淺談電網(wǎng)瞬間電壓降的危害及對策

1　瞬間電壓降的統(tǒng)計資料

1．1　瞬間電壓降和無計劃停電

　　市電瞬間電壓降是難以避免的電能質(zhì)量問題，即使在發(fā)達國家也同樣存在，無計劃停電則隨著技術(shù)進步和電力工業(yè)的發(fā)展而逐步減少。每年兩者發(fā)生次數(shù)之比很難確定，通常前者遠多于后者（與用電級別、用戶電網(wǎng)有關(guān)）。
1．2　市電瞬間電壓降幅度和技術(shù)時間的概率分布

　　根據(jù)日本福井縣某廠1991年1月13日到1998年1月21日共195次瞬間電壓降和突然停電的記錄，我們繪出了概率分布直方圖，如圖1所示。其中電壓下降度表示的是電壓下降了額定值的百分數(shù)。

　　圖（1）表明：瞬間電壓降的發(fā)生概率遠遠大于無計劃停電，98％以上的瞬間電壓降幅度都在60％以上，持續(xù)時間在0．35秒以下，與文獻［1］基本吻合。

1．3　瞬間電壓降按月分布情況（文獻［2］）

　　瞬間電壓降按月分布情況如圖2所示，從瞬間電壓降產(chǎn)生的原因并結(jié)合圖2我們可以知道：瞬間電壓降產(chǎn)生的次數(shù)與有雷日的多少有關(guān)，當然也與電網(wǎng)的技術(shù)狀況有關(guān)。

1．4　江西滌輪廠瞬間電壓降的例證

　　現(xiàn)將1990年11月16日到1991年10月10日總調(diào)度的運行日志上的有關(guān)瞬間電壓降引起的停機記錄摘抄列于表1（注：缺1991年7月原始數(shù)據(jù)）。

2　瞬間電壓降的危害

2．1　常用電氣設(shè)備對市電瞬間電壓降的承受能力
　　常用電氣設(shè)備對市電瞬間電壓降的承受能力如圖3所示。

2．1．1　計算機———當電壓降幅度超過10％，持續(xù)時間超過約10ms時，將影響正常工作（見圖3）。對普通計算機而言，突然停電將可能丟失大量數(shù)據(jù)甚至損壞硬件。對某些單片機控制系統(tǒng)來說將意識著失去控制，處于待機狀態(tài)。瞬間電壓降會造成對計算機系統(tǒng)的干擾，嚴重時導致系統(tǒng)不能夠正常工作，如計算機的開關(guān)電源在電壓下降到一定值時，交換器停止振蕩，高頻變壓器不再傳輸能量，開關(guān)電源輸出電壓會迅速下降，導致機器“假停電”現(xiàn)象，即使持續(xù)時間很短，系統(tǒng)也會因為程序、標志和關(guān)鍵現(xiàn)場數(shù)據(jù)丟失而不能正常工作，有些計算機會重新啟動，有些甚至出現(xiàn)死機現(xiàn)象，對工業(yè)控制計算機系統(tǒng)則引起執(zhí)行機構(gòu)停留在不安全的位置或狀態(tài)。

2．1．2　電磁開關(guān)———當電壓降幅度超過50％，持續(xù)時間超過約10ms時，將自行脫鉤。
　　瞬間電壓降發(fā)生之后，在重力和蓄能彈簧彈力的作用下使銜鐵返回至復原處，觸點恢復常態(tài)。

2．1．3　電氣調(diào)速系統(tǒng)———當電壓降幅度超過約15％，持續(xù)時間超過約10ms時，將損壞元件或自動停機。

　　電氣調(diào)速系統(tǒng)通常采用復數(shù)個電力電子器件作為其功率變換裝置，工作時按需要對器件的導通和關(guān)斷狀態(tài)進行有規(guī)律的切換。對晶閘管等非自關(guān)斷器件來說，其關(guān)斷需要反向電壓，而市電正弦波在某些特定的條件下可參與構(gòu)成反向電壓，瞬間電壓降會導致反向電壓不足，導通的晶閘管也就不能及時關(guān)斷，隨之而來的是與其在同一個橋臂的關(guān)斷著的晶閘管卻要導通，其后果是短路將器件損壞。

　　對IGBT和晶閘管等可控器件來說，導通需觸發(fā)脈沖，由于其觸發(fā)脈沖有時是在市電正弦波和控制電壓的共同作用下形成的，并且需要與主回路（市電）保持嚴格的相位關(guān)系，市電瞬間電壓降會導致觸發(fā)脈沖丟失或?qū)ń堑母淖?，進而造成變流失敗。

　　為了避免瞬間電壓降導致電力電子器件的損壞，廠家往往在裝置上設(shè)有保護電路，檢測到瞬間電壓降之后迅速停機，這樣電力電子調(diào)速裝置雖然可以免受其害，但被拖動的機械設(shè)備卻停了下來，這樣勢必使那些對連續(xù)生產(chǎn)有苛刻要求的設(shè)備造成重大損失。

2．1．4　氣體放電燈———當電壓降幅度超過20％，持續(xù)時間超過約100ms時，將自行熄滅。以高壓汞燈為例，一旦熄滅，重新點燃后達到額定的亮度還得要等數(shù)分鐘時間。

2．1．5　欠壓保護———在裝有欠壓保護的裝置或系統(tǒng)中，當市電瞬間電壓低于整定值時，將產(chǎn)生誤動作。
2．2　瞬間電壓降的危害

　　a　易受瞬間電壓降影響的設(shè)備和系統(tǒng)有：計算機、電梯、記憶顯示、電氣傳動、醫(yī)療機械、重要照明、摻雜爐和流水生產(chǎn)線等。
　　b　易受瞬間電壓影響的行業(yè)或部門有：高層建筑、化纖、半導體、鋼鐵、造紙、機場、醫(yī)院、銀行、郵　　電、機關(guān)和研究所等。
　　c　江西滌綸廠自1984年投產(chǎn)以來，就一直受到電網(wǎng)瞬間電壓降的影響。根據(jù)該廠調(diào)度室對常規(guī)紡絲車間記錄表明二線計量泵變頻器因瞬間電壓降造成的停車的次數(shù)為：1996年3—12月共16次，1997年1－8月共18次，以此推算每年約20次，每次停車約20－30S，停車一條線平均損失約1000元（其中包括紡絲報廢損失315元，正常產(chǎn)量損失140元，元器件損失140元，人工費200元，其它200元）。平均每年一條線造成的損失為2萬元，按該廠七條線計算，年損失達14萬元之多。

3　對策及特點

3．1　對策

　　為了減少瞬間電壓降造成的危害，可采取的主要對策有：

3．1．1　電動———發(fā)電機組

　　原理：電動機帶動發(fā)電機，再由發(fā)電機向負載供電，由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量較大，在一定程度上可以克服瞬間電壓降的影響。

3．1．2　飛輪蓄能系統(tǒng)

　　原理：電動機帶動飛輪和發(fā)電機，轉(zhuǎn)動慣量很大的飛輪置于真空中以減少能量損耗，可以在較大的范圍內(nèi)克服電源諸多質(zhì)量問題對負載的影響。

　　問題：成本高，制作難度大，旋轉(zhuǎn)機械維修困難。

3．1．3　不停電電源（UPS）［4］

　　原理：將交流電整流后儲存在蓄電池中，再通過逆變器把直流變成交流向負載供電。其主要功能是防止突然停電。
　　問題：成本高，體積大，蓄電池壽命短，維護困難且維護成本高。

3．1．4　新型的瞬間電壓降補償器［5］

　　原理：市電瞬間電壓降也可以說是瞬間的電能不足，注意到98％以上的瞬間電壓降幅度都在60％以上，持續(xù)時間在0．35秒以下，用僅在發(fā)生電壓降的瞬間補償部分電壓的辦法來維持負載電壓不變，也就是采用瞬間補償部分能量的辦法，因此用電解電容器取代蓄電池來進行儲能，從而降低了設(shè)備的成本，延長了使用壽命。

　　問題：與UPS一樣，在線備用時間太長。

3．1．5　交流電子穩(wěn)壓電源

優(yōu)點：響應速度較快，交流輸出波形較好。缺點：容量小。

3．1．6　其它

方法：在市售設(shè)備上作些小改進
　　問題：a　市電瞬間電壓降說到底就是瞬間能源短缺，不提供穩(wěn)定的能量只能治標，不能治本；
　　b　電子線路的集成度越來越高，各公司的設(shè)計也不相同，絕大多數(shù)廠家都不提供詳細的圖紙和程序。因此除了對電磁器件有一定效果外，可操作的范圍極為有限。

3．2　幾種對策的性能比較：

　　電動———發(fā)電機組和飛輪蓄能系統(tǒng)成本高、制作難度大、且旋轉(zhuǎn)機械維修困難，交流電子穩(wěn)壓電源容量太??；UPS的主要功能是預防因電網(wǎng)突然停電而造成負載斷電，雖然也能夠消除瞬間電壓降所造成的危害，但如果僅用于對付瞬間電壓降，則蓄電容量便大大有余（蓄電必須有一定的容量以保證足夠的電流輸出），從而導致成本高；而瞬間電壓補償器因僅僅在瞬間補償部分能量，與UPS相比價格便宜，壽命長且維護簡單。