电压暂降问题及其有效治理措施（电压暂降问题及其有效治理措施）

电压暂降和瞬时供电中断是两种典型的暂态电能质量问题，已经给连续性生产的重要行业用户造成了重大经济损失和负面影响，这一问题正逐渐引起电力部门和行业用户的高度重视。在电能质量问题的众多解决方案中，固态切换开关（SSTS）是一种极具竞争力的解决手段，在配电网中有着广泛的应用前景。

本文介绍了SSTS的基本原理，然后结合唐山地区某典型企业配电系统改造实例，阐述了SSTS对于解决电压暂降和瞬时供电中断的实际应用效果。

电能质量的描述分为稳态电能质量和暂态电能质量，过去我们对电能质量的描述和评价主要集中在稳态方面，而且经过多年的努力，我们国家的稳态电能质量已经得到很大的提高，然而，我们对于暂态电能质量的认识尚不深入，电力部门也没有引起足够的重视。

1 电压暂降问题

暂态电能质量问题主要包括：电压暂降/骤降（Voltage Sag or Dip）、电压暂升/骤升（Voltage Swell）、电压中断（Voltage Interrruption）、电压波动（Voltage Fluctuation）等。EPRI（美国电科院）的全国性调研结果表明：在所有的电能质量问题中，其中98％是由电压暂降、持续15秒或更短时间的电压中断造成的。

目前电压暂降和瞬时供电中断问题已经给国内的石化、冶金、煤矿、半导体、汽车、制药、纺织等行业造成了几十亿的年直接经济损失，所导致的间接损失更是无法估量。

从现在开始，我们必须正视这一现状，从政策、体制、资金、技术和运行管理等方面综合推进电能质量治理这一系统工程。

2 电压暂降解决方案分析

电压暂降治理方案的选择涉及到企业负荷性质、治理层面（终端负荷、生产线、全厂）、现有经济损失、治理方案资金投入、现场施工等多个方面，是一项综合考虑经济与技术、投资与回报的复杂工作。

常规解决方案主要包括：不间断电源（UPS）、动态电压恢复器（DVR）和固态切换开关（SSTS），方案对比如下：

（1）UPS是我们通常会首先想到的解决方案，已经在众多行业得到了普遍应用。但目前主流的双变换在线式UPS所带来的高能耗问题已经被大家所认知，因此，一种效率极高的动态不间断电源（Dynamic Uninterruptible Power Supply, DUPS）正日见端倪，并开始得到应用。

无论UPS还是DUPS，一般功率较小，通常以低压为主，主要适用于企业终端负荷治理，可以根据功率情况进行“一对一”或“一对多”应用。如果企业敏感负荷所占比重较大，可以考虑生产线级，甚至全厂级治理，此时需要大功率UPS（或DUPS），甚至是高压大功率UPS（或DUPS），相应的造价将非常高昂，同时还涉及到电池定期维护和更换问题。

（2）DVR在应对电压暂降方面与UPS相比，有比较强的价格优势，但它自身具有致命性缺陷，即电网电压跌至50％以下，或完全中断时，DVR已经无法进行有效补偿，形同虚设了。

（3）SSTS是一种能够在一个周波之内完成双电源切换的极高速切换装置，与传统的切换设备有着实质性的区别，它彻底摒弃了机械开关作为切换元件的传统做法，而是创造性的采用半导体固态开关作为切换元件，同时辅以先进的检测和控制技术，来实现如此高速的电源切换。

目前SSTS已经在国外得到了广泛应用，生产厂家主要以外国公司为主，可喜的是，国内一些有雄厚技术实力的厂家已经开发出此类装置，比如荣信股份开发的系列高中低压SSTS，技术指标接近甚至超过了外国公司，并且已经在多个行业开始应用。

SSTS尤其适用于大容量的生产线级和全厂级电压暂降治理，或者是高压大功率终端负荷，其投资大大低于高压大容量UPS（或DUPS），另外现场改造简单，施工和调试方便，是一种理想的大功率电压暂降解决方案，尤其是高中压场合。

3 SSTS基本原理

SSTS基本原理拓扑如图1所示，它主要包括基于晶闸管阀体的固态开关、旁路和隔离开关、电压互感器、电流互感器、控制器、人机交互接口等。

图1 SSTS基本原理拓扑

（1）固态开关：由一对反并联的晶闸管组成，各自导通半个周波，根据系统额定电压和电流情况，固态开关由晶闸管串并联组成，形成晶闸管阀体。

假定正常情况下电源1供电，则固态开关1导通，固态开关2处于分断状态，电流流经固态开关1。当电源1故障，或主动切换至电源2时，分断固态开关1，此后导通固态开关2，负载转由电源2供电，电流流经固态开关2。

（2）隔离和旁路开关：K1～K3为隔离开关，K4和K5为旁路开关。正常情况下电流流经固态开关，电源之间的切换由固态开关完成，此时隔离开关处于导通状态，而旁路开关处于分断状态。当固态开关故障或定期维护时，导通旁路开关，分断隔离开关，此时SSTS类似于传统的电源切换装置，以最大程度上保证负荷的正常供电不受影响。

（3）电压互感器、电流互感器：信号采样装置，通过电压和电流互感器获取一次电压和电流信息，以供控制器进行分析判断。

（4）控制器：整个SSTS系统核心，负责各种信号的采样处理、分析计算、开关动作、保护等。

（5）人机交互：主/备电源选择、手动/自动切换、切换门限、状态显示等通过人机交互接口处理。

4 应用案例

4.1 企业需求

唐山高新技术产业开发区已经发展成为以焊接、汽车零部件、新材料、生物制药、智能仪器仪表、环保机械为特色的国家级高新区。

从高新区规划开始，唐山供电局就始终秉承提供一流高品质电力供应的服务宗旨，在规划、建设、运行和服务等多个方面坚持高标准。

但随着开发区规模的不断发展壮大，用户对供电品质需求的差异性也逐渐显现出来。比如某半导体制造企业，生产装置基本全是国外进口，对电能质量要求极高，一旦发生电压暂降等暂态电能治理问题，就会导致部分设备，甚至全厂设备停机，每次损失高达100万元左右，这样的事故基本上每年都会发生3～5次不等，甚至很多情况下连照明日光灯都没有闪烁，企业感到非常困惑。

4.2 现场调研

针对该企业的实际情况，唐山供电局和用户进行了深入的沟通和分析，最后决定首先在企业两段10kV母线上安装两台电能治理监测仪，以实时监测电压波动情况，系统一次图如图2所示。

图2 企业一次系统图

经过3个月的实时监测，共发生5次电压暂降，其中电压暂降幅度最大的一次高达80％，持续时间200ms，其余几次暂降幅值都在30～50％之间，持续时间在100～200ms之间。由于企业两路35kV进线来自不同的变电站，所以两段10kV并没有同时发生电压暂降事故。

由于该企业敏感负荷占全厂总负荷的50％以上，所以唐山供电局经过与用户协商后，决定安装一台荣信股份生产的10kV/630A SSTS，用于全厂级电压暂降治理。唐山供电局提供从解决方案选择、设备选型、方案设计、现场施工、安装调试等一系列技术支持工作。

4.3 解决方案

由于是现场改造项目，企业要求现有开关均保留，所以SSTS串联接入现有系统，安装示意图如图3所示，其中SSTS内部结构如图4所示。

图3 SSTS安装示意图

图4 SSTS内部结构图

SSTS安装之后，要求现有断路器QF1、QF2和QF3处于常闭状态，而系统运行方式和电源之间的切换全部由SSTS完成。

4.4 现场调试

SSTS设备安装之后，系统上电，然后分别进行了手动空载切换、人为断一路输入电源的自动空载切换、半载和全载下的手动切换和断一路输入电源自动切换，每次SSTS都能可靠动作，切换时间都在8ms以内，典型切换波形如图5所示。

图5 负载电压典型切换波形

由图5可以看出，SSTS切换时负载电压波形连续，真正实现了无缝切换。SSTS切换时，所有生产设备、办公设备、生活设备都没有受到任何影响，一切运转平稳，完全感受不到电源发生了变化。

该设备投运至今，已成功避免了十多次的电压暂降，有效的保证了企业的正常生产，避免了巨大经济损失。

5 结论

（1）SSTS现场运行结果表明，切换时能够确保变频器、伺服驱动器、直流调速器、接触器、机器手、PLC、DCS、计算机和行业专有设备（如切割机、PECVD、光纤机、高频电解电镀电源等）的不间断运行；

（2）SSTS是解决电压暂降问题的一种经济有效方案，尤其是大容量终端负荷、生产线或全厂级治理，且该设备免维护。

（3）对于企业来讲，避免经济损失意味着将直接增加了效益。宏观上，有效节约和利用了社会资源，提高了国民经济的总体效益。

（编自《电气技术》，作者为赵亮、张建军。）

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