（电工理论与新技术专业论文）一种新的电压跌落源定位方法.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a e t r e c e n t l y , w i t hr a p i du p d a t i n ga n dh i g h l ya u t o m a t i z a t i o no ft e c h n o l o g i e si ne l e c t r i c e q u i p m e n t s ，v o l t a g es a g sa st h em o s ti m p o r t a n td y n a m i cp o w e rq u a l i t y ( p q ) p r o b l e m h a sb r o u g h tf o r t hw i d e l ya t t e n t i o n s a n dc u s t o m e r sa l s oh a v es t r i c t e rd e m a n d so npq t od e c r e a s et h ei m p a c t so fs a g sa sm u c ha sp o s s i b l e ，t h ep r i n c i p a lt a s ki st oi n t r o d u c e f a s t ，e f f e c t i v ea n da c c u r a t em e t h o df o rv o l t a g es a g ss o u r c ed e t e c t i o n t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h ed e f i n i t i o n ，h a r m s ，s o u r c e ，a n di n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d so fv o l t a g es a g s i nv a r i o u sp o w e rq u a l i t yp r o b l e m s ，v o l t a g es a g sa r et h e w o r s td y n a m i cp o w e rq u a l i t yp r o b l e m w i t hh i g h p o w e ri m p u l s i v ea n df l u c t u a t i n g l o a d sa c c e s s i n ge l e c t r i c a ln e t w o r k ，v o l t a g ef l u c t u a t i o n sc a n tb et o l e r a t e di ns o m e p o w e rs u p p l yn e t w o r k s i ti sn e c e s s a r yf o rd e t e c t i o n ，d i a g n o s i s ，f o r m u l a t i n gm i t i g a t i n g d e v i c e so fp o w e rq u a l i t yf a u l t st od e t e c tt h es o u r c eo fv o l t a g es a g s a n dr e s e a r c h m i t i g a t i n gd e v i c e st od e c r e a s et h ee f f e c to fv o l t a g es a g so nl o a d s a c c u r a t ed e t e c tt h e s o u r c eo fv o l t a g es a g si sh e l p f u lt oe v a l u a t et h ez o n ee l e c t r i cd i s t r i b u t i o ns y s t e m ， s e l e c tr e a s o n a b l et r e a t m e n tm e a s u r e s ，b e c o m et h eb a s i sf o rs e t t l i n gd i s p u t eb e t w e e n p o w e rd e p a r t m e n t a n dc u s t o m s ，s o l v et h ep o w e rq u a l i t yp r o b l e m s ，f o r m u l a t e s t a n d a r d sw h i c hs h o u l db ea b i d e db yp o w e rd e p a r t m e n ta n dc u s t o m s s ot h i sp a p e r m o s t l ys t u d i e st h em e t h o df o rv o l t a g es a g ss o u r c ed e t e c t i o n am e t h o dt od e t e r m i n et h eo r i g i no fv o l t a g es a gd i s t u r b a n c ei sp r o p o s e di nt h i s p a p e r i t sp r i n c i p l ei s t oe s t i m a t et h ei n c r e m e n t a li m p e d a n c eo ft h en o n d i s t u r b a n c e s i d eb yu t i l i z i n gt h ev o l t a g ea n dc u r r e n tc h a n g e sc a u s e db yt h ed i s t u r b a n c e t h es i g n o ft h er e a lp a r to ft h ei m p e d a n c ec a nr e v e a li ft h ed i s t u r b a n c ei sf r o mu p s t r e a mo r d o w n s t r e a m i ft h es i g no ft h er e a lp a r to ft h ei m p e d a n c ei sp o s i t i v e ，t h es o u r c eo fs a g i so nu p s t r e a m ；i ft h es i g no ft h er e a lp a r to ft h ei m p e d a n c ei sn e g a t i v e ，t h es o u r c eo f s a gi so nd o w n s t r e a m i no r d e rt oi m p r o v et h ee s t i m a t i o no ft h ei m p e d a n c e ，w e p r o p o s et ou t i l i z em u l t i p l ec y c l e so f d a t ab yu s i n gt h el e a s t - s q u a r e s ( l s ) m e t h o da n d h o u g ht r a n s f o r m t h er e s u l t so fs i m u l a t i o nv e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h i sm e t h o d ，a n dt h e i i 山东大学硕士学位论文 m e t h o dc a l lb ee a s i l yi m p l e m e n t e d k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y , v o l t a g es a g s ，v o l t a g es a gs o t e c cd e t e c t i o n , l e a s t s q u a r e s m e t h o d ，h o u g ht r a n s f o r m ，i n c r e m e n t a li m p e d a n c e i l l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：烨日 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：名鼢师签名： 山东大学硕士学位论文 i 1 引言 第一章绪论 电能是一种经济、实用、清洁且容易控制和转换的能源形态，其应用程度 是一个国家发展水平的主要标志之一。作为一种特殊商品，电能同样具有商品 指标可被测量、商品形态可被描述、商品性能可被改善等特征。因此与其他商 品一样，电能也应该讲求质量问题。 近年来，随着电力系统中敏感性负荷比例的迅速增加，及电力用户对电能 质量要求的不断提高，电压跌落( v o l t a g es a g ) 己成为供电部门和用户共同关 心的电能质量问题之。据统计，在用户投诉的关于电能质量方面的问题中9 0 是由于电压跌落引起的。自从欧美发达国家在2 0 世纪9 0 年代初将电压跌落列 为电能质量指标之一，并加以定义、研究以来，电压跌落成为电能质量研究的 新方向。电压跌落源定位则是电压跌落这一动态电能质量问题研究热点之一。 1 2 电能质量问题综述 1 2 1 电能质量的定义 一个理想的电力系统应以恒定的频率( 5 0 h z 或6 0 h z ) 和正弦波形，按规 定的电压水平( 标称电压) 对用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压 和电流应处于幅值大小相等，相位互差1 2 0 0 的对称状态。由于系统元件( 发电 机、变压器、线路等) 参数并不是理想线性或对称的，负荷性质各异且随时变 化，加之调控手段的不完善以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种 理想状态在实际中并不存在，而由此产生了电网运行、电气设备和用电中的各 种各样的问题，也就产生了电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 的概念【l j 。 普遍意义上讲，电能质量是指优质供电。但迄今为止，对电能质量的技术 含义还存在着不同的认识，一方面是由于人们看问题的角度不同，电力企业、 电力用户以及设备制造厂家对电能质量的改观都将从满足自身利益的最大化出 山东大学硕士学位论文 发，因此各自的观点可能相去甚远。另一方面，对电能质量的认识也受电力系 统发展水平的制约，特别是用电负荷的性能及结构的影响。 i e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 技术协调委员会对 “p o w e rq u a l i t y 的技术定义为： “合格的电能质量是指给敏感设备提供的电 力和设置的接地系统适合于该设备正常工作”【2 】。但是，i e c 并没有采用 “p o w e rq u a l i t y ”这一术语，而是提出“e m c ( 电磁兼容) 术语，指出并强 调设备与设备、电源与设备之间的相互作用和影响。在i e c 提出的电磁兼容概 念中，采用排放( e m i s s i o n ) 来表示由设备产生的电磁污染，它反映出电能质 量问题；采用抗干扰( i m m u n i t y ) 来表示设备免除电磁污染的能力，它与电能 质量相关。并且以此为基础，制定出了一系列相关的电磁兼容标准1 3 】。虽然i e e e 与i e c 标准分析的角度不同，但是电磁兼容术语与电能质量术语有很大的重叠 性，在它们之间有许多的同义词。 1 2 2 电能质量问题分类 电力系统中各种扰动引起的电能质量问题主要可分为稳态电能质量问题和 暂态电能质量问题两大类。稳态电能质量问题以波形畸变为特征，主要包括谐 波、间谐波、噪声和频率波动等；暂态电能质量问题通常是以频谱和暂态持续 时间为特征，可分为脉冲暂态和振荡暂态两类，主要包括电压跌落、电压骤升、 短时断电和电容器充电暂态等。暂态电能质量问题中的电压跌落( 如凹陷、跌 落) 问题由于其发生的可能性远大于电压中断，即使几百k m 以外的故障也有 可能引起本地的电压跌落，因此在工业化国家，电压跌落已上升为最重要的电 能质量问题之一，在国际上受到特别关注。电压跌落作为电能指标中的一项重 要组成部分，全国电力企业对电压跌落的关注比其他电能质量问题的关注程度 要高得多，在影响电能质量的诸多因素中，用户对电压跌落问题的投诉占到全 部投诉的8 0 以上。尤其是在近5 1 0 年，随着高新技术、信息技术的飞速发展， 基于计算机、微机控制的各种生产生活中的用电设备被大量使用，它们对电力 系统的电压跌落更为敏感。而随着电压跌落问题在电能质量诸多问题中的日益 突出，很有必要对电压跌落问题作一个比较深入全面的探讨。用如下几种定义 来界定各种电能质量问题【4 1 ： 2 山东大学硕士学位论文 1 2 2 1 稳态电能质量问题 以下为描述稳态电能质量问题的几个概念。 过电压( o v e rv o l t a g e ) ：电压为额定值的11 0 - 1 2 0 ，持续时间大于l m i n 。 欠电压( u n d e rv o l t a g e ) ：电压为额定值的8 0 - 9 0 ，持续时间大于l m i n 。 谐波( h a r m o n i e s ) ；频率为电源基波频率的整数倍的正弦电压或电流，由 电力系统中装置和负载的非线性特性而引起的畸变的电压或电流，可分解为基 波和各次谐波分量之和。 电压不对称三相不平衡度：指电压的最大偏移与三相电压的平均值的比值 超过规定的标准，主要由不对称负载引起。 间谐波( i n t e rh a r m o n i c s ) ：电压和电流的频率不是基波频率的整数倍。 主要由静止变频器、周波变频器、感应电机和电弧设备产生，电力载波信号也 被认为是一种间谐波。 1 2 2 2 动态电能质量问题 描述动态电能质量问题有如下的几个概念。 暂态谐波( t r a n s i e n th a r m o n i c s ) ：频率为电源基波频率整数倍的正弦电压 或电流，持续时间为0 5 个周期至l m i n 。 电压骤升( s w e l l s ) ：电压或电流有效值升至额定值的1 1 0 以上，典型值为 额定值的1 1 0 、1 8 0 ，持续时间为0 5 个周期至l m i n 。 电压跌落( s a g s ) ：电压或电流有效值降至额定值的1 0 一9 0 ；持续时间 为0 5 个周期至l m i n 。 电压中断( i n t e r r u p t i o n s ) ：在一相或多相线路中完全失去电压( 低于额定值 的l o ) 一段时间。电压中断可分为持续时间0 5 个周期至3 s 为瞬时中断、持续时 间3 s 至6 0 s 为暂时中断、持续时间大于6 0 s 为持续中断。 电压瞬变( t r a n s i e n t s ) ：指在一定时间间隔内的电压变化。电压瞬变可以是 任意极性的单向脉冲或是第一个峰值为任意极性的衰减振荡波。 电压闪变( f l i c k e r s ) ：电压波形包络线呈规则的变化或者电压幅值呈一系列 的随机变化，一般表现为人眼对电压波动所引起的照明异常而产生的视觉感受。 闪变分为周期性和非周期性两种。 3 山东大学硕士学位论文 电压缺口( n o t c h e s ) ：持续时间小于0 5 个周期的周期性电压扰动。电压 缺口主要是电力电子装置换相时，换相电路瞬时短路造成的，与电压缺口有关 的信号分量频率很高，采用谐波分析仪测量可能很困难。 1 2 3 电能质量问题的危害 1 2 3 1 电压跌落与电压中断 雷击引起的绝缘子闪络或线路对地放电是造成系统电压跌落或供电中断的 主要原因之一。由于电力系统暴露在大自然中，在雷雨季节的多雷地区，极易 受到雷击干扰。据文献【5 】介绍一些地区因雷击引起的电压跌落次数约占总次数 6 0 ，并且持续时间一般超过5 个周期。系统故障和保护误动是引起电压跌落 和供电中断的又一主要原因之一，瞬时性故障往往以电压跌落开始，大负荷的 投入、大电容器的切除、大电机的起动或多个电动机的同时起动都有可能引起 邻近负荷的电压跌落。对电压跌落和电压中断的重视是近十几年来的事，主要 原因是计算机系统的大规模应用和自动控制系统的不断精细化。对于一个计算 中心来说两秒钟的失去电压或电压跌落会造成计算机系统的工作紊乱，数据损 坏。英国1 9 9 5 年就电能质量问题对容量超过1 m w 的1 0 0 家用户做了调查结果， 显示在过去的1 2 个月里，6 9 的用户的生产过程因电能质量问题而受到破坏， 在事故原因调查结果统计中发现8 3 的事故由电压跌落和瞬时供电中断造成。 1 2 3 2 谐波 谐波产生的原因是系统中存在非线性负荷。从谐波的危害对象来分可以分为 三类：对电力系统的危害、对电力用户的危害以及对通讯系统的干扰。谐波对电 力系统的危害有：增加了系统损耗，谐波会在输电线路和变压器上引起附加损耗， 使网损增大，同时为提高供电的可靠性，还会为此增加设备的预留裕度，从而降 低了系统的输送能力和经济效益；造成输电设备的损坏；造成继电保护误动和自 动装置失灵。1 9 9 3 年2 月河南信阳及驻马店地区发生过由于谐波引起的2 2 0 k v 线 路相差高频保护误动跳闸，造成大面积停电的严重事故。谐波对用户的危害主要 包括：一方面使机械加工工业和精密制造业的加工精度达不到要求，造成产品质 4 山东大学硕士学位论文 量不合格，带来资源浪费，影响生产的连续性，给企业和社会造成损失；另一方 面，谐波还可能会引起局部的并联或串联谐振，形成局部过电压，造成负荷的绝 缘损坏或过流。谐波还会影响通讯质量，导致数据丢失，使通讯线路不能使用。 1 2 - 3 3 三相不对称 根据产生原因的不同，电力系统的不对称可以分为事故性的不对称和正常性 不对称两大类。事故性的不对称是由于三相系统中某一相或两相出现故障。这种 不对称工况是系统运行不允许的，一般由继电保护、自动装置动作切除故障后在 短期内使系统恢复正常。正常性三相不对称的产生既有设计方面的原因，如单相 电气设备三相分布的严重不对称；也有存在大容量单相负荷的客观原因，如单相 电力机车、电弧炉等。负序和零序分量的存在会对电力系统和用电设备的运行产 生的影响主要有：在发电机内引起附加损耗，造成转子温度升高，并使其容量利 用率下降；此外，由于负序气隙旋转磁场与正序气隙旋转磁场相互作用产生1 0 0 h z 交变磁转矩将引起转子和定子铁芯振动，严重情况下还可能引起超同步谐振， 影响发电机的正常运行；在输电线上产生附加损耗，并引起某一相线路过负荷； 使变压器附加损耗增加，并使负荷较大的一相绕组过热导致其寿命缩短；导致以 负序分量为启动信号的多种保护装置发生误动作；导致感应或同步电动机附加损 耗增加，电动机的最大转矩和过载能力降低，此外，正、反转磁场相互作用建立 的脉动转矩还将引起感应电动机的振动；对直流输电的换流器来说，三相不对称 不仅会增加控制的困难，还会导致非特征谐波的产生：零序电流的存在会对邻近 的通信线路产生很强的干扰。 1 2 3 4 电压波动和闪变 电压波动的主要影响是引起白炽灯等照明设备、电视机等显示设备的闪烁 现象。电弧炉和轧钢机等大容量冲击性负荷的存在是引起电压波动和闪变的根 本原因。 此外，大容量负荷或发电机的投切以及控制设备不完善都有可能引起频率 偏差，系统频率的过大变动将会影响异步电动机的正常工作。 5 山东大学硕士学位论文 1 2 4 电能质量问题的补偿 1 2 4 1c u s t o mp o w e r 技术 针对日益严重的电能质量问题，各国都在开展改善电能质量这方面的研究。 美国电力科学研究院的n g h i n g o r a n i 博士于1 9 8 8 年率先提出了“用户电力” ( c u s t o mp o w e r ) 的概念【6 】，“用户电力技术 已成为当今世界各国研究的一 个热门课题，目前，在美国、欧洲以及东南亚的新加坡，已经有多种类型的装 置投入了实际运行7 , 8 1 。在我国，已有清华大学、西安交通大学、浙江大学等高 校开展了这方面的研究。 1 2 4 2 提高电能质量的方法 通常有两种方法来提高电能质量，第一种是改善负荷特性，降低用户设备对 电能质量的敏感程度，使具有更高的抗扰动的能力；第二种方法就是加装补偿装 置，来抵消系统中的干扰，使用户侧得到不受扰动的电能。第二种方法被广泛的 采用，除了传统的并联电容器、有载调压变压器、同步调相机等外，还有许多新 兴的基于现代电力电子技术的补偿装置，这些新兴装置的研究与应用就是 c u s t o mp o w e r 技术中的主要内容。 1 2 4 3 电能质量补偿设备的种类与功能 电能质量补偿装置的目的就是使用户侧的电压，在系统发生扰动时，能够保 持一个正弦的、平衡的、幅值稳定的电压波形。因此补偿装置要消除电压跌落、 中断、骤升、谐波、脉冲、不平衡、闪变等扰动。对于某些非线性负荷还要能够 消除谐波电流，补偿负载无功以及平衡负荷。 电力电子设备由于其快速的响应特性，它所构成的补偿装置一般用来消除动 态的扰动；传统的设备，如投切电容可用在稳态补偿的场合。 下面介绍几种已有的电能质量补偿装置： i ) 静止无功补偿器( s v c ) ： 现在使用s v c 主要有两种：晶闸管可控电抗器( t c r ) 和晶闸管投切电容 器( t s c ) 。s v c 克服了采用并联电容器进行无功补偿会引起谐振的缺点，但是 6 山东大学硕士学位论文 进行无功补偿的同时，s v c 会产生谐波电流，要安装并联滤波器。 2 ) 高级静止无功补偿器( a s v c 或s t a t c o m ) ： s t a t c m 比s v c 有着更好的实时补偿性能、更高的无功输出能力，可以有效、 灵活的调节电压，抑制电压闪变。容量从几m v a 至几百m v a ，具有较高的性价 比。 3 ) 有源滤波器( a p f ) ； 有源滤波器是基于p w m 控制技术的逆变器，它分为串联型和并联型两种。 串联型有源滤波器串联在线路中，相当于一个受控电压源，补偿电压跌落、谐波、 不平衡、瞬态等电压扰动。并联型有源滤波器与负载并联，作为一个受控的电流 源，消除电流谐波、提供无功补偿、平衡负荷。现在并联型的有源滤波器应用的 较多。 4 ) 统一电能质量补偿器( u p q c ) ： 将并联型有源滤波器和串联型有源滤波器结合起来，吸取它们的优点，能够 同时补偿电压扰动、电流扰动和无功。 5 ) 动态电压恢复器( d v r ) ： d v r 是目前最有前途的消除电压扰动的一种补偿设备。它和串联型有源滤 波器类似，串联接在线路与负载中间，补偿系统中的电压扰动，使负荷侧维持一 个正弦的平衡的、幅值稳定的电压波形。d v r 具有专用的储能元件，其能量可 以事先储存好，或是由另外的整流桥进行充电。其容量可以从几十k v a 到几百 m v a 。 6 ) 不间断电源( u p s ) ： 现在使用最广泛的一种补偿设备，它可以保持负荷电压为标准的正弦波形， u p s 还可以消除短时停电对负荷产生的影响，它的容量较小1 k v a 到1 m v a ，成 本较高。 7 ) 蓄电池储能系统( b e s s ) 和超导体磁能量储存系统( s m e s ) ： 它们都含有储能元件，可以消除系统电压扰动，在瞬时供电中断时也可以 维持负荷的电压恒定。但因为它们容量不易做大，且费用很高，应用前景不大。 7 山东大学硕士学位论文 1 。3 本文主要研究对象 在各种电能质量问题中，电压跌落已被认为是影响许多用电设备正常、安全 运行的最严重的动态电能质量问题，据统计，因电压跌落而引起的事故次数大约 是因完全供电中断而引起的事故次数的1 0 倍。8 0 以上的电能质量问题都是由电 压跌落引起的。而且随着工业技术的不断发展，诸如电弧炉、轧钢机、电力机车 及电焊机等大功率的冲击性负荷大量接入电网，使得某些供电系统的电压波动达 到了不能容忍的程度。 据欧洲某电力部门的调查结果表明：在由电能质量引起的用户投诉中，由电 压跌落引起的投诉占8 0 以上，而由谐波、开关操作过电压等引起的投诉不到 2 0 。电压跌落和瞬时中断已被认为是影响许多用电设备正常、安全运行的最严 重的动态电能质量问题，所以解决电压跌落是解决电能质量问题的首要问题。因 此，本论文主要研究电能质量问题中的电压跌落现象。 1 4 本文的主要工作 本文的后续章节主要做了如下工作： 1 ) 对电压跌落的有关问题作系统的描述，这些是：电压跌落的定义及其特 征；电压跌落产生原因；电压跌落的危害；电压跌落问题的控制措施与方法；电 压跌落控制技术的发展趋势；电压跌落的研究现状；目前电压跌落源定位的方法。 2 ) 基于增益阻抗理论，提出一种新的电压跌落源定位方法。并通过最小二 乘法和霍夫变换对该定位方法进行改进，以提高该定位方法精确度。 3 ) 通过m a t l a b 搭建系统电压跌落仿真模型，对提出的定位方法进行仿真， 结果表明该方法能正确地定位电压跌落源。 4 ) 对本文中主要内容进行简要总结。 8 山东大学硕士学位论文 第二章电压跌落概述 由于以往的绝大多数设备对于电压的短时突然变化不敏感，因此电压跌落问 题并未引起广泛关注。随着用电设备的技术更新，许多精密设备或仪器广泛被使 用，如商业或工业程控电脑( p c ) 、电磁接点( a cc o n t a c t o r ) 、可调速控制设 备( a d j u s t a b l es p e e dd r i v e ，a s d ) 、可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r , p l c ) 及用于照明的高压气体放电灯( h i g hi n t e n s i t yd i s c h a r g el a m p ， h i d ) 等，这些设备使得高科技产业用户对电能质量的要求较传统产业严格许多。 再加上电子半导体技术的进步，绝大多数电力用户的负载已经高度自动化，使得 高科技产业的过程生产对于短时电压变动更加敏感。 2 1 电压跌落的定义 电压跌落是影响电能质量的一个重要问题。1 9 8 9 年欧洲共同体制定了关于电 能的全面标准。于1 9 9 2 年欧洲电工标准化委员会( c e n e l e c ) 正式颁布了公 共配电系统供电特性文件，作为欧洲对电能的统一标准，并已被国际电工委员会 ( i e c ) 采用，其中就有关于电压跌落的规定。随着电压跌落问题在电能质量诸多 问题中的日益突出，很有必要对电压跌落问题做一个比较深入全面的探讨。由于 国际上对电压跌落问题的关注时间比较晚，目前尚没统一的定义。根据国际电气 与电子工程师协会( i e e e ) 的定义，电压跌落指电力系统中工频电压有效值迅 速下降到额定值的1 0 一9 0 ，持续时间为1 0 m s 至l j 几秒钟：i e c 标准对电压跌落的 定义则是：电力系统中工频电压有效值迅速下降到额定值的1 一9 0 ，持续时间 为1 0 m s 至l j l m i n 。图2 1 为典型的电压跌落波形图。 图2 i 典型电压跌落波形 9 山东大学硕士学位论文 2 2 电压跌落的影响 般而言，电压瞬时中断和电压跌落对于普通用户的影响是比较小的。但 由上述相关标准知，不同的设备用户对于电压骤降的敏感度是不同的。其敏感 度会随着设备的类型、生产厂家甚至同一厂家的不同生产批次而不同。其危害 主要体现在下面几个方面【9 】： 1 ) 电压跌落对人们的同常生活的影响 电压跌落对人们的日常生活有很大的影响。如美国商业周刊的一名编辑 被困在电梯内长达4 0 个小时，以心理和身体受严重伤害为由向有关部门提出索赔 2 5 0 0 万美元的要求1 们。此次电梯故障是因供电系统突然降压1 s 造成的。 2 ) 电压跌落对信息业的影响 电压跌落可使计算机及电子设备的硬件或软件运行发生错误，或使设备的低 压保护或快速过流保护动作而使设备电源跳闸、导致设备断电而彻底停止运行。 据估计8 0 服务器出现瘫痪以及用户端4 5 左右数据丢失和“出错 ，均与电压 跌落有关【l l 】。 3 ) 电压跌落对大型敏感工业用户造成的危害 表2 1 是电压跌落对敏感工业用户造成危害的结果 表2 1 电压跌落对敏感= 业用户造成危害的结果 4 ) 电压跌落对现代社会广泛应用的电子设备的影响 a 、由机器人控制对金属部件进行钻、切割等精密加工的机械工具，为保证 产品质量和安全，工作电压门槛值一般设为9 0 u ，当电压低于此值，持续时 1 0 山东大学硕士学位论文 间超过2 3 个周期时跳闸。 b 、对交流接触器的影响：有的研究表明当电压低于5 0 u ，持续时间超 过1 个周期时，接触器就会脱扣；而有的研究表明当电压低于7 0 u ，甚至更高， 接触器就会脱扣。 c 、对可编程控制器( p l c ) 的影响：早期的产品，当电压低于l o u 时， 仍能持续工作1 5 个周期；新版产品，当电压低于5 0 u 时，p l c 停止工作；一 些i o 设备，当电压低于9 0 u ，持续时间仅几个周期，就会停止工作。 2 3 引起电压跌落的原因 引起电压跌落的根本原因是线路故障或大型感性负荷启动引起短时线路电 流突然增大几倍甚至几十倍的额定电流【1 2 】，导致邻近变压器电压和公共联接点 ( p c c ) 电压，甚至发电机端电压短时下降。电压跌落的发生是随机的，监测点 附近的电动机启动、故障均能引起电压跌落，几百公里远的输电线路故障也能引 起电压跌落。 2 3 。1 线路故障引起的电压跌落 线路故障是引起系统中电压跌落的主要原因，它通常由雷电、大风、雨雪等 天气因素造成，动物或树枝搭接线路、绝缘差、工程运输活动等也会引起线路故 障。故障类型可分为单相、两相、三相接地和两相、三相短路，不同的故障类型 会导致不同的三相电压跌落。检测点的电压跌落幅值不但受故障类型的影响，而 且也受到变压器接线方式、故障点位置、故障阻抗大小的影响【l 川。配电网或工 厂内部发生的故障一般只在本条支路及邻近支路产生电压跌落，而发生在输电线 路上的故障则会引起较大范围的电压跌落。跌落电压波形中的陡降处对应故障的 发生，而回升电压对应故障自消除或被保护装置的切除，因此，故障引起电压跌 落的持续时间基本和保护装置发现并清除故障时间一致。故障引起的跌落电压波 形的典型特征为：电压跌落发生和恢复波形陡；故障期间可有多级电压跌落；突 变信号间的电压幅值基本不变；不同的故障类型会引起不同的三相电压电压跌落 山东大学硕士学位论文 程度和相角变化。此外，故障时线路电流陡增，随后设备保护动作，这样的设备 故障所引起的跌落电压波形也和线路故障引起的电压跌落波形相似。 2 3 2 变压器投运引起的电压跌落 变压器在投运时，由于铁心饱和特性，会在送电端产生数倍于额定电流的涌 流，其大小和变压器投运时j 下弦电压的初相角及铁心剩磁有关。初相角为o o 时 产生最大的涌流，此时电压跌落程度也最深；相角为9 0 0 时，则不会产生涌流。 由于变压器投运时三相的初相角始终互差1 2 0 0 ，因此，变压器投运引起的电压跌 落总是三相不平衡。线圈铜损导致跌落电压的恢复是个渐变过程，小型变压器的 电阻较大，电抗较小，约几个周期就达到稳态；而大型变压器由于电阻较小，电 抗较大，因此一般需要几十个周期才能达到稳态【1 4 1 。三相电压跌落程度是不同 的，变压器投运前后系统电压有轻微跌落。基于上述分析可以得到变压器投运引 起的跌落电压波形特征：三相电压跌落程度不同；跌落电压逐渐恢复，无突变； 跌落电压波形中含有高次谐波。 2 3 。3 三相感应电机启动引起的电压跌落 感应电动机是电网中的重要负荷，它在启动时会引起附近区域的电压跌落。 感应电动机启动时，初始转子转速为0 ，定子上产生很大的启动电流，启动电 流大小取决于电动机的类型和启动方式，一般是正常工作电流的2 8 倍【1 4 1 。启 动电流大是引起电压跌落的根本原因，但它并不是电压跌落程度的决定因素。 电动机启动容量和上级变压器的剩余容量以及局部电网容量共同决定了电压跌 落程度。如果电动机启动容量接近上级变压器剩余容量，则会引起较大的电压 跌落，并对其它用电负荷造成影响，否则电压跌落程度轻微。转子初始转角对 电压跌落程度没有影响，且电动机是三相对称负荷，因此，三相感应电动机启 动时引起的三相电压跌落波形相同。线圈铜损和转子转速逐渐升高，引起启动 电流逐渐衰减，因此，跌落电压恢复过程是缓慢的。感应电动机启动引起的电 压跌落波形具有以下特征：三相电压跌落相同：电压跌落达谷底后立刻恢复； 恢复过程是渐变的；相角基本不变。感应电动机启动所引起的电压跌落程度和 持续时间决定于电动机的固有延时和电磁特性及启动方式和所带的机械负荷大 1 2 山东大学硕士学位论文 小。三相同步电动机通常采用异步启动法启动，因此它在启动时也可能产生和 感应电动机同样的电压跌落。而直接启动的直流电动机也可能引起同感应电动 机启动时同样的电压跌落。 2 - 4 电压跌落特征参数 电压跌落一般可以用三个量来描述，即跌落幅值、持续时间和相角跃变。 1 ) 跌落幅值 跌落幅值可以反映电压下降的程度，是描述电压跌落的一个非常重要的参 数，经常用发生电压幅值跌落深度脚= 来表示。其中，u 阿指跌落前 的电压有效值；指电压跌落时的有效值，发生不对称电压跌落时，指电压基 波正序分量的有效值。由于电压的测量只能是对不同时刻的电压进行采样，因此 必须计算这些采样值才能得出电压幅值的大小。如果一个周波采1 0 0 点，在某一 时刻的计算值应该是和这一时刻前面的9 9 点采样值共同进行计算。由此可以看出 电压的有效值并不是立刻显示出电压的下降，而是由于前面若干个采样值的支 撑，所以在检测中电压的真实降落需要滞后一段时间才能显示出来。同理，电压 的回升也是这样。 2 ) 持续时间 电压跌落持续时间是指从电压有效值下降到一定的门阀值( 一般取9 0 ) 开始 到电压恢复到此门阀上所经历的时间。如果电压跌落是由于系统发生短路故障引 起的，那么这段时间通常受重合闸时间的影响，比故障的恢复时间要长一些。一 般说来，由输电线路发生故障引起的电压跌落持续时间要短得多，原因就是输电 线路上距离保护和差动保护用得比较多，保护动作时间和断路器的动作时间都 短。而配电线路的保护大部分都是过流保护，分段式过流保护更增加了故障切除 时间，导致电压跌落的持续时间增加。 3 ) 相角跃变 电压跌落不仅造成电压幅值的降落，同时可能造成相角的跃变。可以利用锁 相环技术获取这个跃变角。并不是所有的用电设备都会受到电压相角跃变的影 响，只有那些利用电压的相位来工作的设备容易受到干扰，例如利用电压的特定 1 3 山东大学硕士学位论文 相位来发出触发脉冲的电力电子装置等。 2 5 电压跌落的相关标准 在生产自动化程度日益完善的现代工业中，对电压跌落敏感的用电设备越来 越多。流水线中任一设备的作业中断都将可能导致整个流水线、甚至整个工厂作 业中断或者产生大量废品、次品，造成巨大的经济损失。制定相关的标准有利于 电压跌落问题的解决，所以i e c 和其他的一些协会对于设备测试和承受能力进行 了标准定制。 1 ) 设备测试方面的标准【| 5 】 i e c 6 1 0 0 4 1 1 规定对设备电压跌落方面的测试有两种，电压跌落和短暂停 电，其测试电压等级为0 、4 0 、7 0 ( 电压降大小为1 0 0 、6 0 、3 0 ) ，而测 试的持续时间以0 5 、1 、5 、1 0 、2 5 、5 0 周波为参考值，并将设备的测试反应结 果分成三种类型加以标准化。 2 )电压跌落的特性指标( i n d i c e s ) i e e e 成立工作组( i e e ep 1 5 6 4 ) 以制定电压跌落特性指标的实用计算方式， 但目前还没制定出电压跌落幅值和持续时间的计算方法；i e e e p l l 5 9 3 提议的电 压跌落的三个主要特性指标是：s a r f i ( s y s t e ma v e r a g er m s v a r i a t i o nf r e q u e n c y i n d e x ) 、电压跌落能量和电压跌落幅值持续时间表。文献 1 5 】对此进行了详细 的叙述。文献 1 6 】、【1 7 对这几个指标实际应用做了评估分析。 关于电压跌落特性，国内尚没有对应的标准。许多文献都提出了不同的电压 跌落特性指标，有文献还提出电压跌落严重性指标、相电压不平衡性指标、最低 相电压指标等表示电压跌落的传播特性。 考虑电压跌落的实时测量及实时补偿，公认用四个特征量来描述：即电压跌 落幅值，电压跌落持续时间，电压相角跳变，电压跌落频次。前三个指标通过测 量得到，后一个指标则需要对测量结果进行统计得到。 3 ) 设备承受能力的标准 目前有两种规范设备对电压跌落承受能力的标准，一个是信息技术工业委员 会( i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi n d u s t r yc o u n c i l ) 给出的电压可接受度曲线( i t i c 曲 线) ，该曲线由c b e m a 曲线( 由美国计算机制造商会( c b e m a ) 最早提出的 1 4 山东大学硕士学位论文 关于设备承受能力的标准) 演变而来，主要针对电脑和资料处理技术相关的设备， 应用的范围是单相1 2 0 2 4 0 v 的设备。如图2 2 所示，该曲线描述了用电设备承受 某种幅度、持续时间的电压骤升骤降的能力。目前该曲线己成为度量设备特性的 实用标准和对电压敏感设备标准化设计的指标，也是描述设备承受电压骤降能力 的指标之一。 电 压 变 化 值 ，- 、 百 分 比 时间( 秒) 图2 2i t i c 电压可接受度曲线 可以看到i t i c 曲线包括上限曲线和下限曲线两条曲线，位于上限曲线右上 方的区域为禁止运行区域( p r o h i b i t e dr e g i o n ) ，当设备运行于此区域时可能严 重烧毁设备。位于下限曲线右下方的区域为异常运行区域( n od a m a g er e g i o n ) ， 当设备运行于此区域时，不会对设备造成伤害，但是将引起设备的异常运动。 而位于两条曲线的中间区域才是设备的正常运行区域。 另一个标准是由半导体设备制造商国际组织提出的s e m i f 4 7 ( s e m i c o n d u c t o re q u i p m e n ta n dm a t e r i a l si n t e r n a t i o n a l ) 曲线。目标是提供半导体 产业制造设备的规范，引导半导体设备制造商在设备系统设计、制造上加以改良， 改善设备的某些元件、和系统的设计( 但不允许通过增加诸如i u p s 等类的储能装 置来改善) ，以增加设备的可靠度。目前该标准己经成为国际上半导体设备制造 商共同遵守的标准，如图2 3 所示。 1 5 山东大学硕士学位论文 电 压 比 例 、 s e m if 4 7 1u 2 0 0 椅仟口强 0 0 01 0 0 0 2 0 0 03 0 0 04 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 电压跌落持续时间( m s ) 图2 3s e m if 4 7 0 2 0 0 特性曲线 在s e m if 4 7 0 2 0 0 中规定半导体制程设备对电压跌落的耐受时间在电压为 5 0 标称值时为0 0 5 秒至0 2 秒、o 2 秒至0 5 秒间的容许电压为标称值之7 0 、0 5 秒至1 0 秒之容许电压为8 0 标称电压值。s e m if 4 7 的目的为，减少或消除用电 池储存装置，来达到电压突波消除的方法。即使电源系统完全故障，安全连动系 统也可以动作。显然，两个标准中后者比前者要求严格。 此外诸如f i p s f e d e r a li n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs t a n d a r d sp u b l i c a t i o n ( 联邦信息 处理标准出版物) 的行业标准也得以广泛使用。目f i j i e e e ，美国商务部( u s d e p a r t m e mo fc o m m e r c e ) 以及其他的一些大公司普遍采用美国商务部i t i ( c b e m a ) 曲线、s e m if 4 7 曲线。 2 6 电压跌落的研究现状 目前，电压跌落的研究范围己相当广泛和深入，其中主要有不同类型故障时 负荷所承受电压跌落的幅值与相位跳变、单相故障引起的电压跌落经过不同类型 变压器后的转化、电压跌落临界距离的评估、感应电机对单相故障和两相故障引 起的不平衡电压跌落的影响分析、电压跌落的对称分量分析、电压跌落对可调速 驱动的影响以及电压跌落的小波分析等。为了减少电压跌落对系统和用户产生的 不良影响，在系统中的特殊点处装设专门的电能监视装置，及时准确地检测出电 压跌落的发生情况，这就需要有实时准确的电压跌落源定位。准确的识别以及电 压跌落源位置的确定，不但有助于评估区域配电系统和选择合理的治理措施，而 且可以作为电力市场环境下