您的位置:首页>新闻中心>行业资讯>

行业资讯

关于电压暂降问题的几点思考 时间:2017-06-05 13:14:00     来源:
    随着对电能质量问题研究的不断深入,在对谐波、电压偏差、电压波动与闪变等稳态(或准稳态)电能质量问题及其治理手段多年研究,取得诸多成果的基础上,对于电压暂降与暂升、供电暂时中断、冲击性谐波变化这类暂态电能质量问题及其应对措施的关注程度日益提高,并取得很多成果。

    在各类暂态电能质量问题中,电压暂降是发生频度最高的事件之一。发生时刻的不确定性及表现形式的多样性与复杂性,以及因电压暂降事件带来的后果的不确定性与复杂性,使得其研究工作具有较大的难度。2013年,我国颁布了国家标准《GBT30137-2013电能质量电压暂降与短时中断》,IEEE也于2014年颁布了关于电压暂降指标的标准《IEEEstd1564-2014:GuideforVoltageSagIndices》。与研究工作相比,相关标准颁布的严重滞后,也从一个侧面反映出电压暂降问题研究的复杂性与难度。

1 电压暂降指标存在的问题

    无论是我国的电压暂降国家标准(以下简称国标)还是IEEE的电压暂降指标导则(GuideforVoltageSagIndices)(以下简称IEEE1564),其核心内容都是电压暂降各相关指标的定义、检测及及计算方法。这些指标定义的合理性与有效性,无疑是标准得以贯彻执行,并且能够对电压暂降研究工作的开展和解决方案的实施起到指导作用的关键所在。

    各种电压暂降指标应该是以某种量化的形式反映电压暂降(以及所产生的危害)的严重程度。但由于电压暂降事件本身的复杂性以及用电设备的多样性和对于电压暂降事件所产生的反应的复杂性(可能还包括不确定性),使得这些指标的制订极为困难。

单次电压暂降事件指标

    单次电压暂降事件指标是所有电压暂降相关指标的基础。单相场合的情况较为简单,电压暂降事件包括两个维度:暂降的深度(或等效地采用残余电压)和暂降持续的时间。三相的情况较为复杂,国标未专门给出定义,而IEEE1564则给出了所谓“特征电压”的概念。在三相电压同时发生电压暂降时,按照“特征电压”概念得到暂降持续时间,通常会比任意一相的暂降持续时间长。

    毫无疑问,幅度较深的电压暂降或持续时间较长的电压暂降意味着电压暂降事件较为严重。但这两者之间是否存在确定的转换关系呢?对于单次电压暂降事件指标,无论国标还是IEEE1564都未直接给出明确的关系。在IEEE1564中,后续给出的其它标准(电压暂降能量指标和电压暂降严重度指标)隐含地给出了它们之间的转换关系。但是,这种转换关系并不一致,而且,更重要地,它们能够真正反映电压暂降的严重程度吗?

电压暂降能量(损失)指标

    电压暂降能量指标是衡量电压暂降事件造成损失的定量指标。IEEE1564给出的电压暂降能量指标的定义如下:

\

    很明显,通过上式计算出的是时间而并非能量。可以理解为:以设备的额定(有功)功率为基准,在发生电压暂降事件的过程中,损失掉的能量所对应的时间。这一指标量化地给出了电压暂降所带来的损失。但事实上,多数电压暂降事件对于敏感负载所带来的影响,这一指标几乎并不能确切地反映。笔者曾参与过华北地区某企业在一段时间内频发设备突然停运故障的分析。根据记录数据,事故无疑是由于电压暂降引起的,而设备停运(包括风机、水泵、生产线的驱动装置等)所带来的损失,显然不是停运设备在电压暂降期间损失掉的能量本身所对应的损失可比的。

    此外,在IEEE1564给出的电压暂降能量指标定义中,假定负载的特性为恒阻抗。而事实上,目前相当多的负载,特别是对电压暂降敏感的负载并非恒阻抗负载,这些负载在发生电压暂降事件时,即使简单地考虑损失掉的能量(所对应的时间),其值也不能用上式来计算。

电压暂降严重度指标

    IEEE1564给出的电压暂降严重度指标的定义如下:

\

    式中分子中的V为实际电压,而分母中的Vcurve是某一电压容差曲线所对应的参考电压。例如,图1(引自IEEE1564)给出了以SEMIF47曲线为参考电压得到的电压暂降严重度指标。

\

图1 以SEMIF47为参考电压得到的电压暂降严重度指标

    根据电压暂降严重度指标的定义,当实际电压位于SEMIF47给出的容差曲线上时,指标的值为1。当实际电压超出容差曲线范围时,指标大于1。指标数值越大,表明电压暂降越严重。笔者认为该指标定义的问题出现在实际电压位于容差曲线范围内时。按照IEEEF47对这一指标定义的解释,当实际电压高于90%额定值(电压暂降事件的阈值)时,设定指标值为0,显然,这时的指标数值是人为设定的,而不是根据电压暂降严重度指标值的定义式计算出来的。这种人为的设定,破坏了指标定义的一致性与连贯性,在短时(10s以内)电压暂降值在容差值以内时,使得电压暂降严重度指标值发生跳变。这使得在采用电压暂降严重度指标作为基础做更宏观的电压暂降状况估计时,得到的结果的有效性值得怀疑。


2 电压暂降问题研究的误区

电压暂降研究模型的可信度问题

    对于电压暂降事件引起的损失的研究,特别是量化的研究,一直是电压暂降问题研究的热点问题之一。由于电压暂降事件的随机性以及电压暂降事件引起的后果和损失的复杂性,使得研究所需的大量的基础数据的获取非常困难,要保证所获取的数据的准确性、有效性和可靠性就更为困难。缺乏有效可靠的数据支撑,想建立可信有效的研究模型是不可能的。仍以笔者参与的华北某企业的电压暂降相关的故障调查与分析为例:在近3个月发生的数次电压暂降事件引起的数十处故障,几乎无任何规律可循,只能看出某类负荷(如变频调速装置)是对电压暂降事件敏感的负荷,但具体到某台具体设备,在某次具体的电压暂降事件过程中,可能发生也可能不发生故障。根据这样的数据,很难得到有意义的定量的结论。当然,笔者所举的例子样本太少,未必具有普遍意义,但至少从一个侧面反映了获取有效数据的困难程度。

\

    目前用于评价电压暂降引起的损失的模型种类繁多,但所有模型首先必须解决的基本问题是确定发生电压暂降事件时设备是否会发生故障。通常,采用的方法是根据电压暂降的类型,针对不同的设备类型以ITIC曲线(以前的CBEMA曲线)、SEMIF47曲线等作为参考电压,得到发生故障的概率值。实际上,由于具体设备性能的多样性,按照这种方法得到结果只能是宏观的统计规律,难以用来指导具体的设备或企业的电压暂降解决方案的制定。

对敏感负载特性的改变关注不够

    通过外部的手段降低电压暂降事件的严重程度甚至减少其发生的频度,或改进电压暂降敏感设备的承受能力,是解决电压暂降问题的两个方面。在很多场合,改进敏感负载的特性,提高其在发生电压暂降事件时的承受能力,是针对电压暂降问题有效、合理的解决方案。

    当今我们在世界各地旅行时,已经很少关注我们每天都要使用的手机充电器的电压是否兼容。手机充电器或笔记本电脑电源的100-240V的宽输入电压范围,使得它们可以在全球范围内随意使用。这些设备用在我国的220V的环境下,应对50%以上的电压暂降毫无问题。试想,如果通过适当的方法改造变频调速装置,比如改善交流接触器的防脱扣能力、适当增加换流器直流环节的储能能力,即可渡过发生概率较高的中低严重度的电压暂降事件。这可能比采用诸如UPS或DVR从外部解决问题,总体上更为有效也更为经济。

3 几点建议

    在电压暂降敏感负载的外部和内部同时采取措施,即与解决其他电磁兼容问题类似,在骚扰源与敏感设备两端同时采取措施,往往是既有效又经济的方法。采用UPS或DVR作为敏感负载应对电压暂降问题的解决方案,是将电压暂降的影响御于敏感设备之外,从原理上无疑是有效的,但其昂贵的造价往往使得用户望而却步。而且,像DVR这类设备,尽管其原理早就提出,但到目前为止,实际工程应用仍存在问题。而从另一个角度考虑问题,显著地提高敏感负载的抵御电压暂降的能力,就有可能使得设备降低对电压暂降事件的敏感度,从而顺利地渡过多数电压暂降事件,保证设备正常运行。

    因此,笔者认为,电压暂降的研究者应该特别关注以下几个方面:

    重新设定更为合理的各类电压容差曲线

    目前普遍采用的各种电压容差曲线(ITIC曲线、SEMIF47曲线等),是制订包括电能质量相关标准的重要依据,也是针对设备生产厂商的建议性或强制性标准。但是,多年来的实践表明,即使设备的性能满足曲线的要求,仍然有很大的概率在发生电压暂降事件时失效,从而造成不可忽视的经济损失甚至安全问题。随着技术的进步,在合理增加成本的前提下适当提高设备的耐受能力,是解决电压暂降问题总体上经济性较高且有效的方案。合理地修订电压容差曲线并非易事,当今的大数据技术为这一问题的解决提供了有力的技术手段,但数据的收集、挖掘、处理、分析,仍然是工作量巨大的挑战。

    采取合理可行的措施提高敏感设备的抗敏性

    事实上,大幅度地提高电压暂降敏感设备的承受能力(抗敏性),在当前的技术发展水平下已经基本上不存在技术障碍。但很显然,无论采用何种技术手段,势必增加设备的成本。在没有直接经济利益驱动的情况下,生产厂家不大可能主动采用这些改进方案。

    一方面,通过修订电压容差曲线并修订相应的标准,强制性地使得设备生产厂家修改设计,从而提高电压暂降敏感设备的抗敏性;

    另一方面,研究如何优化方案,使得提高敏感设备抗敏性所采取的技术措施成本更低、更有效,以及更易于对既有设备进行改造,是研究者应该重点关注的课题。