好处：一是不会被雷击，二是不受天气的影响，三是可靠性高。
4.3 安装电压暂降抑制装置
在设备前安装能抑制电压暂降的装置是最简单的方案，当然其投资相对较大，必须综合权衡其投资和效益。能有效抑制电压暂降的设备有不间断电源（UPS），动态电压调节器（DVR）、静止同步补偿器（STATCOM）和超导储能系统（SMES）等，其中UPS技术比较成熟，但造价较高，DVR最有发展潜力，但技术尚不成熟。静止同步补偿器对电压暂降的效果相对较差，最好结合无功补偿改造方案一起实施，超导储能系统过于昂贵，不建议采用。
4.4 合理设置变频器自动重合闸次数
变频器有几个参数是可以设置的，例如启动时间、加速时间、自动重启次数等。有些厂家很保守，基本上变频器进厂进行一次设置，之后就不再设置。
在调查中发现，厂家的变频器自动重启动的次数和重启间隔设置不一样。有些厂家设置3到5次，有些厂家只重启动1次，甚至有些厂家根本就不敢设置自动重启动。因为若只是电压暂降引起变频器跳的话，自动重启动是完全没有问题的；但是如果是机械故障导致过流跳闸时，自动重启动将会导致设备损坏，所以有些厂家不敢设置自动重新启动变频器。
建议厂家对不同的变频器按实际情况设置自动重启动次数，尽量增多的自动重启动次数。对于机械故障，可以加强管理方面，来预防机械故障。例如加强电工的巡查次数，在巡查中发现将会机械故障的设备，如电机在故障前的噪音比较大，在设备故障前就将设备拆下来进行检修，大大降低机械故障的频率。
4.5 选择适当的变频器
按照一定的合理规范选择变频器，在购置前就做好相关的评估。据了解，三菱变频器对电压暂降比较敏感，但是可靠性比较高；富士变频器没有三菱变频器敏感，可靠性也较高；国产变频器相对进口变频器对电压暂降比较不敏感，但是国产变频器可靠性比较差。另外，对于变频器的功率，负荷的功率不要超过变频器的80%。据调查，功率越大越容易跳闸。厂家应按照严格的要求选择适当牌子和适合功率的变频器。
5 结论
因此，线路故障和恶劣的天气条件（如雷击）引起保护动作两个原因才是引起电压暂降的最主要原因。而提高电能质量尤其是电压暂降的监测水平、供电电源专线电缆入地、安装电压暂降抑制装置、选择适当的变频器、合理设置变频器自动重合闸次数等是解决电压暂降对大用户变频器运行造成影响的有力措施。
电压暂降是现代电能质量的主要问题之一，是已经被公认的影响最直接、最快、损失最大的的动态电能质量问题，特别是发达国家造成的损失非常巨大，仅在欧盟地区，电压暂降每年造成的损失超过数百亿欧元。在我国，电压暂降对生产和生活造成的损失也在急剧上升。研究电压暂降的机理、减少将电压暂降带来的损失已成为迫切需要解决的问题。电压暂降对大用户变频器运行造成的影响值得深入研究。
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论文作者:陈海斌
论文发表刊物:《基层建设》2017年第36期
论文发表时间:2018/4/4
标签：电压论文; 变频器论文; 电能论文; 设备论文; 故障论文; 是指论文; 电网论文; 《基层建设》2017年第36期论文;