電壓暫降是指電力系統(tǒng)中某點工頻電壓方均根值突然降低至0.1～0.9p.u.、并在短暫持續(xù)10ms～1min后恢復正常的現(xiàn)象。產生電壓暫降事件的原因很多，普遍認為包括系統(tǒng)內的短路故障、大型電動機起動、大型變壓器空載激磁、大容量無功補償電容器組的投切等，這些原因可統(tǒng)一歸結為短時間內從系統(tǒng)突然汲出一個大電流，并自動恢復。可以認為，電壓暫降是電力系統(tǒng)正常運行不可避免的事件。

近年來，由于臺風災害、重大活動籌備建設等原因，廈門翔安地區(qū)電網(wǎng)頻繁發(fā)生由短路故障引起的電壓暫降事件。該地區(qū)大量以光電子行業(yè)為代表的高新技術企業(yè)匯集成現(xiàn)代工業(yè)園區(qū)，為了提高生產力水平，所采用的大量以CPU、微電子、電力電子、數(shù)字化和信息化技術為核心的高科技精密設備對電壓暫降非常敏感。電壓暫降已成為威脅園區(qū)生產運作的主要問題。

電力用戶每年因電壓暫降問題造成的經(jīng)濟損失巨大。實際調查表明，該園區(qū)年度平均經(jīng)濟損失超過2億元。某國家級光電子產業(yè)基地的重要用戶，在2016年6月—2017年6月期間因電壓暫降停機12次，單次經(jīng)濟損失達400～600萬元。

隨著現(xiàn)代工業(yè)園區(qū)設備趨于集成化和精密化，用電設備對電壓質量的要求不斷提高，電壓暫降對用戶設備的安全可靠運行造成的威脅日益加劇。且由于不同用戶用電需求的差異性，傳統(tǒng)的單一定制電力技術不能很好地滿足電力市場中供用電雙方的利益訴求，因此，需要積極探索預防性和補救性相結合的措施，應分別從配電網(wǎng)網(wǎng)架結構優(yōu)化、用戶配電設備參數(shù)設置以及含儲能設備的電壓暫降治理設備的應用等方面提出針對現(xiàn)代工業(yè)園區(qū)電壓暫降的防治方法。

1 電網(wǎng)結構及用戶電壓暫降情況

1.1 翔安地區(qū)電網(wǎng)結構

翔安地區(qū)電網(wǎng)結構及各重要高壓用戶的供電方式已能滿足較高的可靠供電要求，如圖1所示。公共電源點方面：主要有500kV的東崗變（電源主要來自泉州、漳州和寧德電廠）；公共變電站方面：在運500kV變電站1座（東崗變），220kV變電站3座（內官變、丁亭變、翔安變）。500kV和220kV電網(wǎng)均已形成雙回雙環(huán)網(wǎng)結構，可以實現(xiàn)電能跨區(qū)供應。

110kV電網(wǎng)架構是廈門市布置最密集和完善的區(qū)域之一。重要客戶電網(wǎng)方面：主要有SA、XD、YJ、TM等數(shù)家高新技術企業(yè)（由于涉及用戶隱私，故采用字母縮寫代替），均為自建110kV變電站且均為雙回110kV進線供電，兩回進線盡量來自不同的220kV變電站。

圖1 重要用戶與上級電源點連接關系

1.2 用戶電壓暫降情況

廈門翔安工業(yè)園區(qū)陸續(xù)投產了一批高質量電壓需求客戶。2017年以來，由于區(qū)域內臺風、雷擊等自然災害，電網(wǎng)設備故障（含泉、漳500kV電網(wǎng)故障，廈門其他區(qū)域故障，客戶設備故障），以及重大活動籌備建設等因素，造成部分重要敏感用戶發(fā)生了電壓暫降和短時停電。

表1統(tǒng)計的是該地區(qū)4家代表性企業(yè)同時遭受的電壓暫降事件。電壓暫降主要影響其生產線精密工藝設備、空氣壓縮機、變頻器、交流接觸器等敏感設備，造成產品報廢、設備損壞、生產效率降低、能量損耗增大、合同賠償?shù)戎苯踊蜷g接損失。

表1 重要用戶電壓暫降事故集中統(tǒng)計表

• XD從2017年2月—2017年6月一共發(fā)生停電或暫降事故11起（停電2起，暫降9起），損失529萬。
• TM從2016年6月—2017年6月共發(fā)生暫降事故14起。其中工藝設備受影響較嚴重，敏感負荷復機時間長，停機1～2h，而復電至正常工作則需要2～3天，14起中有12起導致工業(yè)設備宕機（指計算不能正常工作）；廠務設備有3起受影響。
• SA統(tǒng)計2016年發(fā)生電壓暫降事故3起，2017近半年發(fā)生6起電壓暫降事故，損失將近1.5億，主要影響集中于生產線的敏感負荷，一個生產周期內（二十多天）若發(fā)生暫降，則將導致全批次產品報廢。
• YJ統(tǒng)計2017年近半年9起電壓暫降事故，共計損失203萬元。

2 電壓暫降原因分析

2.1 電網(wǎng)側原因分析

系統(tǒng)短路故障造成電壓暫降或短時停電。當發(fā)生突發(fā)自然災害、零星異物漂浮、野蠻施工破壞、季節(jié)性火燒山等事故時，會造成輸電線路短路，影響相關配電系統(tǒng)的電壓質量。用戶經(jīng)受的電壓暫降幅值取決于與故障點的電氣距離，電氣距離越近，電壓暫降幅值越大。配電系統(tǒng)的短路故障也會引起相鄰饋線的電壓暫降。

隨著電網(wǎng)互聯(lián)的加強，在供電能力和可靠性進一步提升的同時，電壓暫降大范圍傳播的威脅加大。當上級近區(qū)500kV系統(tǒng)發(fā)生短路時，將影響廈門地區(qū)的所有220kV電壓；當220kV系統(tǒng)發(fā)生短路時，與故障點距離近的片區(qū)220kV電壓同時發(fā)生暫降，如泉州地區(qū)、同安區(qū)220kV系統(tǒng)故障，翔安區(qū)220kV電壓也感受到暫降；110kV線路故障影響范圍集中在直接連接的220kV站、110kV母線及其饋出線路。

電網(wǎng)大建設引起電網(wǎng)事故風險增大。由于翔安地區(qū)用戶和用電量的快速增加，電網(wǎng)公司加快電網(wǎng)建設以滿足負荷增長的需要。在電網(wǎng)建設過程中，線路跨越、設備試驗等因素引起電網(wǎng)部分線路停電，新設備投入和電網(wǎng)運行方式的調整使風險增加。

臺風給電網(wǎng)和設備帶來一定的隱患。超強臺風過后，翔安地區(qū)電網(wǎng)和上一級電網(wǎng)快速恢復供電，但部分電網(wǎng)和設備存在強度下降、應力降低等不影響送電的隱患，經(jīng)過一定時間的運行，抗外力影響的能力有所降低。

2.2 用戶側原因分析

圖2 典型電壓敏感負載耐受能力

用戶包含越來越多的敏感設備。多數(shù)敏感設備的電壓暫降耐受力在幾十甚至幾毫秒內，如圖2所示，且位于工業(yè)過程的關鍵部分，一旦遭遇電壓暫降而宕機，就可能導致后續(xù)工序被迫中斷。此外，相當一部分的工業(yè)過程中斷事故是廠務系統(tǒng)宕機所致，其造成的后果往往比工藝設備直接受到電壓暫降影響更嚴重。

比如，排氣系統(tǒng)的排氣泵由變頻器拖動，當發(fā)生電壓暫降時，變頻器跳閘，隨即排氣風機停機，潔凈室氣體指標發(fā)生變化，導致半導體工藝連鎖跳車，生產過程中斷，產品報廢，造成幾百萬的經(jīng)濟損失。

用戶配備的電壓補償設備或不間斷電源遠遠不足。對廈門市110kV重點工業(yè)企業(yè)電壓補償設備的調查顯示，僅少數(shù)企業(yè)配備電壓暫降緩解設備。初步調研可知，有配置的企業(yè)在電壓發(fā)生暫降時，可承受20%～30%電壓壓降及60～100ms的電壓暫降，能夠維持正常生產，降低產能損失。

企業(yè)普遍缺乏對電壓暫降的認識，不愿意投資治理。國網(wǎng)福建電力公司2017年開展某地級市的電能質量經(jīng)濟損失調研，參與調研的20家企業(yè)包含了紡織業(yè)、醫(yī)院、農產品加工、新能源、電子行業(yè)、鞋業(yè)、塑料盒橡膠業(yè)等行業(yè)，主要產品包括紡織品、封裝產品、保鮮蔬菜、測試產品，其中，只有47.1%的企業(yè)愿意增加投資解決電能質量問題。

3 電壓暫降防治建議

對于電壓暫降問題應主要從以下兩方面考慮防治措施：一方面改變網(wǎng)絡結構，降低系統(tǒng)短路故障的發(fā)生概率，以減少發(fā)生電壓暫降的頻率；另一方面在短路故障發(fā)生后，在用戶側加裝補償設備，以緩解電壓暫降的影響。

3.1 電網(wǎng)側改造

1）系統(tǒng)改造

減少故障次數(shù)不僅可以減少電壓暫降的頻次，還可以減小永久性供電中斷頻次，因此，這是一種改善電力系統(tǒng)供電質量的有效方法，主要措施有：用地下電纜替代架空線、修理樹枝、增強防雷擊、提高絕緣水平等。電壓中斷持續(xù)時間取決于供電恢復的速度，縮短故障清除時間雖然不能影響電壓暫降的頻次，但是會明顯地限制電壓暫降的持續(xù)時間，減小電壓暫降事件的嚴重程度。

其方法主要包括對關鍵線路采用光纖保護、優(yōu)化本地配電網(wǎng)的保護定值等。此外，通過系統(tǒng)改造，電壓擾動事件的嚴重程度也可以得到降低，其抑制電壓中斷的主要方法是安裝冗余元件。

2）雙電源快速切換

基于電磁斥力原理的快速開關（HSB）因其速度性、可靠性和經(jīng)濟性上的優(yōu)勢，被越來越多地應用于電力系統(tǒng)故障限流、直流斷路器以及相控開關等諸多領域。與基于電力電子技術的固態(tài)切換開關（SSTS）相比，這種快速開關切換速度相當（HSB：13～15ms；SSTS：10～13ms）且不受電力電子器件可靠性、高壓大容量經(jīng)濟性制約，因而可以彌補電力電子快切開關在高壓系統(tǒng)的不足。

基于快速開關的雙電源快速切換方案，可在變電站或開關站出線處實施，從電網(wǎng)側保證大功率敏感負荷的供電連續(xù)性，其原理如圖3所示。

圖3 雙電源快速切換原理示意圖

正常運行時，Ⅰ段電源進線開關K1處于合閘狀態(tài)，Ⅱ段開關K2處于分閘狀態(tài)；切換控制器實時檢測工備電源的電壓同期狀態(tài)。當工作電源系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降時，切換控制器控制K1跳閘，然后再合K2，實現(xiàn)對負荷供電的切換。在企業(yè)兩路進線電源端安裝快速切換裝置，實現(xiàn)15ms以內備用電源快速切換，可避免企業(yè)內部大多數(shù)負荷經(jīng)受因外部電網(wǎng)故障造成電壓暫降。

值得注意的是，本方案需要滿足兩個前提：①具備兩路同性質且不同源的獨立電源；②每路電源能承載切換后的總負荷。

3.2 用戶側治理

1）調整低壓脫扣器的配置

低壓脫扣器是斷路器的核心元件，對斷路器的分閘起關鍵性作用，一旦監(jiān)測到電壓低于某一設定值，即動作切斷負載，目前在配電網(wǎng)中廣泛應用[10-11]。據(jù)調研，配電網(wǎng)中低壓開關中配有的低壓脫扣器大多數(shù)采用的是瞬時型。

然而，配置瞬時型低壓脫扣存在的問題有：①電壓暫降或正常操作可能會引起低壓脫扣器動作，造成用電設備突然斷電，影響用戶的生產；②在線路故障跳閘、限電、檢修等情況下，0.4kV低壓斷路器也會因低壓脫扣器動作而跳閘，必須由人工對低壓斷路器進行合閘操作后電路才能復電，工作量大，降低了供電的連續(xù)性。

通過給低壓脫扣裝置設置延時，可以合理避開部分暫態(tài)事件影響，減少用戶平均停電時間，提高用戶供電可靠性。

對低壓脫扣器的配置建議如下：

（1）建議對用戶專用變壓器的低壓進線或母聯(lián)開關的欠壓脫扣全部解除，這樣與公網(wǎng)配置一致，可以避免普通負荷因電壓暫降造成的損失。

（2）若用戶各用電設備的終端開關配置有欠壓脫扣，則建議加上1～2s的延時，低壓脫扣裝置的延遲時間按照躲過電網(wǎng)各電壓等級故障切除時長、單相故障重合閘等時長和各類傳感器檢測、開關動作、自動化數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙逃袝r間進行設置，應根據(jù)各種工況詳細計算，至少不小于1s。這樣既避免了大部分因主網(wǎng)故障造成的電壓暫降影響，又保留了用戶特殊的失壓保護功能。

2）電壓補償設備

電網(wǎng)故障是不可避免的，在用戶設備已安裝投運的情況下，通過在用戶側加裝補償設備是目前通用的主要措施，以降低生產過程中斷和生產設備損壞的風險。典型的治理方案包括以下4種：

（1）在線式不間斷電源（uninterruptible power supply, UPS）

此方案響應速度快，不間斷供電，持續(xù)供電時間長，達到分鐘級，且具有穩(wěn)壓的效果，可以顯著提高功率因數(shù)。缺點是建設投資高，后期維護量成本量和工作量大，蓄電池壽命短（3～5年），具有10%的損耗和20%的電流畸變率。

（2）離線式應急電源（UPS）

此方案配置電池儲能后可實現(xiàn)長時間補償，效率比在線式UPS高5%，投資比在線式UPS略低，且運行噪聲低。缺點是響應速度慢（10ms左右），輸出諧波含量大，且占地面積大，建設投資和后期維護成本的工作量大。

（3）動態(tài)電壓恢復器（dynamic voltage restorer, DVR）

此方案響應速度快（2ms），如果不采用電池，那么占地面積小，使用壽命長。但也存在輸出諧波含量大、補償?shù)纳疃群统掷m(xù)時間有限、裝置本身有損耗等缺點。

（4）直流支撐技術（VSP）

此方案響應速度快，達到微秒級，補償時間長，深度大，電池用量少，建設維護成本低。技術缺點是改造工程量大，放電時容易形成變頻器之間的換流，直流紋波增大，相互之間會有干擾，且存在電池維護問題。

以上方案均基于電力電子技術，存在投資高、損耗大、可靠性差、容量受限等問題。

基于快速開關的含儲能快切裝置可解決上述問題，其原理示意圖如圖4所示。切換裝置由切換開關K1、K2和切換控制器組成，負載連接超級電容儲能裝置。當電源發(fā)生故障時，切換控制器控制切換開關斷開，由超級電容向負載供電。

圖4 含儲能的快切裝置原理示意圖

若在企業(yè)內部關鍵生產流程安裝含儲能的快切裝置，則可實現(xiàn)故障時間15ms內將關鍵工藝流程供電切換到儲能電源，且能維持足夠的供電時間，等待暫降結束回切。

結論

本文分析了廈門翔安地區(qū)重要用戶的電壓暫降的現(xiàn)狀，針對該地區(qū)用戶特點，從全局角度提出了電網(wǎng)改造、安裝電壓補償設備等防治建議。通過基于快速開關的雙電源快切方案和含儲能的快切方案在電網(wǎng)側和用戶側的應用，實現(xiàn)經(jīng)濟可靠的電壓暫降治理，有效提升用戶電能質量。

電壓暫降的防治工作需要充分發(fā)揮電網(wǎng)側預防的宏觀作用和用戶側治理的高效性。供需雙方協(xié)同治理，是未來的趨勢。為了優(yōu)化電壓暫降治理資源配置，減少電能質量責任糾紛，下一步應重點研究電網(wǎng)側與用戶側相協(xié)調的治理策略。