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电压暂降问题及其有效治理措施

作者:cp彩票 发布时间:2020-02-18 22:55 点击:

  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。

  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。

  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。

  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。

  (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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  (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。

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