第五章电压凹陷及间断

1、5.1 概述 电压暂降 指电压有效值在短时间、大幅度突然下降的事件，其典型持续时间为0.530周波，IEEE的定义下降到额定值的90%至10% （）；IEC为90%至1% 。 电压中断 电压有效值降低到接近于零称为中断。IEC 定义为1% 以下，IEEE定义为10%以下；典型持续时间为1min，按持续时间的分类尚未统一。电压暂降影响和研究工作：第五章 电压暂降与中断5.2 电压暂降与中断的起因 感应电机启动，或发生短路故障、开关操作、变压器以及电容器组的投切等，均可引起电压暂降。其中，感应电机启动和短路故障是最主要的两个原因。 保护装置切除故障、误动以及运行人员误操作等可引起电压中断。能自动恢

2、复的中断为短时中断，需要手动才能恢复的中断为长时中断。 实例和实测波形如图。5.3 电压暂降对敏感用电设备的影响 电压暂降与中断对工业生产的影响大。中断多发生于故障线路，暂降出现在相邻线路，因此系统暂降次数多于中断次数。研究设备能否承受电压暂降非常重要。 一、计算机与电子设备对电压暂降的敏感度分析 电子设备交流电压降低，直流电压也降低，当发生严重电压暂降时，电子设备将在1s内停止工作。因此敏感度研究主要是设备电源的性能。如图5-13和5-14所示。 研究假设：a）电源整流二极管无电压损耗； b）暂降发生前，交流电压峰值为 1，暂降发生后，交流电压为峰值小于1的恒定值，交流电压不受负荷电流影响；

3、电压变化仅考虑幅值的降低，不考虑相移。 c） 整流功率为定值，与直流电压无关。计算机与电子设备对电压暂降的敏感度分析 当电压暂降时，直流电能来自于储存在电容器中的能量。设电容量为C，暂降前后直流侧电压值分别为U0和U，直流侧负荷功率为P，则发生暂降以后，有如下关系： ，可求PtCUCU2022121tCPUU220计算机与电子设备对电压暂降的敏感度分析 对上式在U=U0附近线性化，有 由上式可知，当t=0与t=T/2 时直流侧电压分别达最大值Umax与最小值Umin。故可求电压纹波和电压表达式 解出、带入上式有tCUPUtCUPUU200200121TtUtU41)(0CUPTUUU200mi

4、nmax2 结论1：正常工作情况下直流电压的纹波越大，电压暂降期间直流电压下降越快。 计算机与电子设备对电压暂降的敏感度分析 结论2：当直流侧电压低于整流电源能正常维持的最小输入电压Umin时，计算机电源将跳闸。假设发生暂降前正常工作的瞬间 U0 =1，利用上式可求电子设备电源跳闸时间，即电源能忍受的最大暂降持续时间。 TUt412minmax 计算机与电子设备的电源，允许的最大暂降持续时间与纹波、最小直流侧电压关系如表5-3所示。 可看出电源纹波越大、最小直流侧电压越低，最大暂降持续时间越短。例如，若计算机电源直流电压纹波为 5 %，发生50%额定直流电压的暂降，会使计算机在 4 个周期后跳

5、闸，而大于50%额定直流电压的暂降不会产生危害。 二、典型设备对电压暂降的敏感度举例 电压暂降对工业生产上的某些设备影响很大，例如： 1、冷却装置控制 低于80%额定电压时，系统就会断电停止工作。 2、直流电机驱动 电压暂降会使塑料挤压机控制器出现问题。 3、可编程逻辑控制器（PLC） 几个周期的90%电压暂降，可引起远端I/O单元跳闸。 4、机械装置 电压暂降影响机械装置加工产品的质量。 5、可调速装置 引起装置跳闸、速度降低和转矩变化。5.4 电压暂降幅值与临界距离 计算系统故障引起的电压暂降幅值，判断是否会对设备产生影响；或评估电压暂降是否超过限值。 一、辐射网电压暂降幅值和临界距离 忽

6、略负荷电流，假设PCC点故障前电压标幺值为1；则电压暂降幅值为 临界距离： UsUsag故障线 ZsPCC ZFFsagFSSZzlUZZzlZUUzZlscrit1说明：上式仅适用于单相或三相对称故障。 临界距离含义：PCC点电压降低到临界电压U时，故障点与PCC之间的电气距离。一、辐射网电压暂降幅值和临界距离 对三相系统不对称故障可用电力系统课方法计算： 对单相故障，式中阻抗用正序、负序和零序阻抗之和，电压为故障相对地电压；对两相故障，式中阻抗用正序和负序阻抗之和，电压为故障相之间的电压。 当系统和线路阻抗均为复数时 暂降幅值： 临界距离： 式中 ， ， ，为ZS与ZF的夹角，即 阻 抗

7、角：SFFsagZZZV1sin1cos122UUUUUzZlScrit|jXR|ZSSS|jxr|z|V|V rxRXSSarctanarctan二、非辐射网电压暂降幅值和临界距离 如图有地方发电机供电系统，图中Z1为PCC点的系统阻抗，Z2为故障点与PCC点之间的阻抗，Z3 为PCC和发电机母线间的阻抗，Z4为地方发电机的暂态电抗。通过分析可求暂降幅值和临界距离，如图分析可得： 暂降幅值： 临界距离： 注意事项：以上计算暂降幅值和 临界距离的公式非通用公式，是 依据系统等值电路得到的结果。 作业：推导书图5-19单电源、双回路供电系统的计算公式。4314312411ZZZZZZZZZVsa

8、g3443111ZVVZZZZzZlcritcritcrit5.5 三相不平衡电压暂降 电压暂降特征除幅值和持续时间外，通常还存在相移和三相不平衡等问题；而且还与变压器等接线有关。为分析这些实际问题方便，假设： 1）正、负序阻抗相等； 2）设备端无零序电压，正常时相电压标幺值为1； 3）与故障电流相比，负荷电流可忽略。 一、单相与相间故障的电压暂降 1、单相接地（详细见教材，只讲结论） 设A相接地、负荷星形接线 ， ， 结论：仅故障相电压幅值减少，不会发生相移。VVa2321jVb2321jVc一、单相与相间故障的电压暂降 1、单相接地 设A相接地、负荷角形接线 经整理得： 式中设备电压为线电

9、压， 在于改变标幺值基值，使正常电压标幺值为1；采用旋转因子j为使电压实轴对称。 结论：负荷角形接线时，故障相电压保持不变，而另外两相出现电压暂降，且两相的电压相角也发生变化。3cbaVVjV3acbVVjV3bacVVjV1aVVjVb32312321VjVc323123213一、单相与相间故障的电压暂降 2、相间故障 设BC两相短路、负荷星形接线 将上式中 V用 1/3+2/3V代替，可得单相接地、负荷角形接线的公式。因此，可认为两种情况代表的电压暂降类型是相同的。几种类型电压暂降相量图如图所示。 结 论：B C两相短路、负荷星形接线时，非故障相电压保持不变，故障两相出现电压暂降，且相角也

10、发生变化。1aVVjVb2321VjVc2321一、单相与相间故障的电压暂降 2、相间故障 设BC两相短路、负荷角形接线 结 论：B C两相短路、负荷角形接线时，三相都会发生电压暂降，且故障两相相角也发生变化。 二、四种类型电压暂降比较 相量图中Type A 为三相短路暂降（公式5-56）；Type B为A单相接地、负荷星接；Type C为BC短路、负荷星接（单相接地、负荷角接）；Type D为BC短路、负荷角接。VVa2321jVVb2321jVVc三、变压器接线对电压暂降的影响 在电压暂降传递分析中，可将变压器分为三种类型： 1、原副边电压标幺值相等，即Y0/Y0接线变压器； 2、无零序电

11、压变压器，即Y/Y和/ 接线变压器； 3、线、相电压互换变压器，即/Y、Y/ 接线变压器。 三种类型变压器的变换矩阵： T3为式(5-48)的变换阵。而T32 =T2，表明两个串联/Y变压器与一个Y/Y或/变压器，对电压暂降影响是相同的。 对经变压器的单相和相间故障，通过分析可知：电压暂降类型均可归结成B、C、D三种基本类型。100010001 1T211121112312T01110111033jT四、两相接地故障电压暂降与电压暂降传递 设正、负、零序阻抗相等；BC 相故障的电压暂降： 经第三种类型变压器的电压，以及经两个第三种类型变或一个第二种类型变的电压如下。这三种类型称E、F和G。1a

12、VUjUUb2321UjUUc2321UUaUjjUUb633321UjjUUc633321UUa3132UjUUb236131UjUUc236131五、三相不平衡电压暂降总结 表3.2 故障类型、负荷连接与暂降类型表 3.3 原边暂降类型向低电压级的传递 故障类型负荷连接星形角形三相短路AA两相短路CD单相接地BC*变压器连接原边暂降类型ABCDYnynABCDYy，DdAD*CDYd，DyAC*DC 注：两表可用于判断故障时，负荷承受的电压暂降类型。 5.6 电压暂降特征量分析方法 研究目的：对电压暂降现象进行实时测量或补偿。 一、有效值算法 暂降指有效值变化，有效值算法用于计算暂降幅值。

13、 周期信号有效值定义： 对信号进行数字处理： 常用的滑动平均值法：当采集到新的样本点时，顺序将最早采集的样本点去除，然后用一个周期的滑动采样值进行均方根运算即可求出一个新的有效值。这样，在每个采样瞬间都可得到一个新的有效值。TttRMSttvTV00d)(121021NnRMS)n(vNV有效值算法和缺损电压算法的计算结果 图5-35为电压过零点发生电压暂降的波形和有效值算法计算结果。从波形看暂降幅值为50 %，持续时间为 6个周期；从计算结果看，暂降持续时间为 7个周期，与实际持续时间相比有1个周期的误差。 结论：有效值算法不能明确地给出暂降起止时刻。二、缺损电压算法 缺损电压定义：期望瞬时

14、电压与实际瞬时电压的差值。 期望瞬时电压用uPLL(t)表示，称为“PLL波形”；实际瞬时电压用uSag(t) 表示，称为被扰动波形。因此 缺损电压： 式中 算法应用：采集期望电压和实际电压，用数字化后公式计算缺损电压。结果如前页图所示， 。)tsin(U)tsin(U)tUsin(t)u(t)um(t)ccbsagasagPLL222)(cos222absagsagcUUUUU)(cos)(cos)(sin)(sintan1-bsagabsagacUUUUtm(t)sin5 . 0三、瞬时电压d-q分解算法 将母线电压由abc坐标系变换到dq坐标系： ，其中 设三相电压为正弦波，且分别为 可

15、求： 通过vd可瞬时确定电压暂降的有效值，从而克服有效值算法“历史”数据所引起的计算延迟问题。cbaqdvvvvvC) 3/2cos(-) 3/2cos(-cos-) 3/2sin() 3/2sin(sin32ttttttCtsin2Vva/3)2-tsin(2Vvb/3)2tsin(2VvcVvd30qvabcdq瞬时电压d-q分解算法应用 1、三相电压暂降的检测 三相电压暂降为平衡系统，没有相移问题 。 设暂降V =Vsag有： ， ；暂降幅值可确定。 2、有相移电压暂降的检测 设 a 相单相接地，暂降电压有效值为VSag，相移为。 则 a 相电压为： 根据三相电路特点，va延时600得-

16、vc ，vb=- va- vc有 SagdVv30qv)3/2cos(-)3/2sin()3/2cos(-cos-)3/2sin(sin32ttttttC)tsin(2sagaVv)tsin(-/3)tsin(2sagbVv/3)tsin(2sagcVv2、有相移电压暂降的检测 将C和va、vb和vc带入式（3.40），可求 ， 因此暂降幅值可瞬时确定，但相移与vd、vq无关 。 暂降电压相移由公式 ，可求得： 由此可得，暂降电压相移为 或 因此由vd和vq变换结果，准确求得暂降相移大小。 sagdVv30qv) 3/2sin(2) 3/2sin(2sin232tVtVtVCvvqdcos3Vvdsin3VvqVvd33cos1Vvq33sin13、仿真验证分析 缺损电压和坐标变换法是用于实时补偿装置的算法。 仿真结果