电压暂降实验报告.doc

完美WORD格式 电压暂降对敏感用电设备的影响及其抑制方法一、 实验目的1、 通过对实验电压暂降对敏感用电设备（PC机）的影响的观察来加深对电压暂降定义的理解。2、 了解暂降幅值、暂降时间以及暂降波形等各个因素对敏感用电设备的影响。3、 掌握电压暂降产生的基本概念及影响因素。4、 了解电压暂降对敏感用电设备在不同运行情况（例如PC机CPU利用率分别在0%和100%）下的影响5、 思考如何减小电压暂降对敏感用电设备的影响。二、 实验原理：1、引起电压暂降的主要原因电压暂降产生的原因涉及电力系统和用户两方面。系统方面的原因，如当输配电系统中发生短路故障、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，系统发生瞬时短路故障是电压瞬间跌落发生的主要原因，短路故障可能引起较为严重的电压暂降。而用户的原因包括用户内部短路以及大型感应电机的起动，电弧炉、轧钢机等冲击性负荷的投运等。电力系统发生瞬时短路故障是电压瞬间跌落发生的主要原因，短路故障可能引起较为严重的电压暂降，影响工业生产中对电压敏感的电气设备，造成严重的经济损失。短路故障通常包括单相与地、两相或多相之间或与地经阻抗或直接连接形成短路。在故障点，电压幅值可能降到很低的水平，在一定区域内，常常造成一些用户的电压发生暂降。如果故障发生在系统的辐射方式配电区域，保护动作将导致供电中断；如果设备与故障发生地点距离较远，则短路故障可能只造成电压暂降；如果故障严重到一定程度，用电设备将会跳闸。当然，不只是短路故障会导致设备跳闸，其他一些事件，如：电容器投切、大容量电动机起动等负荷冲击也可能造成电压暂降，导致用电设备跳闸。如变电站某条出线若发生短路故障，保护装置动作将其隔离，与此变电站相连的其他线路将经受一次电压暂降，这种电压暂降占到总数的70%以上。雷击也是造成系统电压暂降的另一主要原因。这在落雷较多的地区尤为明显，雷击时造成的绝缘子闪络或对地放电会使保护装置动作，从而导致供电电压暂降。总体而言，短路故障、感应电动机起动和雷击引起的电压暂降是最主要原因。2、电压暂降抗扰性分析开关电源的恒输入功率特性( 负输入阻抗特性) 使得其电压暂降抗扰性特别强壮, 线路电压降低时, 输入电流自动升高以维持输出电压( 功率) 不变, 以保证负载正常工作。反之亦然。极宽的输入电压范围这一特殊优点,使开关电源成了对付电压暂降的“专家”。当然, 线路电压暂降太多( 电压过低) 时, 过高的输入电流成了损坏电源的潜在危险。3、电压暂降性能实验中经电压暂降仪给微机供电, 按30%-70%电压降落计算,可知，开启微机正常工作, 逐步增大短时中断时间, 至微机死机。可知, 增大滤波电容值可明显提高微机对短时中断的抗扰性。微机开关电源有时在高达30% 的电压降落下仍能使微机正常工作。面对增大滤波贮能电容后开机浪涌电流增大问题, 已有现成的解决措施, 即在整流电路中串接负温度系数热敏电阻或串接开机限流电阻, 待稳定后再用双向可控硅将其短接。另外, 也应考虑适 当增大整流电路电流设计裕量。关机后数百毫秒内贮能电压下降较快, 之后却缓慢下降。这是因为前数百毫秒贮能电压还够维持变换器工作, 负载继续工作耗电( 随C 大小可看出维持长短) 。贮能电压降至100 V 以下后, 开关变换器停振, 开关管截止, 整流管反向截止, 由并接于滤波电容上的高阻值电阻泄放电能,电压呈缓慢下降。这种特性对使用热敏电阻限制开机浪涌的方案较为不利。众所周知, 负温度系数热敏电阻常温下电阻较高, 可有效限制开机电流, 开机后电流自加热使热敏电阻温度上升, 阻值迅速下降, 使正常运行功耗很小。可是关机后, 滤波电压迅速降至100 V以下, 而热敏电阻温度下降却较慢( 热时间常数10 S 以上) , 又由于热敏电阻温度 阻值的非线性, 电阻值回升更慢, 导致关机后又马上开机其浪涌电流仍然很大, 照样可能损坏机器。而采用串接限流电阻并由双向可控硅短接方案就相对保险多了, 只是电路较热敏电阻复杂一些。4、电压暂降对敏感用电设备的影响在许多发达国家，电压暂降已成为影响各大工商业用户的最主要的电能质量问题。实际上，对于电力系统中的许多故障，当保护装置跳闸切断给某一用户供电的线路时，其相邻线路上都将发生不同程度的电压暂降。因此，电压暂降发生的次数远比电压中断发生的次数多。如果用电设备对电压暂降很敏感，则由电压暂降带来的问题的次数将显著增加。和停电不同，电压暂降是不可预测的随机事件。对某一用户来说，一次电压暂降带来的危害可能不如一次中断带来的危害大，但由于暂降发生次数较为频繁，从总体上看，电压暂降所带来的影响和损失会是巨大的。所以，了解关键用电设备对电压暂降的敏感程度如何，对用户来说也是非常重要的。电力系统短路故障会引起系统远端供电电压较为严重的跌落，影响工业生产过程中对电压敏感的电气设备（例如电力电子设备等）的正常工作，甚至造成严重的经济损失。随着经济的快速发展，复杂电力电子设备在各用电部门中得到了广泛应用，这些设备中有很多对短时间的电压变化较为敏感。据调查，短时电压暂降就可引起计算机系统紊乱（幅值下降大于10%，持续时间大于0.1s）、调速设备跳闸（幅值下降大于15%，持续时间0.5 周波）以及机电设备误操作等。电压暂降问题是使这些设备不能正常工作的主要原因。严重的电压暂降，将使用电设备停止工作，或引起所生产产品质量下降。而电压暂降影响的严重性则随用电设备的特性而异。一般而言，工业过程设备对电压暂降特别敏感，因为设备内任何一个元件由于电源出现问题都会使整个流程停止运转。这些工业过程涉及塑料、石化、纺织、造纸、半导体以及橡胶等领域。例如，在许多用电装置中广泛采用的电子芯片检测器，在发生电压暂降之后，其重新启动通常需要30min 或更长时间，从而影响装置的正常运行。三、 实验步骤及实验装置实验装置：信号发生源功率放大器电脑（CPU）1.研究不同的暂降时间、暂降幅值情况下对电脑的影响：电压暂降波形相同，暂降电压下降时间t1=0.01s，上升时间t2=0.01s；CPU利用率为0，类似空载的情况。假设Uzj表示暂降后的电压幅值，U表示暂降前的正常工作电压，t表示暂降时间。电压暂降对电脑的影响Uzj/U30405070t(单位:s)0.2死机正常正常正常0.3死机死机正常正常0.5死机死机死机正常2. 研究不同的CPU使用率情况下电压暂降对电脑的影响：电压暂降对电脑的影响t=0.5sUzj/U=50CPU使用率0（空载）正常100（满负荷）死机3. 研究不同的电压暂降波形对电脑的影响电压暂降对电脑的影响t=0.5sUzj/U=50电压暂降波形t1=t2=0.01s死机t1=t2=0.0001s）正常注：因为实验室电压波动及实验仪器精度的限制等原因，相同情况下所得实验结果可能不同。四.实验仪器1、计算机一台2、DL750示波器一个3、HVP4070B功率放大器一台4、FLUKE 6100A 信号发生器一台五、实验分析：从以上的表格记录的结果，可以知道电压暂降可以对设备的敏感度造成影响，这不但与电压暂降的幅值有关，而且和暂降持续时间及暂降电压的波形也有关。电压暂降的幅值越厉害，暂降持续时间越长，对设备的敏感度影响就越大。此外，计算机CPU的使用率也会影响电压暂降对设备的敏感度。六、实验总结：1、电压暂降产生的原因 生的原因涉及电力系统和用户两方面。系统方面的原因，如当输配电系统中发生短路故障、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，系统发生瞬时短路故障是电压瞬间跌落发生的主要原因，短路故障可能引起较为严重的电压暂降。而用户的原因包括用户内部短路以及大型感应电机的起动，电弧炉、轧钢机等冲击性负荷的投运等。电力系统发生瞬时短路故障是电压瞬间跌落发生的主要原因，短路故障可能引起较为严重的电压暂降，影响工业生产中对电压敏感的电气设备，造成严重的经济损失。短路故障通常包括单相与地、两相或多相之间或与地经阻抗或直接连接形成短路。在故障点，电压幅值可能降到很低的水平，在一定区域内，常常造成一些用户的电压发生暂降。雷击也是造成系统电压暂降的另一主要原因。这在落雷较多的地区尤为明显，雷击时造成的绝缘子闪络或对地放电会使保护装置动作，从而导致供电电压暂降。总体而言，短路故障、感应电动机起动和雷击引起的电压暂降是最主要原因。2、暂降对设备的危害危害有哪些 电压暂降是电压的减少，这种电压的减少会降低系统的输电能力。由故障引起的欠电压会减少发电机向电动机传输的电能量，引起电动机减速，发电机加速。这种现象会限制输电系统的故障切除时间。如果电动机启动引起的电压暂降会使相邻电动机减速(或者发电机加速)，这种电压暂降同样也需要关注。许多现代电子装置如计算机、程控器、可调速机车等，电压下降到低于85额定电压值。并持续40ms以上时就会出现运行问题。通常这些敏感设备都是通过一个将交流转换为直流的整流器与电力系统相连，然后再把直流电压转换为实际应用电压。整流器交流侧的电压暂降会导致直流电压的快速下降，继而影响应用电压。另一个问题是电压暂降后的电压恢复所带来的大量电流涌人。会给整流器元件带来损伤。对三相整流器来说。短时电压暂降就可引起计算机系统紊乱（幅值下降大于10%，持续时间大于0.1s）、调速设备跳闸（幅值下降大于15%，持续时间0.5 周波）以及机电设备误操作等我们还得考虑整流器不平衡电流和直流电压波动所带来的影响。电压暂降还伴随有电压相位的突然改变, 其原因是由于电力系统和线路的电抗与电阻的比值不同, 或不平衡供电电压凹陷向低压系统传递引起的, 相位跳变对那些利用相角工作的设备有比较大的影响。3、电能质量监测系统 传统的电能质量监测设备是基于有效值理论的监测技术,由于时间窗太长,仅测有效值已不能精确描述实际的电能质量问题,无法监测电压暂降等暂态电能质量问题。用于电压暂降等暂态电能质量问题的监测系统必须具备以下条件: 能捕捉瞬时干扰的波形; 能同时测量三相电压、电流; 采样速率足够高; 有效的分析系统,以反映各种电能质量问题的特征及其随时间的变化规律。4、电压暂降的抑制措施 电压暂降的优化解决方案要考虑许多因素，包括期望的系统性能、电能质量变化特征(电压骤降幅度、时间等)、用电设备的敏感度、用电系统设备的大小、环境考虑、维护要求等。对引起设备跳闸的电压暂降必须进行抑制。以下是对一些抑制方法的介绍口：(1)减少故障次数：这包括一些常见的方法：剪树作业，架设屏蔽导线，架空线入地等。因为大部分严重的电压暂降都是由故障引起。所以这种方法可以直接降低电压暂降的发生频度。(2)快速切除故障：这需要对保护技术加以改进，在配电网中较易获得明显的改善，而在输电网中故障切除时间已经很短。需要断路器和继电器的进一步更新换透代才行。(3)电网设计和运行的改进：对电网进行改进使发生故障时在某一特定地点不发生严重的电压暂降。这种方法在工业电力系统的设计中经常使用，而一般不在公用供电中使用。可行方法有：限制同一供电母线上的架空馈线数、关键位置处装设电源等。快速转换开关的使用也可以看成是一个基于电网的解决方法。(4)在供电网络与用户设备之间装设缓解设备：应用最普遍的缓解电压暂降的方法就是在系统和敏感负荷之间装设UPS或者恒压调压器。对大负荷来说采用动态电压恢复器DVR是一个可行的解决方法。 目前，研制出的用于抑制电压暂降装置主要有以下几种：(1) 动态电压恢复器(DVR)。DVR是一种非常有效的串联补偿装置，它通过串联变压器在馈线上以电压方式向配电系统注入补偿电压，用于消除电压骤降对负荷的不良影响。其响应速度在几毫秒以内。DVR与配电系统问在预设范围之内的有功、无功双向交换是通过控制注入电压分量的幅值和相位来实现的。因此，快速准确地检测出电压骤降幅度和相位跳变是DVR的关键所在。根据电压相位的不同，DVR控制分为同相电压补偿控制和最小能量补偿控制。(2) 静止无功发生器(DSTATCOM)。DSTATCOM又称并联型动态电压恢复器，能有效防止非线性负荷的快速无功电流变化所引起的电压闪络和电压骤降对配电系统的影响。它采用电力电子器件构成的自换相变流器，能与配电系统进行无功功率的交换。当逆变器基波电压比交流电源电压高时，逆变器就会产生一个超前无功电流；反之，当逆变器基波电压比交流电源电压低时，就会产生一个滞后无功电流，可以实现双向调节。(3)统一电能质量控制器(UPQC)。UPQC的主电路由一串联逆变器和一并联逆变器组成，两者通过电容耦合。并联逆变器采用PWM电流控制技术，串联逆变器采用PWM电压控制技术。该装置综合了串联补偿器和并联补偿器的优点，能解决绝大多数短时暂态电能质量问题。（4）固态断路器(SSCB)和固态切换开关(SSTS)。SSCB和J用晶闸管动作速度快和无触点的特点，实现组合开关的快速无电弧投切，故可有效抑制电网电压的跌落和大故障电流带来的一系列危险后果。而固态切换开关(SSTS)用于对电源电压波动非常敏感的用户供电上，当电源电压波动过大时，在14周波内就可实现电源转换以保证重要用户的可靠供电。(5)超导磁能(SMES)。SMES由超导线圈和与电网连接的大功率电力电子设备两个主要部分以及冷却系统和控制管理系统两个辅助部分组成，以并联方式和电网连接，其工作原理是将电网提供的交流电转换成直流电后利用超导线圈以磁能的形式储存起来，在电压骤降时再将储存的磁能转变为电能送回电网，返回效率极大，响应速度极快。(6)动态电压跌落矫正器(DSC)。DSC配有一个只在发生电压骤降时才投入使用的旁路开关，其投入有效率可达95，可补偿的电压幅值为50，可补偿时间为2秒以上，能很好地抑制电压骤降。(7)双路供电集成电源装置(IPS)。该装置是华北电力大学电能质量研究所课题组在双路或多路供电基础的基础上，提出的一种全新的电路拓扑结构，即基于双路供电的集成电源(Integrated PowerSupply缩写为IPS)。该装置可以在一定程度上解决双路供电电压暂降问题，实现了主、备用电源之间的无缝切换。另外，该装置还可以根据现场的实际情况进行灵活使用，合理利用资源。如：在变频器等已经存在直流母线的地方，可以直接把DCDC变换器的输出直流电压母线并联到该母线上。该方法接线简单，同时也省去了IPS装置中的逆变器环节，在保证安全可靠供电的基础上，还为用户节约了大量资金。本人作为课题组的成员，参加了IPS的主电路设计及调试工作。七、实验体会：本次实验重点关注电压暂降对设备敏感度的影响，通过暂降持续时间和电压暂降幅值对危及正常工作的影响，加深了我们对电压暂