20 kV電網電壓暫降及其應對措施研究

雷 振，葉劍烽，郁哲亮

（國網浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

20 kV電網電壓暫降及其應對措施研究

雷 振，葉劍烽，郁哲亮

（國網浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

電壓暫降是影響電網電能質量的重要問題之一，對電網的安全穩定運行和用戶的可靠供電均會產生不利影響。嘉興電網20 kV試點區電網運行實踐表明，20 kV電網電壓暫降現象比10 kV電網更嚴重，尤其是在20 kV母線或出口短路時，引起上一級電網電壓暫降造成的危害更大、影響范圍更廣。通過計算分析了影響電壓暫降幅度的因素，研究相應的應對方法，并提出緩解電壓暫降的措施。

20 kV；電壓暫降；短路阻抗；電能質量

0 引言

電壓暫降[1]是由供電系統或用戶內部故障引起的短時（一般0.5～30個周波）系統電壓下降，下降幅度一般在額定電壓的10%～90%，IEC（國際電工委員會）規定為1%～90%[2]。電壓暫降主要是由系統或用戶內部故障、開關操作、變壓器以及電容器組的投切、大型負荷啟動等引起。隨著大量電力電子設備投入使用，線性負荷和沖擊性負荷增加，電壓暫降問題也日益嚴重，影響敏感性用電設備（變頻器、整流裝置及自動化生產線等）的正?？煽坑秒奫3]，給用戶帶來重大經濟損失[4]，大幅度的電壓暫降甚至會破壞電力系統穩定。

已有的研究中，主要考慮的是由于故障引起的本級母線電壓暫降[1-3]，然而電壓暫降更為嚴重、影響范圍更廣的是由故障引起的上級母線電壓暫降。實際運行中還發現，110/20 kV系統電壓暫降的幅度比110/10 kV系統更嚴重。深入分析電壓暫降產生的原因，探討多方面應對電壓暫降的措施，對提高供電可靠性和用戶供電質量，提升供電企業服務水平有重要意義。

1 20 kV電網電壓暫降現象

電壓暫降具有難以規避、無頻率重復性、短時恢復的特點，衡量其嚴重程度有2個參數：持續時間和下降幅度。目前國內并未將電壓暫降列入考查電力系統運行電能質量的指標體系內[5]，而對電壓敏感性高的用戶，某些行業出臺相應標準，要求生產設備必須能承受電壓暫降擾動。

通過對嘉興電網因電壓暫降引起變頻器跳閘的用戶進行調查發現，由于用戶對電壓質量要求較高，采購的變頻設備均設置了85%的低電壓保護值，即當變頻器電壓低于額定電壓的85%就發生欠壓動作，斷開變頻器裝置電源。某20 kV用戶監測到的電壓暫降如圖1所示，值得一提的是，本次電壓暫降并不是因為用戶自身內部故障引起，而是由于其他用戶故障導致上級110 kV母線電壓暫降，從而影響到該用戶。

圖1 某20 kV用戶監測到的電壓暫降波形

針對不同故障類型，電壓暫降特性不同[6]。為分析電壓暫降現象，考慮常見的三相短路故障，做如圖2所示的系統等值電路。

圖2 電壓暫降計算等值系統

20 kV出線在k點短路，在引起母線C電壓驟降的同時，也引起110 kV母線B與A電壓暫降，母線A電壓下降至：

式中：Ue為母線A額定電壓；Zs為220 kV系統等值阻抗，電壓暫降幅度為：

通過以上分析可知，電壓暫降幅度與系統運行方式、110 kV輸電線路參數、110/20 kV變壓器阻抗、20 kV線路參數及短路點有關。增加220 kV變電站110 kV母線以后回路的短路阻抗，可緩解電壓暫降幅度。實際運行表明，110 kV變電站20 kV母線或20 kV出線上故障，引起的上級220 kV變電站110 kV母線電壓沉降較10 kV系統嚴重，而其中尤以三相短路、近區短路為甚。

以嘉興市220 kV青石變電站（簡稱青石變，以下類推）供區為例，其供區范圍內的110 kV羔羊變1臺主變壓器（簡稱主變）分別為110/10 kV和110/20 kV。根據收集到的各次故障情況，選擇典型的故障案例進行了簡化計算分析，以羔羊變中壓出線2 km處三相金屬性短路為例（如圖3所示，圖中數據為系統或元件等值阻抗標幺值，系統運行方式為最小運行方式），不同母線電壓暫降計算結果見表1。

圖3 220 kV青石變供區部分等值電網

表1 110 kV羔羊變出線2 km處短路時電壓暫降

由計算結果可知，110 kV變電站中壓出線出口短路時不僅引起本級110 kV母線電壓暫降，同時引起上一級電網110 kV母線電壓暫降。在同一運行方式下，羔羊變10 kV出線2 km處三相金屬性故障時，引起220 kV青石變110 kV母線電壓暫降在10%左右，而在20 kV系統中，相同故障引起青石變110 kV母線電壓暫降超過23%。

2 電壓暫降影響因素

為研究電壓暫降幅度的影響因素，考慮一般情況，首先對系統做以下界定：

（1）系統運行方式為最大方式，在此只計算三相短路情況；

（2）220 kV變電站主變并列運行；

（3）110/20 kV主變容量取80 MVA；

（4）110 kV線路型號以LGJ-300為例，不考慮電阻，20 kV裸導線（LJ-240）單位標幺阻抗取理論計算值0.084。

2.1 20 kV短路點影響

20 kV出線短路是影響電壓暫降因素之一，選擇嘉興地區不同220 kV供區的110/20 kV主變，分別選取20 kV母線、出口1 km處和出口2 km處短路情況進行計算分析，當110 kV變電站20 kV出線在0 km，1 km，2 km處短路時，上級220 kV變電站110 kV母線電壓計算結果見表2。

由計算結果可知，短路點離20 kV母線距離越遠，故障引起的上級電壓暫降幅度越小，2 km以外短路引起的上級母線電壓暫降幅度，基本可以保證在額定電壓Ue的15%以下。

2.2 110/20 kV主變短路阻抗的影響

110 kV主變阻抗是影響電壓暫降幅度的一個重要因素，20 kV出線2 km處短路，110 kV母線電壓暫降計算結果見表3。按國家電網公司通用設備選型要求，110/10 kV主變短路阻抗可選擇在14%～17%之間，而110/20 kV主變短路阻抗一般選擇在12%左右，適當提高110/20 kV主變短路阻抗，可很好地抑制上級電網電壓驟降幅度。

表2 不同短路點電壓暫降計算結果

表3 110/20 kV主變短路阻抗對電壓暫降影響

通過對不同短路阻抗的主變進行計算可知，隨著110/20 kV主變短路阻抗的提升，由20 kV電網故障引起的上級電網電壓暫降幅度呈下降趨勢。

2.3 220 kV系統阻抗的影響

通過對比表3計算結果可知，220 kV系統等值阻抗對電壓暫降也有一定影響，系統等值阻抗越小，同樣條件下引起的電壓暫降幅度越小，反之，電壓暫降幅度就越大。因此，完善220 kV電網結構，改善電網運行方式，可以有效抑制電壓暫降幅度。

3 應對電壓暫降措施研究

3.1 提高變電站出口絕緣水平

故障點離20 kV母線距離越遠，故障發生時引起上級母線電壓暫降幅度越小，減少20 kV母線出口段故障，或者說使故障距離盡量遠離20 kV母線，能夠有效緩解上級母線電壓暫降幅度。因此，為降低電壓暫降影響，應盡量提高變電站20 kV母線出口段絕緣水平，減少母線出口段故障發生的概率。

3.2 使用高阻抗變壓器

由計算可知，緩解上級母線電壓暫降另一個方法就是增加110/20 kV主變短路阻抗，每提高短路阻抗1%，可在20 kV母線三相短路時減小電壓暫降0.5%～1.0%。但缺點是高阻變壓器成本高，電能損耗大，且會加劇本級母線（20 kV母線）電壓暫降，因此采用提高主變短路阻抗來限制電壓暫降有利也有弊，在實際中仍需要大量的運行經驗積累，以在緩解上級電網母線電壓暫降和降低運行成本及本級電壓暫降之間尋求平衡。

3.3 加裝抑制電壓暫降裝置

加裝限流電抗器，利用其電感特性，限制系統的短路電流，可降低短路電流對系統的沖擊，同時提高上級系統的殘壓。但在實際運行中還應考慮加裝限流電抗器帶來的不利影響：

（1）固定串接在系統中時，正常運行會產生一定的電壓跌落，影響用戶端的電壓水平。

（2）損耗增大，同時應評估其對開關開斷性能的影響。

（3）加裝限流電抗器后，變電站出線側的過流定值也隨之減小，用戶側設備的定值需重新計算，主變低壓側后備保護的靈敏度會下降。

3.4 提高系統保護性能

緩解電壓暫降另一有效措施是在系統側提高保護性能，縮短電壓暫降持續時間，比如母差、縱差的配置就有保障重要母線電壓水平的作用，新加坡配電網普遍采用差動保護（母差、縱差），保障重要母線的電壓水平。

3.5 加強用戶側管理

除以上技術措施外，也可以加強用戶側管理來改善電壓暫降：

（1）加強20 kV用戶失壓脫扣裝置的管理。用戶低壓開關原則上不允許加裝失壓脫扣裝置，確需安裝的，應安裝在分路開關或負荷側，脫口裝置動作時間應躲過線路重合閘及備自投動作時間。

（2）完善變頻器管理。部分用戶購買變頻設備時未明確需求，裝置定值為出廠值，未根據自身生產情況和電網運行情況進行定值整定和調校。目前，大部分用戶變頻設備一般設置在電壓降低于85%時切除，動作定值為0.01 s，遠小于變電站保護動作時間，導致很多用戶設備在保護動作前切除。

（3）部分需要連續供電的生產企業和對供電電壓波動敏感的用戶未按照相關技術規范要求配置不間斷電源，導致系統電壓波動時對用戶影響較大，建議用戶安裝不間斷電源。

4 結語

通過對20 kV電網電壓暫降及其影響因素的分析，提出了多種抑制電壓暫降的技術措施，同時指出部分抑制措施可能會帶來其他不利影響，必須綜合考慮各種因素合理運用。

隨著越來越多的敏感性負荷接入電網，電壓暫降對用戶電能質量的影響越來越突出，供電企業應進一步完善電能質量監督體系，加強研究抑制電壓暫降的技術措施，從設備選型、系統運行方式、電能損耗、系統保護等方面綜合考慮，采取合適的緩解電壓暫降的應對措施。

[1]林海雪.電力系統中電壓驟降和短時斷電[J].供用電, 2002，19（1）∶9-13.

[2]肖遙，李澎森.供電系統的電壓下凹[J].電網技術，2001，25（1）∶73-77．

[3]MARTINON J，POISSON O，DECHATEAUVIEUX F.防止電壓驟降和短時斷電以滿足用戶需求[J].供用電，2001，18（2）∶7-10.

[4]張鵬，郭永基.電壓驟降的可靠性評估新方法[J].電力系統自動化，2002，26（8）∶47-51.

[5]周明，張彪，李庚銀，等.基于質量工程理論的電壓驟降經濟評估[J].電工技術學報，2007，22（12）∶152-158.

[6]張哲，盧本初，陳紅坤.電力系統中電壓驟降特性及其傳播[J].電力科學與工程，2004（4）∶82-88.

（本文編輯：楊 勇）

Research on Voltage Sag of 20 kV Power Network and Countermeasures

LEI Zhen，YE Jianfeng，YU Zheliang
（State Grid Jiaxing Power Supply Company，Jiaxing Zhejiang 314000，China）

Voltage sag is one of the significant problems affecting power quality of power grid and has adverse effect on operation safety and stability.Operation practice of 20 kV network in Jiaxing pilot area indicates that 20 kV power network voltage sag is more serious than 10 kV network；especially when a short circuit happens on 20 kV bus or its exit，the resulting voltage sag of upper-level power grid causes greater harm and wider influence range.by the impact of a wider range.Through calculation the paper analyzes factors affecting the magnitude of the voltage sag，explores appropriate countermeasures and proposes voltage sag mitigation measures.

20 kV；voltage sag；short-circuit impedance；power quality

TM727

B

1007-1881（2015）05-0010-04

2014-11-21

雷 振（1985），男，工程師，從事電力系統設計、電網規劃工作。