電壓暫降治理原理及其應用

龍禮文

隨著國民經濟的快速發展，各種以電力為能源基礎的自動化設施設備廣泛應用，電能質量問題已經受到越來越多電力用戶和電力企業的關注，特別是對于一些重要負荷和對電能質量高度敏感的負荷來說，保證電能質量尤為重要。這其中電壓暫降的危害日益凸顯：一方面占比大，據有關部門的調查，92%以上的電能質量事件為電壓暫降;另一方面后果嚴重：輕則造成生產中斷，影響產品質量，重則損毀設備，危害人身安全。

在IEEE標準及國家標準《電能質量電壓暫降與短時中斷》（GB/T30137-2013）規定：電壓暫降是指電力系統中某點工頻電壓有效值暫時降低至額定電壓的10%～90%（即幅值為0.1～0.9（p.u）），并持續10ms～1min，此期間內系統頻率仍為標稱值，然后又恢復到正常水平的現象;電壓暫降以剩余電壓百分比為度量。

引起電壓暫降主要是由于電網、變電設施的故障或負荷突然出現大的變化（如大功率設備啟動等）所引起的。包括：自然原因（雷擊、閃電、暴雨、大風等）;電力系統原因（短路故障、大電機啟動、線路切換等）;以及不可預知的偶然事件（交通事故、建筑施工造成輸電線損壞等）。

造成電壓暫降的原因復雜，治理措施應該從三方面著手：供電系統方、設備制造商、用戶業主;三者需要共同合作，協作解決。作為末端用戶，增強設備的看電壓暫降能力是首選。

機場航站樓作為機場的核心建筑，處理旅客出發、到達等一乘機活動。具有建筑面積大，流程功能復雜，同時為了提升旅客感受，提供優質服務，廣泛的使用各種自動化控制設備，這些設備包含對電壓敏感的器件：如微處理器、PLC、電壓脫口器、變頻器等。據不完全統計，僅2019年1-8月，白云機場范圍內共發生26起各種原因電壓暫降。這些電壓暫降事件對白云機場運行造成了一定影響：包括部分電梯停運、400Hz電源停運、行李分揀系統工作不正常等等。這些電壓暫降一方面造成硬件損失，如：行李系統變頻器損壞;另一方面增加機場人員維護工作量，大量設備如電梯和400Hz電源停運后需人工復位。更重要的是影響航班的正常性，給乘客帶來了不良的候機體驗，如：電梯停運把旅客困在電梯里、行李得不到及時分揀進而無法及時送上飛機、400Hz電源停運導致飛機供電中斷等。

在2020年8月20日，受上級線路電壓波動，造成廊橋電源大面積斷電，據統計約有27條橋發生了因電壓波動而造成廊橋電源保護失電，2020年8月21日，檢測到某廊橋發生電壓暫降，時長360ms，電網電壓跌落至88.63%;2020年8月25日，7座登機橋檢測到A相電壓跌落，持續時間70ms左右。由于地面電源的電壓暫降耐受度類似于變頻器，耐受度較低，幅值低于80%，持續時間在15ms以上的電壓暫降就會對其造成影響導致停機。

目前用戶端的治理最普遍也是比較推薦的治理電壓暫降的措施是在供電系統與用戶設備之間加裝補償裝置，常見的補償裝置包括：不間斷電源（UPS—Uninterruptible Power Supply）、固態切換開關（SSTS—Solid State Transfer Switch）、動態電壓恢復器（DVR—Dynamic Voltage Restorer）、直流型暫降治理設備（VSP）等等。

根據調研，國內機場普邊受到電壓暫降的影響，也各采取了一些措施：北部某機場對電壓暫降問題引起足夠重視，2011年就成立了課題組開展廣泛研究，在行李分揀系統供電電源側加裝SSTS快切開關來進行試點治理，經測試，兩路供電電源能實現5ms內快速切換，但最末端用電設備的電機仍然在電壓暫降時斷電停機。在電梯的主供電回路加裝大容量電池組進行試點治理，效果也不理想，并增加了電池維護、更換的人力成本和設備成本等問題。

東部某機場機場受電網波動造成的影響主要有：航站樓大批自動扶梯和步道停機、行李系統停機、客橋系統停機、飛機引導裝置失電、航顯系統和BA控制系統重新啟動、航站樓照明熄滅或閃爍、機坪高桿燈照明失電、變配電站（間）開關跳閘、辦公電腦重啟等。供電管理部門主要從縮短供電電源恢復時間、加強監管和應急聯動等方面來提高響應的及時性。

國內其他機場都存在類似問題，目前主要通過人工恢復設備運行來應對，沒有從根本解決問題。

按照確保重點、兼顧經濟性、合理性要求，在統籌考慮各種治理方案的經濟性和技術可行性后，白云機場選擇了對部分重要的登機橋400Hz電源，行李分揀系統和關鍵流程的電梯進行了電壓暫降改造，接入DVR進行保護。其工作原理是：

DVR裝置串聯在供電電源和受保護的負載之間，采用超級電容作為儲能元件，它會持續監測輸入側電源電壓，一旦發現供電電壓偏離額定電壓水平（±15%，可根據客戶實際需求設置保護閾值），DVR裝置會通過IGBT逆變器系統在毫秒級的時間內給負荷側補償適當的跌落電壓，讓負載側恢復正常電壓，確保受保護的負載不受電壓變化的影響。

DVR主要特點包括響應速度快（響應時間<2ms ）、運行效率高（效率>99%）、100%深度補償（單相、兩相、三相跌落至0%均可保護設備3秒不停機）、模塊化設計、可靠性高、安全性高、監控方便（集成物聯網模塊，手機電腦隨時查看設備狀態，能推送電壓跌落信息至微信）等特點。

經過近大半年的運行，系統電壓共波動20余次，DVR保護的設備發生電壓暫降影響的數量為0，同時未受電壓暫降保護的設備受到了不同程度的影響。在保護末端設備的同時DVR還帶來另一個好處是：它能及時捕捉系統電壓變化，通知運行人員根據預案，及時處理電壓暫降事件，有效地提高電壓暫降的處置效率。

綜上所述，作為末端用戶，選擇在關鍵設備上使用DVR設備能有效地保護末端設備，確保關鍵設備的運行，提高電壓暫降處置效率，進而保證了機場的安全和服務品質。