1 摘要：近來電力客戶對電壓跌落的投訴大幅增加。通過對一個地區敏感大客戶實地調研和後臺分析，發現電壓跌落主要由電網故障引起。故障會引起同一母線以下的用電設備感受到電壓跌落，而數字控制器的廣泛應用加重了電壓跌落問題的後果。電壓跌落的對策可以從技術和管理兩方面著手。技術上電網公司應降低電壓跌落的頻率和程度，用電側應當提高敏感設備的電壓跌落免疫力或對其加以保護。管理上電網公司和用電客戶加強溝通，提供適當技術諮詢，提供無電壓跌落的高質量電力的增值服務，共同應對電壓跌落問題。提出了一個運用快速機械斷路器STS的電壓跌落治理技術。
關鍵詞：電壓跌落; 電壓驟降; 原因; 分析; 對策; 快速機械斷路器
中圖分類號：TM732 文獻標誌碼：A
Onsite Analysis and Treatment Schemes of Voltage Sag
HUANG Xiaoyun
Foshan Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Corp, Foshan 528000, China
Abstract：The complains about voltage sag are increased in recent years. Through on site inspection and post event analysis of sensitive customers in one area, we find the main reason for voltage sag is fault of power network which makes the electrical devices under the same bus bar suffered，and the wide spread used of digital controller worsen the problem. The strategies to the problem of voltage sag are on both sides of technology and management. The grid company should lower the possibility and level of voltage sag, and the power customer should make the sensitive devices more immure to voltage sag or give them protection. The grid company should have more contacts with the power customer, and give them proper technical support, or in an option to provide add-value service that have the high quality of power which free of voltage sag. The problem of voltage sag can be solved by the cooperation of power grid and the customers. A new technical scheme using fast-speed mechanical circuit breaker STS(Source Transfer System) is proposed in this paper.
Key words：voltage sag; voltage dip; reasons; analysis; strategies; fast-speed mechanical circuit breaker
1引言
電壓跌落也稱電壓暫降，或電壓驟降，是指單相、兩相或三相電壓有效值短時間降低的現象，降低的幅度在10%或以上。電壓跌落是由電力系統某些突然的大電流擾動引起的，如電氣故障、大型電動機的啟動、大型變壓器的充電等，其中電氣故障是最主要的原因。由於電力系統中的電氣故障是很難避免的，因此電力用戶在解決電壓跌落問題的過程中起重要的作用[1]。
隨著工業技術的發展，自動化設備的大量採用，對電壓跌落敏感的設備越來越多。電壓敏感設備在電壓跌落時會停機，造成生產線停產，產生大量的廢次品，甚至損壞設備本身，造成大量經濟損失。與此同時電網越來越龐大，越來越複雜，電氣距離的縮短也使電壓跌落越來越頻繁。
美國每年因電壓跌落造成的損失150億美元到240億美元之間[2]。
通常電壓跌落是以其跌落幅度和時間長度來表徵。統計表明大部分的電壓跌落是由單相接地故障引起的。電壓跌落涉及的是電能質量的問題，它與供電可靠性是有區別的。較長時間的停電影響供電可靠性，當今電網的可靠性已大為提高，但較短時間的停電或電壓跌落也會對某些用戶產生影響。
根據《供電系統供電可靠性評價規程》（DL/T 836-2016），自動重合閘重合成功，或備用電源自動投入成功，不應視為對用戶停電[3]。顯然瞬時停電次數不會明顯地影響到整體的可靠性數據。對自動重合閘動作整定時間的要求，它是以電力公司採用的保護方案為基礎的。通常自動重合閘重合成功，或備用電源自動投入會是秒級的，配網自動化的自動重合或備自投動作整個過程會長達3分鐘。由於用電負荷的敏感程度在增加，因此統計這些瞬時停電次數就顯得非常重要[4]。
電壓跌落影響的行業按其單次事件的損失程度由高到低大致排列如下：半導體和電子工業（敏感機器 ，潔淨室控制），製藥（批量生產，環境控制），通信與信息處理（數據中心），汽車業（焊接 ，電鍍 ，油漆），食品和釀造（高速灌裝 ，包裝，奶業處理），連續過程（纖維生產線 ，薄膜生產線，擠出成型過程，石油化工），醫院（敏感醫學成像設備）等 [5]。電壓跌落影響的設備主要有以下：計算機、變頻器、及伺服驅動器、繼電器、可編程控制器（PLC）、開關電源、接觸器、機器人等[6-7]。
CBEMA 96 （美國計算機和商業設備製造協會標準）和SEMI F47（半導體設備與材料國際標準)是已有的電器設備電力持續性曲線標準[8]。如果電壓跌落的幅度和時間在標準的限度內，滿足標準的電器設備應當不受影響。
一般用戶將電壓跌落歸為短時停電。雖然僅僅是電壓跌落的問題，但從用戶的角度看，供電發生了短時的中斷。電網公司不時被大用戶投訴短時停電，而實質是電壓跌落問題。電網公司目前也沒有一套完整的流程去處理此類問題。本文以一個地區敏感大用戶實地考查為實證樣本，對每次電壓跌落原因都進行了分析，對影響的設備及機理作了實地調研，提出了技術和管理方面的對策。
2電壓跌落事件分析
目前已經實地調研了多個對電壓跌落問題比較嚴重的客戶。客戶反映近來電壓跌落事件次數增加較多，對業務影響較大。從下表看出電壓跌落次數在2016年前逐年呈大幅增加之勢，但在治理後2017年又大幅減少。
敏感客戶
2013
2014
2015
2016
2017
汽車製造企業A
--
--
2
6
--
大型數據中心B
0
3
2
5
2
汽車零部件企業C
4
5
5
9
2
大型數據中心D
--
--
3
13
7
表1電壓跌落次數：
Tab.1 Number of voltage sag
經過對電壓跌落事件的分析，電壓跌落的原因是由各種短路故障引起。電網故障在故障切除前都可能產生電壓跌落。電氣距離只要是與用戶電源端母線直接相連的設備發生故障都可能引起用戶的電壓跌落。電力系統主網的主保護故障切除時間50-100ms，配網系統故障切除時間可以長達400ms，而敏感設備有的20ms就已經有影響。電壓跌落時電壓低至0.05Un，高至0.7Un（有感）。
中壓配電網中性點接地方式對電壓跌落也有影響。現在主流的接地方式是消弧線圈接地和小電阻接地兩種。由於人身安全等方面的原因，小電阻接地越來越普遍的運用。在中性點小電阻接地的情形下，接地故障時故障相電壓降低，切除故障的零序保護動作時間達1.2秒。由於中壓架空線路配電網故障以接地故障為多，故對架空線路或混合線路配電網而言，中性點小電阻接地大幅提高了電壓跌落的頻度和時間長度。
表一中的典型電壓跌落事件的電壓下降程度與延續時間的關係如圖所示，每一小圓點表示一次電壓跌落事件，CBEMA96與SEMI F47標準也畫在其中。
圖1電壓跌落曲線圖
Fig.1 Diagram of voltage sag
故障主要分為兩類：輸電網故障和配電網故障。
輸電網故障引起較為廣泛的電壓跌落，故表一的電壓跌落事件有些是同一宗輸電網故障引起的。輸電網故障主要原因是雷擊和外力破壞。
配電電網故障引起同一10kV母線用戶的電壓跌落，影響範圍較為局部。配電網故障主要原因是雷擊和配電網設備（包括用戶設備）故障。
汽車製造企業A在最嚴重的一次電壓跌落造成生產線停工2h，造成損失1800萬元。電壓跌落髮生後生產線上的機器人動作停止在原來位置，要逐臺人工回退，所以要2h才能重新恢復正常生產，另外受影響的變頻器（風機用）和PLC（程序邏輯控制器），有些板件甚至損壞需要更換。
大型數據中心B是面向全國的數據處理中心，需要7x24不停頓運行。數據中心的敏感設備包括計算機設備和與之配套的環境系統（機房空調）。計算機設備有不間斷電源（UPS）保護，外部電壓跌落甚至短時停電都不會受影響。計算機機房環境系統（空調）的電力沒有UPS保護，如果空調停機計算機機房溫升會很快，可能會造成計算機停機，危及保險業務和數據安全，造成重大事件。機房空調採用2組大型水冷主機，每組3臺共六臺，每組功率1.3MW。大型水冷主機的控制器設置為20ms的電壓跌落即停機，需要馬上人工檢查後重新啟動，重新恢復需要15分鐘。
汽車零部件企業C生產汽車變速箱，員工人數兩千多人，實際負荷20GW。每次電壓跌落髮生後，各類工具機停機，刀具有可能損壞，工件報廢，重新恢復生產需要1h以上。
大型數據中心D機房空調採用大型水冷主機。大型水冷主機的控制器設置為20ms的電壓跌落即停機，需要馬上人工檢查後重新啟動。空調附屬大型泵機採用變頻調速器，電壓跌落時會引起停機，需要人工恢復。
電壓跌落事件引起的客戶損失每次從幾萬元到上千萬元不等。
3技術和管理對策
電網故障是造成跌落的主要原因，而電網故障不能杜絕，只能減少。而故障切除需要時間，在故障隔離前電壓會跌落，多數時間是單相電壓跌落，少數時間是三相電壓跌落。從已有的電壓跌落事項分析，可以看到客戶的電源上遊變電站設備或直接接到該變電站母線的線路故障，無論是10kV,110kV還是220kV電壓等級，只要連到同一段母線，都可能引起客戶敏感設備感覺得到的電壓跌落。
對於敏感設備，需要用戶自我防範。需要向客戶解釋以上觀點，使得客戶知道自己的作用。目標是通過管理和技術措施幫助客戶解決問題，提高客戶滿意度。
電壓跌落雖然不能杜絕，但也不能過於頻繁發生，用電客戶會與同行比較各地電壓跌落的情況。
電壓跌落問題的處理是個長期的過程，供電局內部也不是單個部門能夠完全處理，需要市場、生產、基建等部門協同處理，但主要以客服中心統一對外。
總體原則：
1. 減少電網電壓降落事件頻次和程度。
2. 幫助提高客戶設備電壓跌落免疫力，或應用電壓相應動態電壓恢復器(DVR) 或UPS保護相關設備。
3. 客戶報裝時提前告知電壓跌落的危害，及早防範。
4. 加強與客戶溝通，協助客戶處理電壓跌落問題，提高客戶滿意度。
3.1技術措施：3.1.1電網側技術措施
3.1.1.1一次設備
供電局加強相關輸變電和配電設備的運維，降低故障的機率從而減少電壓跌落的發生機率。為了減少雷擊造成電壓跌落的頻度和程度，電網公司在敏感用戶的110kV和10kV線路考慮採用電纜，有針對性的對相關架空線路實施減少雷害的技術措施。
3.1.1.2二次整定
加快故障的切除時間能減少電壓跌落的程度。由於10kV斷路器動作時間約40-70ms，所以原來的10kV饋線保護以150ms為時間級差，饋線自動化開關（饋線分段）跳閘時間為150ms，變電站10kV出線保護整定為300ms，故障隔離時間較長。將相關敏感用戶所在的變電站10kV出線保護動作時間由現在的300ms減少到50ms，以加快10kV 饋線故障時的故障切除時間。如此一來有可能在饋線自動化開關的後段故障時饋線開關與饋線自動化開關都跳閘，饋線自動化開關的配置也需要相應的修改，由原來的直接重合模式改為延時重合模式。在延時重合模式下饋線自動化開關在電源側帶電後一定時間（例如15秒）再合上開關，如果再次跳閘則閉鎖該開關以隔離故障點。這樣做故障停電範圍比有可能比以前大了，但故障切除時間減少，有利於減少電壓跌落對整條母線上敏感用戶的影響。
3.1.1.3 2.運用快速開關的電源轉換系統（Source Transfer System-STS）
電源轉換系統（STS）實際上是一組大功率的電子開關，它能將電源快速切換到另一條配電線路，能對付配電線路引起的電壓跌落。
STS的原理如圖所示。正常時 PES1 SCR導通， PES2 SCR截止，用戶由主電源供電；當主電源發生電壓跌落時PES1 SCR截止，PES2 SCR導通，用戶馬上改由備用電源供電。以上過程在5ms內完成。它是較為經濟的解決方法，但前提是具備獨立雙迴路電源，同時它對輸電網引起的電壓跌落無能為力。
圖2 STS作原理
Fig.2 Diagram of STS
運用快速斷路器（特殊的永磁或渦流斥力斷路器）將用快速機械開關代替電子開關，造價更低且沒有損耗[10]。該辦法將能解決大部分的電壓跌落問題且成本最低。
3.1.1.4加強對電壓跌落事件監測
做好電壓跌落事件監測和原因分析統計。
充分利用好電能質量系統。該系統能夠以電壓跌落事件驅動記錄母線電壓和主變變低電電流波形，記錄每次電壓跌落事件，通過WEB可以很方便地查詢每次歷史事件的波形，查詢電壓跌落的幅值和時間長度。通過配電管理系統（DMS）與電能質量系統的聯合查詢，可以找到每次電壓跌落的原因和程度。
3.1.2用戶側技術措施
3.1.2.1用電設備的電壓跌落免疫力增強
CBEMA96與SEMI F47都是階梯函數的方式對電器設備提出了對電壓跌落耐受的要求。對於短時（<200ms）的電壓跌落SEMI F47比CBEMA96要嚴格。在圖中，如果設備滿足SEMI F47或CBEMA96標準，則曲線上方的點是不受不受影響的電壓跌落事件，而曲線下方是受影響的電壓跌落事件。從圖1的事例可以看出，即使滿足CBEMA96標準，也只能解決1/3問題；如果滿足SEMI F47標準，則能解決2/3的問題，還有1/3的問題沒有解決。但往往用戶電壓敏感設備不符合以上標準。
對於已投運設備，通過與設備廠商的溝通，調整設備參數設置，如讓設備電壓跌落停機時間從20ms延長到150ms，電壓跌落停機幅度從0.8Un降低到0.6Un等，可以解決大部分的問題，是最經濟的解決方法。
當今工商業電機負荷幾乎全部採用變頻調速器，電壓跌落對所有的變頻器驅動的設備都有影響。變頻調速器的選擇和整定在電壓跌落抵禦上十分關鍵。一般的整定是電壓降到一定程度變頻器就自動閉鎖，機器停運，要馬上人工重啟。其實很多變頻器是可以整定為短時停電自動重啟的，停電時間可達1至5秒，啟用自動停電重啟對電壓跌落的影響降到最低。
長期以來，設備製造商在電氣設計上缺少對電壓跌落的問題的關注，或者根本不知道電壓跌落是電力系統不可避免的問題。而近來數字設備或有工業控制器的設備大量應用，使得電壓跌落問題得到擴大。而電力系統也對該問題採取「鴕鳥策略」，能避則避，不主動向外界介紹電壓跌落的情況。在電氣和電器之間存在「盲區」。其實只要從用電系統設計和用電設備設計選型上從一開始就予以考慮，電壓跌落的問題會得到較好的解決。
3.1.2.2 全面保護或單點保護
全面保護就是全廠(或全生產線)的保護，一般在中壓側進行，容量1MVA或以上。全廠(或全生產線)的保護思路上較為簡單，也就是保護全廠(或全生產線)的設備不受電壓跌落影響，但是所有設備中大約只有20%-30%的設備是敏感的，全廠(或全生產線)的保護較為昂貴。
單點保護就是只對敏感設備的敏感部分進行保護，在220V-400V單相或三相進行。
3.1.2.3動態電壓恢復器(DVR)斷電源或（UPS）的配置
電壓跌落的敏感用戶針對自身設備特點配備相應動態電壓恢復器(DVR)或不間斷電源UPS保護相關設備。
DVR只提供秒級的防護，它能將電壓跌落的電壓提起，功率較大（MW級）,效率可達98%-99%。UPS提供分鐘級的保護，功率較少（kW級），適合分布式保護關鍵設備，效率只有約92%-96%。
DVR設計成能夠輸出或吸收有功和無功功率。DVR用電容器組來存儲能量。電容器組的容量取決於負載功率、所能承受的電壓跌落的延續時間和幅度等因素。DVR的核心部分是三相換能器，它採用半導體功率電子元件IGBT作交直流轉換。DVR通過升壓變壓器與配電線串聯，升壓變壓器實際上是三個單相的變壓器，以使得各相能分別得到補償。其原理圖如下：
圖3 DVR工作原理
Fig.3 Diagram of DVR
DVR串聯結構的好處是結構簡單，效率高。在需要電壓補償時才工作，缺那相補那相，缺多少補多少，甚至可以將電壓升高相的電能補償到電壓跌落相。
3.3 管理措施：3.3.1 管理流程改進
對於新報裝的敏感用戶事先做好告知，讓他們在項目設計建設階段就對電壓跌落的防範有所考慮。這樣做也可以減少以後的法律糾紛。
客服中心印刷關於電壓跌落的告知書和電壓跌落防範小冊子分發給客戶。
客服報裝業務指導書作相應修改，對於敏感用戶在規劃階段就有所考慮，如採用電纜線路等。
區局收到的電壓跌落事件要報告客服中心，設計相關的流程報表對電壓跌落事件跟進管理。客服中心做好統計分析，統一出口。
3.3.2 加強與客戶溝通
定期與敏感用戶開會，加強與用戶溝通，要現場了解用戶的實際情況，做好解釋溝通，提出改進建議。
要向客戶解釋電網故障引起的電壓跌落不能避免，對電壓跌落客戶要有所應對，減少損失。通過作適當的技術改造，可以短時間內收回投資成本。
發生電壓跌落事件時能及時應客戶要求解釋電網的事件原因。
從現場調研的情況看，客戶對電壓跌落認識不足，將其與供電可靠性混淆，對電壓跌落的原因不了解，沒有對設備廠家提出任何防範電壓跌落的問題，出了問題容易將其全部歸到供電局的責任上。
建議要向客戶不斷說明情況，提供適當的防範電壓跌落的諮詢。
計劃每季度召開一次電壓問題交流會。參加方為供電局和相關客戶，內容是通報近期電壓事件，電壓跌落問題的防範和對應的技術，客戶之間交流客戶端解決方案和效果，實地參觀調研等。
3.3.3 業務創新電網公司可以根據優質優價的方式向客戶提供沒有電壓跌落的電力。該業務屬於增值服務。在用戶電房或變電站饋線處安裝DVR，可以徹底解決電壓跌落問題。電網公司或能源服務公司的投資和運行成本通過電費回收。DVR設備成本約3000元/kW，基本免維護，約有2%損耗。客戶電費每千瓦時增加約0.1元，或容量電費每月增加30元/kW較為合適。
採用快速機械斷路器作中壓進線快速切換電壓跌落線路到正常線路，可以解決中壓配電網故障引起的電壓跌落問題，大幅減少電壓跌落次數，可以作為電網公司增值服務吸引大用戶。
4 運用機械快速開關STS的電壓跌落治理技術
已有的技術如動態電壓恢復裝置（DVR），存在投資大（3000元/kVA)，佔地大，有損耗（1.5-3%）的問題，用戶較難接受。傳統的運用電子開關的STS也有同樣的問題。
運用快速開關的電源轉換系統（Source Transfer System-STS)是治理電壓跌落的可選方法。傳統的電源轉換系統（STS）實際上是一組大功率的電子開關，它能將電源快速切換到另一條配電線路，能對付配電線路引起的電壓跌落。
運用快速斷路器（特殊的永磁或渦流斥力斷路器）將用快速機械開關代替電子開關，造價更低且沒有損耗。該辦法將能解決大部分的電壓跌落問題且成本最低。用機械快速開關和智能裝置來治理電壓跌落是性價比極高的技術。
對於接到不同變電站母線的雙迴路進線的配電房，其中一條進線出現電壓跌落時，馬上切除該線路並通過通過另一條線路轉供，以上過程在50ms內完成。優點：費用低，主要投資是控制系統和快速機械開關，沒有損耗。如果敏感用戶的配電房或開關站雙迴路接到變電站不同母線，可以解決變電站同一母線故障線路引起的電壓跌落問題，而該問題是電壓跌落的主要原因。
典型的配電房結線圖如圖4所示。
圖4 配電房結線圖
Fig.4 Diagram of distribution substation
電壓跌落檢測與開關切換的智能裝置負責對配電網故障引起的電壓跌落檢測，即對進線開關外故障引起的電壓跌落檢測，運用快速開關將有電壓跌落的進線快速切換到健康的進線，以減少用戶電壓跌落的機率和程度。對於進線1，其控制裝置動作流程圖如圖5所示。
圖5 控制裝置動作邏輯流程圖
Fig.4 Logic flow diagram of control device
運用機械快速開關和智能裝置來治理電壓跌落是性價比極高的技術，其優點是造價低，運行成本低，適應大容量。
5 結論
隨著「大基建」數據中心、半導體晶圓廠的大規模建設和運營，電壓跌落問題是電網和社會發展的大問題。
由於電網故障在保護動作切除故障以前，故障點電壓會降低，電氣距離短（同一母線）的用戶都可以感受得到電壓跌落。由於電網故障不可避免，所以電壓跌落事件也不可避免。應當讓社會知道以上事實。
電網公司可以採取各種措施減低電壓跌落髮生的機率和嚴重程度，但不能保證將電壓跌落事件杜絕。
電網公司應對電壓跌落的策略主要從管理上著手，與電力用戶面對面的合作處理該類問題。敏感電器的設計者與使用者普遍對電壓跌落認識不足，沒有採取有效的防範措施。不同類型的用戶其電壓跌落的「痛點」是不同的，電網公司可以有針對性的提供技術諮詢。
參 考 文 獻：
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作者簡介：
黃小耘（1964-），男，廣東中山人，工學碩士，廣東電網一
級技術專家，教授級高級工程師，主要從事電力系統自動化工作。
研究方向：電力系統自動化、智能電網。
E-Mail: xiaoyunhuang@21cn.com。