电能质量第四讲

第四章电压暂降与短时中断 四川大学电气信息学院肖先勇2011年4月 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 本章主要参考资料 1 四川大学硕士论文及这些同学发表的论文 马超陈武李皖陈卫东徐培栋李政光王希宝 2 国际上BollenMHJ MilanovicJV等研究团队的成果 3 我国大陆肖湘宁教授和我们学校等 我国台湾卢展南教授等所在研究团队的成果 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 第一节电压暂降现象与特征 1 电压暂降现象重合闸时故障线路 实线 和非故障线路 虚线 电压有效值 A 故障切除时间B 重合闸重合时间 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 电压暂降和短时间中断现象波形 如图 F1和F2接入同一配电母线 假设F2上发生三相金属性短路 则 V1c为F1上用户电压发生短时间暂降 V2c为F2上用户电压发生短时间电压暂降直至中断 1 电压暂降现象 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 如果发生瞬时性故障并重合闸成功 故障线路上的用户经历一次暂降和一次短时间中断 非故障线路经历一次暂降 如下图 1 电压暂降现象 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 若发生永久性故障 重合不成功 则故障线路用户经历两次暂降 一次短时间中断和一次长时间中断 非故障线路经历两次暂降 如下图 1 电压暂降现象 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 2 电压暂降的概念 1 电压暂降不同于电压波动或欠电压 是指母线电压有效值大幅 快速下降 持续时间极短的突发事件 2 IEC将其定义为下降到额定值的90 至1 IEEE将其定义为下降到额定值的90 至10 其典型持续时间为0 5 1min 瞬时值和有效值波形 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 3 电压暂降的特征 在电压暂降的分析中 常将暂降时的电压有效值与额定电压有效值的比值定义为暂降幅值 将暂降从发生到结束之间的时间定义为持续时间 将单位时间内 评估时通常一年 发生电压暂降的次数定义为暂降频次 0 20 40 60 80 100 电压RMS 暂降幅值 45 持续时间 5周波 时间 周波或s 主要电压暂降特征 其他特征量还有 波形点 相位及其跳变等 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 3 电压暂降特征 采用三维图形展示电压暂降典型特征 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 3 电压暂降的起因 引起电压严重暂降的主要原因是系统元件或线路故障 雷电等恶劣天气影响 特征 暂降幅度大 近乎矩形曲线 持续时间短 即故障在线时间 引起电压暂降的另一主要原因是重型负荷启动 特征 暂降幅度小 非规则矩形 持续时间长 线路短路 大型电机启动 就现象而言 电压暂降不是新问题 但由于其危害和影响十分突出 近年来成为了最重要的电能质量问题 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 4 电压短时中断 当电压有效值降低到接近于零时 称为电压中断 由于对 接近于零 的定义不同 概念有些区别 IEC定义 接近于零 为 低于标称电压的1 IEEE定义为 低于10 IEEEStd 1159 1995 电压中断还可按持续时间进一步分类 但原则尚未统一 IEC标准中 长时间中断 3分钟短时间中断 3分钟IEEEStd 1159 195 1分钟 1分钟由于故障自动恢复装置 重合闸和备自投装置 在系统中的应用 才出现了短时中断 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 5 电压暂降与短时中断的区别 电压暂降和短时电压中断一般是相伴发生的动态电压质量问题 共同点是 电压有效值短时下降 在分析和评估时 可将短时中断当作是特殊暂降 但又不同 一般 单一暂降事件的损失小于1min电压中断损失 大于1s短时中断损失 但由于暂降次数远大于中断次数 约6倍到600倍 因此 电压暂降损失远大于电压中断损失 成了最严重的电能质量问题 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 5 电压暂降与短时间中断的差异 电压中断一般只发生在故障线路上 而电压暂降则可能发生在较大范围内 如 可能由于数百公里外的输电系统故障引起 因此 电压暂降比电压中断更具有全局性 在采取抑制方措施面 为减少电压中断 一般仅需改造一个馈电系统 而为了减少暂降次数 往往需改造多个系统 甚至需改造远方输电系统 因此 解决电压暂降的困难更大 要求更高 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 本节作业 1 请查阅最新IEC和IEEE关于电压暂降 电压短时中断的定义 写出详细标准号 发布时间 发布单位 并分析存在不同定义的原因 2 请根据现有电力系统知识 分析一个系统内电压暂降与电压短时中断的严重程度存在什么差异 并分析影响电压暂降的因素 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 第二节短时中断监测与随机预估一般方法 短时电压中断是指线路由于故障或检修而被断路器断开 但在极短时间内又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 一 短时中断与长时中断的差异 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 短时中断与长时中断的差异 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 二 短时电压中断监测 与长时间电压中断不同 短时中断是在无法预知的情况下发生的 因此 检测需自动进行 对于短时电压中断 应在系统的所有分支回路或重要节点上装设必要的监测装置 与长时电压中断相同 短时中断检测的记录内容应包括日 年 电压中断频次等 并常按发生频次与持续时间之间的关系的形式给出结果 某典型短时压中断统计结果如下图 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 由上图还可计算出持续时间概率密度函数f r 和概率分布函数F t 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 三 电压短时中断次数的预估 对重要输配电线路的短时电压中断次数进行估计是很重要的研究内容 也是度量现代供电质量的重要内容 当架空线配电系统故障时 相邻非故障线路可能承受的电压暂降或电压中断 与自配置的动重合闸装置密切相关 因此 在随机预估配电系统中用户承受的短时中断次数前 必须准确掌握重合闸装置 熔断器等的安装位置 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 还需了解配电主馈线和分支线路的长度以及线路故障率等参数 这些都是影响评估结果的重要参数 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 例 评估下图0所示配电系统的电压中断次数 假设 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成功率为75 第二次成功率为故障数的10 因此 有15 的故障二次重合不成功 属于永久性故障 将导致长时间中断 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 第一步 重合闸过程分析 1 由于短路时过电流使线路保护动作 断路器瞬时断开 2 断路器断开时间为1s 在此期间 75 的故障会消除 3 断路器闭合 如果故障仍存在 过电流使断路器再次断开 这种情况占25 4 此次断路器断开时间为约5s 在此期间 10 的总故障数被消除 5 断路器再次闭合时间约1s 如果故障仍然存在 断路器保持闭合 直到分支线路上的熔断器动作 将故障分支线断开 6 熔断器熔断后 如果故障仍然未消失 断路器再第三次断开 并保持断路状态 直到人为恢复供电 此时整条主馈线路上的用户均承受长时间断电 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 第二步 配电馈线上的故障次数计算 馈线故障总次数为 11 0 1 22 0 25 6 6 次 年 每次故障都会引起电压暂降 且可能存在四种情况 1 持续时间为1s的短时电压中断 2 发生两次短时中断 一次为1s 一次为5s 3 发生两次短时中断 随之出现一次电压暂降 4 发生两次短时中断 随之出现一次长时间中断 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 由于预估该馈线上发生6 6次 年故障 所以 1 6 6 75 5 0次 年 为所有用户一次短时断电 2 6 6 10 0 7次 年 为所有用户二次短时断电 3 6 6 15 1 0次 年 为永久性故障 即用户将承受两次短时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 因此 由该馈线供电的每个用户所承受的短时电压中断次数相等 即持续时间1s的为5 0次 年 持续时间 1 5 s的为0 7次 年 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 长时电压中断次数则取决于故障发生位置 当主馈线上发生永久性故障时 所有用户都将长时中断 分支线路上发生永久性故障时 则仅有该分支线路上的用户承受长时中断 不同馈线的永久性故障次数为 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 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 不同馈线上 用户经受的长时电压中断次数为 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 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 如果没有配置重合闸装置 仅靠熔断器清除分支线上的故障 可能存在的长时电压中断次数为 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 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 在有重合闸和无重合闸装置的情况下 长时电压中断与短时中断次数的比较如下表 因此 负荷如果对长时中断敏感 显然应配置重合闸装置 因为这样会使长时中断减少85 如果负荷对短时中断和长时中断都敏感 最好不配置重合闸装置 这样断电的数比有重合闸装置时可减少1 2 1 5 但这需视具体而定 实际上 有的用户更愿意接受短时中断而不愿长时断电 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 本节作业 1 你认为短时中断和电压暂降的检测点该如何选择 如果要采用最少的检测装置来判定全网的短时中断和暂降情况 应解决哪些问题 2 请问本节介绍的短时中断次数估计方法为什么又可称为随机估计法 其随机性是如何体现出来的 或者说 在计算式中是通过哪个或哪些参数来体现的 并请思考 在实际中还有哪些因素会影响评估结果 这些因素的物理和数学意义如何 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 第三节电压暂降随机估计 一 辐射形配电系统暂降幅值与临界距离 简单辐射形配电系统如下图 如果忽略负荷电流 并假设电源电压Us 1p u 则故障引起的PCC点以及负荷端的电压暂降幅值如下 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 当系统与线路的阻抗均为复数时 故障引起的PCC点电压暂降幅值为 其中 Zs Rs jXs 为PCC点的系统阻抗 ZF r jx l 为故障点与PCC点之间的线路阻抗 l为故障点与PCC点之间的距离 z r jx为单位长度线路阻抗 可以证明 复阻抗时的临界距离lcrit为 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 上式中 Zs Rs jXs z r jx a为系统阻抗与线路阻抗在复平面上夹角 即阻抗角 假设系统和线路的X R值相等 则a 0 尽管这些假设并不一定总成立 但在多数情况下 这样计算是可以得到较满意的结果的 特别是在没有足够数据来计算阻抗角的情况下 这些假设是有意义的 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 下图给出某条11kv架空线路不同a角时 临界距离与临界电压之间的关系曲线 其中 系统阻抗为0 663p u 线路阻抗为0 278p u km 可见 只有当阻抗角较大时 采用简单方式的计算所得结果的误差才较大 一般情况下 简化是可以接受的 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 当阻抗角较大时 按下式进行计算 即可得到较精确的临界距离 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 二 非辐射形配电系统暂降幅值与临界距离 上述暂降幅值与临界距离确定法 仅适用于辐射形网络的配电系统 用于非辐射形配电系统时 需进行一些修正 以下图中带有本地发电机组的配电系统为例 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 负荷端的电压暂降幅值由下式确定 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 令Z2 z l 临界电压为U 可得临界距离为 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 例 如图132kV环网配电系统 132kV供电变电所的短路容量为5000MVA 提供给敏感性负荷用电的变电所到132kV供电变压所的线路长度分别为25km和100km 单位长度线路阻抗为z 0 3W km 请画出在两线路不同地点发生故障时负荷母线电压暂降幅值曲线 132kV环网配电系统 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 解 可求出系统阻抗 当25km线路上发生故障时 100km线路上发生故障时 可得 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 下图给出了用标么值表示的负荷母线电压暂降幅值与两条线路不同位置故障时的关系 图中上面的曲线 虚线 对应于100km线路情况 下面的曲线 实线 对应于25km线路情况 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 下图给出了按故障点与132kV主母线之间的距离表示的电压暂降幅值与两条线路不同点故障时的关系曲线 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 三 电压暂降域法 临界距离描述了PCC电压降低到等于临界电压时故障点与PCC间的距离 当故障发生在PCC与临界点之间时 PCC处的敏感性负荷将受到较严重的电压暂降影响 系统故障会引起母线处发生电压暂降 敏感负荷总是在给定母线处接入系统 因此 所关心的特定敏感负荷接入母线处所发生的电压暂降 如果会导致该敏感负荷不能正常工作 这些故障点所在区域就可定义为该敏感负荷对应的电压暂降域 从而提出电压暂降评估的暂降域法 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 根据定义 在暂降域内故障所引起的电压暂降 将使所关心的敏感负荷不能正常工作 在暂降域以外的故障引起的电压暂降 不会影响所关心的敏感性负荷正常工作 显然 暂降域可用临界距离法来确定 将敏感负荷所在母线的所有馈线上与设定临界电压对应的各临界距离点全部包括进来 就可得与所设定临界电压对应的暂降域 下图以IEEERBTS的母线4为例 给出了临界电压分别为额定电压的30 50 70 80 和90 时所对应的暂降域 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 用临界距离法确定暂降域 计算简单 但缺点是仅考虑了电压暂降幅值的影响 未考虑暂降持续时间等特征量对暂降域的影响 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 四 基于最大熵原理的电压暂降随机评估 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 3 最大熵模型 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 6 暂降频次随机评估过程 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 8 基于最大熵的设备敏感度随机评估过程 2011 03 28 四川大学电气工程及其自动化专业2011年用 本节作业 1 现有电压暂降随机评估方法有哪些 其随机性是如何表现出来的 各自的适用范围如何 2 影响母线电压暂降的因素有哪些 这些因素在