随着社会发展技术进步，现代化企业生产对电能质量提出日益严格的要求。电压跌落作为严重的电能质量问题已成为讨论的热点。

　　高新技术企业，如硅片厂、液晶厂、实验室、信息中心等的生产工艺对控制、检测水平要求高，他们多采用高精度的信号系统及严格的控制流程，一定的电压波动都会造成测试数据不准，控制精度下降，从而导致产品报废。具有大规模自动化生产线的企业，如化工厂、电视玻壳厂、冶金、轮胎厂、制药、食品加工等。此类生产线从配料开始到本次配料变成产品需要数天时间，生产周期长，工艺复杂，生产环节多，涉及生产的人员多。电压跌落给此类生产线不光带来原料浪费、设备损坏，而且造成生产管理混乱及很大的安全隐患。

1 电压跌落对自动控制环节的干扰

　　电压跌落对生产的损害是通过对关键控制环节干扰引起的。

1.1 电压跌落对程序控制器的影响

　　程序控制紊乱会引起主设备拒动或误动作。已发生过由此引起的机器人手臂失控后被烧损、模具报废的事故。控制程序及相关的模拟量、数字量输入输出模块的正常表现都依赖于电源模块的输出状况。若电源模块（24V、12V、5V）输出电压不足，控制器很可能跑飞或死机，控制量的测量很可能不准，开入开出量很可能变为意想不到的状态。程序控制装置本身的能量损耗不是恒定的，所以同样的外部电压跌落情况，电源模块的输出状况还会因负载的不同而变化。此时控制系统的故障情况也会变得复杂。

　　西门子自动化控制模块是生产过程控制中的常见元件。以西门子SITOP 系列单相模块为例，其三相电源模块参数为电压400～500V AC，波动范围是320～550V，按生产线实际电压400V考虑，电源电压允许波动范围是
-20%～+37.5%；其单相电源模块参数为:电压230V ，波动范围是187～264V，即电源电压允许波动范围是-19%～+15%。

　　可见，程序控制系统在电压幅值下降大于20%时，可能会出现运行紊乱（不能正常控制）的情况。

1.2 电压跌落对变频器的影响

　　企业生产线中大量使用变频驱动以改善负载动态调节效果。常见的品牌有西门子、丹佛斯、富士等，其基本工作原理都一样，如图1所示。

    

图1 变频器工作原理图

　　以丹佛斯变频调速器VLT5000系列为例，其参数如下：

　　（1） 对电源要求。电压波动范围：U_e±10%;电压不平衡：±2%。

　　（2） VLT5000系列欠压保护设置（即直流电容电压Ud动作电压）如表1所示。

表1 WLT5000系列欠压保护设置


设置模式
欠压保护动作值/V


200～240V
380～460V

  低压警告界限
211
402

  低压警报
222
423

高压警报
384
762


高压警告界限
425
798

　　由表1参数可见，电源电压低于额定电压值的-10%时，欠压保护会动作。

1.3 电压跌落对马达运行的影响

　　马达都配备了具有低压脱扣功能的接触器控制环节。以 SIEMENS SIRIUS 3R 400V系列接触器产品为例。该产品线圈工作电压为0.8～1.1Un（Un=24V）。当24V控制电压跌落大于20%时，接触器不能可靠工作。接触器欠压脱扣器动作，主触头失去吸力而打开，马达失电。   

2 电压跌落的产生与评估



　　电力系统电压变化通常可分为二类；一类是电压波动，其相对变化缓慢、幅值波动不太大；另一类是骤然变化、幅值变化量大。典型的波动性负荷包括炼钢设备和电气机车等，其电流随时间周期或非周期性大幅度变化，附近用户会感受到明显的电压波动。这种电压波动的幅度取决于波动负荷的变化特性、冲击性负荷大小以及用户和波动负荷之间的电气距离；其频率等于波动负荷的脉动频率，持续时间往往很长。这类电压波动范围一般小于10%，但若叠加电压干扰，也会对敏感元件造成威胁。

2.1 电压跌落的产生

　　输配电系统经常发生由雷击、短路等故障引发的电压骤变。若故障（三相短路或单相永久性故障）发生于某一用户的主供电源线路上，线路断路器切除故障则会导致该用户供电中断。若故障发生于某一用户相邻线路上，则该用户线路电压会相继跌落。故障切除后，电压即会恢复到正常水平。用户电源线路（10kV或110kV）上发生瞬时性单相接地或两相短路时，即使断路器未动作，即跳闸前故障消失（如0.1s左右或以内），用户也会感受到电压跌落。这种瞬时故障或相邻故障都可能造成负荷端电压跌落到10%～90%左右，其跌落深度及持续的时间取决于故障类型、瞬时性因素及保护动作时间（含断路器）。电压跌落对前述自动控制环节构成严重威胁。因为这些类型的故障概率占到90%以上，其引发的电压跌落成为影响企业生产效益的主要因素。

2.2 故障造成电压跌落程度的分析

　　我国大多数220kV电网都形成了主网架结构，相对比较坚强。一般配电网，从110kV到400V高、中、低压线路通常呈辐射型结构运行。这里以某地区典型供电网络（见图2）为例分析敏感用户处感受到的电压跌落程度。

　　图2中高压配电网络都是架空线路。螺湖110kV主变压器为Yn,d11接线方式。敏感用户的10kV配电线是电缆。该地区近几年中的故障统计中，约有75%以上是单相故障，只有少量相间或三相故障。为考察用户10kV母线电压跌落程度，以下用三个序网等值方法计算分析F₁、F₂、F₃点发生不同类型故障时的情况。

图2 典型供电网络图

    

2.2.1 110kV线路故障计算

     计算用参数见表2。

表2 110kV等值阻抗


 用户负荷等效阻抗Z₀
 9.67+j7.26

 敏感用户电缆阻抗Z₁
 0.099＋j0.126

 故障点至110kV母线的每公里

阻抗Z₂
 0.000688+j0.0274

 螺110kV主变阻抗Z₃
 0.0085+j0.3675

 金螺线每公里阻抗Z₄
 0.000688+j0.0274

 金220kV主变阻抗Z₅
 0.00087+j0.08222

 金220kV短路阻抗Z₆
 j0.00731

　　（1） 负荷主供线路金螺线任意点(如F₂点)发生非对称短路故障。当发生A相接地故障时，负荷电压U₁值跌落到70%左右，故障点F₂至螺湖110kV母线距离L对U₁的影响不大。当发生BC
两相接地故障时，负荷侧A、C相电压跌落到70%左右，B相为零。故障点F₂至母线的距离L对负荷电压U₁的影响不大。

　　（2） 金110kV站相邻线路在F₁点发生三相短路时，负荷电压U₁跌落到50%以下，负荷电压U₁与故障点离母线的距离L的关系如图3(a)所示。

　　（3） 金110kV站相邻线路在F₁点发生A相接地时，负荷端电压U₁(A、B相)将跌落到80%左右或以下。U₁跌落程度与故障点离母线的距离L的关系如图3(b)所示。

　　（4） 金110kV站相邻线路在F₁点发生两相接地短路时，负荷电压U₁跌落程度与距离L的关系如图3(c)所示。

2.2.2 10kV配电线路短路故障

　　考虑到用户负荷线路采用的是电缆，线路两端采用的是中性点不接地方式，故以下只分析相邻线路故障的情况。计算用等值图见图4，参数见表3。

    

图3 110kV相邻线路发生不同类型故障时

负荷电压跌落程度与距离的关系

图4 10kV等值图

    

表3 10kV计算用参数表


名称
含 义
标么值

Z2
 
螺湖10kV母线距故障点的（10kV架空线路L公里）阻抗
(0.091+j0.363)×L

Z_luohu110
 
螺湖110kV母线短路阻抗
j0.0403

　　（1） 10kV相邻线路在F₃点发生三相短路时，负荷电压U₁跌落程度与距离L的关系如图5(a)表示。一般城市，市区10kV线路长度约3～5km，在线路5km末端的故障将使U₁降至0.811kV。故障点在距离螺湖10kV母线1km以下时，U₁电压跌落深度达到50%以上。

　　（2） 10kV相邻线路在F₃点发生两相接地短路故障时，U₁与L的关系如图5(b)所示。

    

图5 10kV相邻线路发生不同类型故障时

负荷电压跌落程度与距离的关系

2.3 电压跌落评估

　　上述计算中，近似认为,线路故障时U₂等于U₁。根据上述计算，不同线路不同地点发生不同类型故障时，负荷点电压跌落程度与故障点至母线的电气距离L的关系有一定的规律，即：①负荷主供线路（辐射状供电的220、110、10kV线路）发生三相短路或两相接地短路时，负荷电压U₁极度跌落，近似等于零，与距离L关系不大。②110kV或10kV相邻线路上发生三相或两相接地短路时，负荷电压U₁可能跌落到0%～80%，故障离母线越近，U₁跌落越深，可跌落到50%以下，跌落深度与距离L成反比关系。③相邻线路上近母线处及负荷主供线路上发生瞬时性单相接地时，负荷电压U₁跌落一般在60%～85%。因此可以用电压凹陷域的理念解析输配电线路上发生各种故障时负荷电压跌落的程度（深度、宽度）。

在电力系统中，要具体评估负荷所在位置遭受电压跌落的程度，最有效的是进行实地测录。但这样做有时效率不高，也只能得到部分样本数据。采用具体分析计算评估负荷点电压凹陷域情况是一种有效的补充。以上述计算为例，大致可画出凹陷域如图6示。

    

图6 电压凹陷域示意图

3 电压跌落对策



　　现今，电压跌落的解决办法可以有很多，大到备用电机，小到蓄电池。高新技术企业相对负荷轻，产出附加值高，可以采用飞轮储能、燃料电池等相对合理的方案。大规模复杂生产线也可采取相应措施。如安装小型UPS
以解决机器人程序控制、生产线过程控制系统中关键点的电源问题。也可为控制环节增加延时以延缓电压跌落。然而，过程控制系统的分散性使少量的UPS难以解决所有程序控制问题，跌落仍会造成动力设备频繁退出运行，事故隐患并没有消除。

　　一种新技术产品——动态电压调节装置（DVR）为解决电压跌落问题提供了更为经济、合理的武器。DVR串联在系统供电线路和负荷之间。当供电线路发生电压跌落时，其可在3~5ms之内产生和跌落电压幅值相等、相位相同的补偿电压，叠加到欠压相上，使负荷侧电压保持稳定，确保负荷安全运行。

　　DVR的容量可做到数十兆伏安，满足大规模生产线的负载要求。采用不同的容量配置、灵活的接线方式，DVR可应对不同的治理要求。

　　DVR较其他措施具有如下优点：①免维护。使用直流电容进行稳压，摒弃传统的电池元件，没有更换电池的需要，因此减小了维护费用和工作量。②损耗小。系统电压正常时，工作在电子旁路状态，只有在发生电压跌落的情况下才进行补偿。③占地面积小。装置中不含大容量储能元件，因此体积相对较小。④响应速度快。采用先进的检测算法，使跌落发生到开始补偿的时间可以不超过5ms。⑤可靠性高。多重冗余保护，不会因为装置本身的问题影响负荷供电。⑥适配性强。可串联在生产线上的任何重要负荷输入侧，且适应容性负载和感性负载。

4 结束语



　　输配电网络中大量随机故障造成无法避免的电压跌落。本文分析了大规模自动化生产线中典型过程控制元件受电压跌落影响原理。以典型供电接线方式下电压跌落计算为例，分析了凹陷域评估的理念。企业通过分析其所在地区系统的电压凹陷域情况，可评估电压跌落对生产的影响，从而选用适当的解决方案。

　　动态电压调节装置DVR采用瞬时电压补偿的原理，是解决电压跌落问题的有效办法。根据生产线实际运行工况，DVR通过不同的容量配置、灵活的接线方式，免除电压跌落带来的损失。

5 参考文献



［1］ 肖湘宁. 电能质量分析与控制. 中国电力出版社，2004.

［2］ 张哲，卢本初，陈红坤.电力系统中电压骤降特性及其传播. 2004年全国电力网无功/电压技术研讨会论文集.