基于机械快速开关的电压暂降分级治理方案

摘要随着现代工业生产自动化的发展，用电设备及生产过程对电压暂降越发敏感，电压暂降严重影响了现代工业园区企业的正常生产并造成重大经济损失。现有的电压暂降治理措施大多基于电力电子技术，治理设备造价高、损耗大、可靠性差、容量受限，且一般仅在局部单点实施，故难以适应电压等级高、用户容量大、用电设备多的现代工业园区电压暂降治理的需求。针对以上问题，在分析现有的电压暂降治理措施的基础上，提出了一种基于机械快速开关的电压暂降分级治理方案。0 引言电压暂降是指电力系统中某点工频电压方均根值突然降低至0.1p.u.～0.9p.u.，并在短暂持续10ms～1min后恢复正常的现象。在现代工业园区内，以光电子、集成电路等半导体行业和整车制造、装配等精密制造行业为代表的高端制造企业大量集中。企业大量用电设备包含可编程逻辑控制器、交流接触器、继电器、可调速驱动、直流电机驱动、变频器等部件，其对电压暂降极其敏感。电压暂降已成为威胁现代工业园区设备安全运行的重要因素，且用户每年因电压暂降问题造成的经济损失巨大：2011年国家发改委调查报告显示，上海7个代表行业每年因电压暂降问题造成的损失高达29.45亿元人民币；2016年6月至2017年6月期间，厦门国家火炬高技术产业开发区半导体制造行业重要用户经历了近20次电压暂降影响，企业自身统计经济损失近2亿元。目前采用的电压暂降治理措施主要分为2种：①通过系统优化改造的方法降低发生电压暂降问题的概率；②通过加装电压暂降抑制设备等方法减小电压暂降的影响。第一种方法包括用地下电缆替代架空线、改变系统接线方式、优化二次侧保护装置等技术措施，其缺点是改造成本高、工作量大。第二种方法包括不间断电源（uninterruptiblepowersystem，UPS）、动态电压恢复器（dynamicvoltagerestorer，DVR）、固态切换开关（solidstatetransferswitch，SSTS）等基于电力电子技术的治理设备。UPS的容量小，占用空间大，建设成本高、电池寿命短，且在线运行电能损耗高。DVR控制策略的选择依赖于负载的类型，较复杂，且不能对低于50%的电压暂降进行完全补偿。SSTS可靠性低，建设成本较高，且在体积和损耗方面存在问题。现代工业园区电压等级高（110kV及以上）、用户容量大（MW级）、敏感设备多，工业生产过程和运行环境复杂，单独采用以上任一方案均存在建设维护成本高、运行可靠性差、损耗高等问题。近年来，基于涡流斥力原理的新型电磁斥力机构机械快速开关（简称“机械快速开关”）逐渐发展成熟，因其速度性、可靠性和经济性上的优势，被越来越多的应用于电力系统故障限流、直流断路器以及相控开关等诸多领域。这种机械快速开关分合闸速度达到毫秒级，能够实现“首波开断”（1个周波以内切除故障），与大功率电力电子器件相比，其造价较低、通态损耗较小，操动机构简单，可靠性高，更适用于大功率高压应用场景。针对现有方案存在的问题，本文以机械快速开关为基础设计新型电压暂降治理装置，并应用分级治理思想，依靠部署在各级的治理装置和控制策略实现对电压暂降的全面治理。1 机械快速开关及其关键技术1.1

基于电磁斥力的机械快速开关机械快速开关利用一种基于电磁斥力的新型快速操动机构，因而具有分合闸速度快、可靠性高、造价较低、通态损耗较小等特点。其基本原理是：预先充电的电容器向分闸或合闸线圈放电，线圈中产生的脉冲电流在线圈周围激发交变磁场，并在金属盘（铜盘或铝盘）上感应出反向的涡流，涡流产生的磁场与线圈电流产生的磁场相互作用产生电磁斥力，带动传动杆以及触头运动，从而实现开关的快速分合闸操作，其结构见图1。

图1基于电磁斥力的机械快速开关的结构示意图开关在闭合状态下，动静触头之间会因流有电流而产生电磁斥力，为了维持闭合状态，开关触头之间需要施加一定的合闸保持力。另外，开关在分断状态下，动静触头之间需要保持一定的开距。为此，将一种具有非线性负荷特性的碟形弹簧安装在操动机构中。图2所示为碟形弹簧负荷形变曲线，由于该弹簧具有与永磁机构相似的双稳特性，因此在开关的结构设计上省去了复杂的锁闩机构。图2蝶形弹簧负荷形变曲线示意图储能电容充放电回路的等效电路见图3：T1为调压器，T2为升压变压器；C为储能电容；和分别为储能电容的等效内阻及内部引线的电感；和分别为分合闸线圈的电感及等效电阻；为充电电阻；和分别为引线的电感及电阻；VD1为整流二极管；VD2为续流二极管，VT为晶闸管。储能电容C在充电完成之后，便可通过晶闸管VT向分合闸线圈放电，从而实现开关的开断与关合。在储能电容两端并联了续流二极管VD2，其目的是防止放电电流对储能电容C反向充电，同时起到提高放电效率的作用。图3储能电容充放电回路

1.2

人工过零为了解决交流电弧熄灭时间长的问题，运用人工过零技术用以提高开关电器设备的开断速度。基于人工过零法的开关电器设备示意见，其工作原理为：先分开主断路器（CBm），待主开关电器设备电极分开至能够承受恢复电压时，再闭合换流开关（CB），换流电容（Cc）和换流电感（Lc）振荡产生反向高频振荡电流（ic），强制电弧传导回路电流（i1）即主电流（im）减小到零。2 电压暂降综合治理装置基于机械快速开关设计公用电网级电源快速切换装置（Ⅰ型）、园区电网级母线电压保持装置（Ⅱ型）、含储能的用户级电压暂降综合治理装置（Ⅲ型）3套治理装置。2.1基于机械快速开关的公用电网级电源快速切换装置（I型）电源切换装置由切换控制器、Ⅰ段电源进线开关K1、Ⅱ段电源进线开关K2组成。其工作原理见图5，正常运行时，Ⅰ段电源进线开关K1处于合闸状态，Ⅱ段开关K2处于分闸状态，切换控制器实时检测工备电源的电压同期状态。当工作电源系统发生电压暂降时，切换控制器控制K1跳闸，然后再合K2，实现15ms内切换供电电源。图5I型装置原理图2.2

基于机械快速开关的园区电网级母线电压保持装置（Ⅱ型）母线电压保持装置由传统断路器K1、母保开关K和母保电阻Z组成。其工作原理见图6，正常工作时，母保开关K处于合闸状态。当发生电压暂降时，Ⅱ型装置判断出故障后立即发出母保开关K分闸指令，将母保阻抗Z投入线路，补偿本支路因短路而损失的阻抗，将本支路电流从短路值限制到额定电流以内，从而维持了母线剩余电压。图6

Ⅱ型装置原理图2.3基于机械快速开关含储能的用户级电压暂降综合治理装置（Ⅲ型）装置由切换开关K和切换控制器组成，负载连接超级电容储能装置。其工作原理见图7，电网正常情况下，敏感设备由电网供电，通过电网给超级电容充电并保持，同时逆变输出与电网同步的AC400V或其他电压等级的电源。当发生短路时，快速切换开关控制器通过对故障进行快速诊断，判断故障是区内或区外故障。若是区外故障并引起电压暂降，则控制器在1ms内立即发出切换指令，机械快速开关在3ms以内将用电敏感设备从电网断开，并切换至超级电容储能，提供5s电压支撑时间。图7

Ⅲ型装置原理图3 电压暂降分级治理方案3.1

分级治理思想现代工业园区涉及的电压等级多，各电压等级供电系统结构和主要用电设备对电压暂降的耐受能力均有所不同。现有的UPS、DVR、SSTS等电压暂降治理方案，往往只在某电压等级的供电系统局部位置安装，若要将其应用在企业每一电压等级所有负荷上，所需治理设备数量多、体积大、造价高，基本不可能实施。例如，若在公共电网级（110kV）采用DVR技术做电压支持，会因电压等级高、容量要求大而使建设成本急剧升高。因此，本文提出电压暂降分级治理思想，针对不同供电电压等级电网结构和电压暂降的影响特点，布置不同的电压暂降治理装置，经济、可靠的解决电压暂降问题。由于对高可靠性的要求，现代工业园区企业公共电网级（110kV）一般有两路电源进线，一用一备，同时，整个企业内且绝大多数用电设备都能耐受持续时间为15ms以内的的电压暂降。因此，在公用电网级采用基于快速机械开关的双电源快速切换方案，在外部电网故障后15ms内将供电切换至备用电源，可以保证该企业所有设备经受的电压暂降在15ms以内。企业内部中低压配电网（35kV、10kV）接线复杂，且接在同一母线上的馈线众多，所接负荷种类中有敏感负荷，也有容易发生故障的一般负荷。因此，在园区电网级采用弃少保多的母线电压保持方案，当母线的某一出线发生短路故障时，迅速隔离故障并投入母保阻抗限流，维持母线的电压，从而保证接在此母线上的其他众多馈线出线的敏感负荷不受影响。敏感负荷和精密制造工艺主要集中在380V电压等级，工艺流程中电压暂降最敏感设备宕机可能导致后续工序都被迫中断。因此，在用户设备级针对工艺流程中最敏感的关键设备采用含储能的快切方案，故障时3ms内将关键工艺设备供电切换到储能电源，免受电压暂降影响，保证整个生产过程正常进行。3.2

方案实施结构图电压暂降分级治理方案实施结构见图8：在企业两路进线电源端安装双电源快速切换装置，实现15ms以内的备用电源快速切换，避免企业内部大多数负荷因外部电网故障遭受电压暂降影响；在企业内部关键母线的出线开关安装母线残压保持装置，当此条出线发生故障时，通过机械快速开关进行故障隔离，避免故障点对故障母线的影响，维持母线电压；在企业内部关键生产流程安装含储能的快切装置，利用人工过零技术，实现故障时3ms内将关键工艺设备供电切换到储能电源，且能维持足够的供电时间，等待暂降结束回切。图8基于机械快速开关的分级电压暂降治理方案结构图3.3

控制策略根据故障点的位置和类型，制定电压暂降治理装置的控制策略见表1。4分级治理方案实例4.1

实施用户简介国家级高新区厦门火炬高技术产业开发区内某光电子企业，供电电压等级高（110kV），用电容量大（4×63MVA），2016年6月至2017年6月期间共发生暂降事故14起，其工艺设备受影响较严重，停机1～2h，完全复电至正常工作需2～3天，类似一次事故损失达400万～600万元。4.2

具体实施方案将电压暂降治分级理方案应用于该企业，具体方案见图9。图9某企业电压暂降分级治理方案实施结构图在Ⅰ段母线和Ⅱ段母线之间加装基于机械快速开关的公用电网级电源快速切换装置（Ⅰ型），解决Ⅰ段母线或Ⅱ段母线电压暂降问题。当1号110kV及以上线路发生短路故障，造成Ⅰ段母线电压暂降，可实现15ms以内将Ⅰ段母线快速切换至2号110kV线路，由此保证Ⅰ段母线及以下不受电压暂降影响。同理，保证Ⅱ段母线电压不受2号110kV线路故障导致的电压暂降影响。在Ⅰ段母线加装基于机械快速开关的园区电网级母线电压保持装置（Ⅱ型），解决Ⅰ段母线电压暂降问题。当10kV照明系统馈线发生短路，通过装置Ⅱ型进行快速故障隔离，在15ms内切除故障点，防止其对故障母线的影响，维持Ⅰ段母线电压。在曝光机（敏感设备）进线处加装基于机械快速开关含储能的用户级电压暂降综合治理装置（Ⅲ型），解决曝光机电压暂降问题。通过人工过零技术，实现故障时3ms内将曝光机供电切换到储能电源，且维持不低于5s的供电时间，等待电压暂降结束回切，维持关键设备曝光机的供电。4.3

经济技术对比传统的电压暂降治理方案主要包括：在线式不间断电源（UPS）、离线式应急电源（UPS）、动态电压恢复器（DVR）和固态切换开关（SSTS）。针对供电电压等级高（110kV），用电容量大（4×63MVA）的上述用户，本方案与传统方案的技术指标对比如下：对电压暂降持续时间的治理：在公共电网级，本方案双电源快切时间为15ms，优于SSTS方案（20ms）；在用户设备级，本方案关键负荷供电切换时间为3ms，与DVR方案（2ms）相当，优于离线式UPS方案（10ms）。对电压暂降幅值的治理：本方案可实现对任意电压暂降幅值的100%补偿，优于DVR方案。在运行损耗方面，本方案装置运行损耗为0，远优于在线式和离线式UPS方案。可见本方案在电压暂降治理效果和运行损耗等方面均优于传统方案，技术指标优异。同时，由于不采用电力电子器件，在大容量高电压应用场合，具有可靠性高、维护简单的特点，具有明显技术优势。本方案与传统方案的初期投资和后期运维成本预算对比见表2。

可见本方案初始投资成本较低，且投资成本不会随着电