1绪论的07级例子 - 图文(3)

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户双方遵循标准也可以制订出来。因此，对电压暂降源进行检测研究有着重要的现实意义。

1.2研究现状

电压暂降问题受到了电力部门和用户的广泛关注，国外电力部门率先对电压暂降进行了长期监测。如加拿大电气协会（CEA）自1991年起开始的一项为期3年的电能质量调查，其主要目的是加拿大电能质量的状况。一共有22个电力公司参加了本次调查，选择了550个供电点（包括工业，商业和民用）进行了监测。其工业用户组的调查结果表明：每个用户侧监测点每相每个月发生38次暂降（即平均每天都有电压暂降发生），电源侧平均为4次。用户侧85%的监测点每相每月平均发生过10~20次电压暂降，电源侧为5~6次。商业用户组的调查组的调查结果为：用户侧70%的监测点每相每月平均发生过2~3次电压暂降，电源侧为1~2次。结果表明随着经济的发展，电压暂降发生次数增多，同时为进一步研究提供了大量的数据。

目前研究者在电压暂降特征量检测、分类方面已有较丰富的研究成果。但有关电压暂降源定位这方面的研究相对较少。国内外对电压暂降源检测的研究，大致有以下的一些方法：

（1）基于扰动功率（Disturbance Power—DP）和扰动能量（Disturbance Energy—DE）的方法[3]。文献[3]较早对扰动源的定位进行研究，该方法基于对发生扰动时功率和能量会发生变化，并以此来确定扰动源相对于功率潮流方向，位于测量装置的哪一侧。文献中对电压暂降和电容器投切这两种扰动进行了定位研究。但是它没有数学分析算法，而且这个方法的可信度也会因为扰动功率和扰动能量的结果不一致而降低。

（2）采用判定系统轨迹斜率的方法[4]。文献[4]中提出了一种利用最小二乘法拟合，通过对直线斜率的判断来确定电压暂降源位置的方法。它是建立在对应于不同故障位置，从测量装置处获得的基频电压幅值与功率因数的乘积和基频电流幅值之间比值不同的基础上的。这个方法由于只需要知道直线的斜率，不需要计算其它参数，或是设定限值，因而简单且易于实现。此外，这种方法采用了大量的数据，也会提高它的可信度。尽管进一步的研究发现，在故障于测量装置的某一侧发生时，测量装置另一侧的参数不发生变化的这一假设并不能满足，但通过文中附录中的理论分析，证明这个方法是可行的。

（3）基于电流实部极性定位法[5]。文献[5]中通过获取监测点电流均方根值和功率因数，分析暂降期间的电流实部（即Icos，为功率因数角），进行电压暂降源定位。该判断采用的电流是电流的变化量。考虑到基波电压的变量恒为负，那变化电流实部极性与等效阻抗实部极性则刚好相反，因而该法也与下述基于等效阻抗实部极性定位法原理相近，只是这里计算采用的时刻为暂降的开始时刻。

（4）采用基于等效阻抗实部符号的方法[6]。电压暂降的发生大多数是由于故障引起的，于是从现有的关于电力系统保护和故障定位的方法中受到启发，提出了基于电能质量监测点处的等效阻抗实部符号的方法。该方法通过对等效电路进行的电压暂降分析，即假定在电能质量监测装置的一侧发生电压暂降时，监测装置另一侧的参数不发生变化，根据测得的因电压暂降而出现的基频正序电压、电流的改变量的比值，获得所定义的等效阻抗，再由等效阻抗实部的符号，来确定电压暂降源的位置。这个方法虽是从线性系统中推导得出的，但对于含有变频调速速动设备，感应电动机等非线性负荷的系统，也是有效的。仿真、试验和现场实测的结果，都证实这个方法是可行的。

（5）采用距离阻抗继电器的方法[7]。大多数的输电线路出于保护的需要都会安装距离

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保护，从起保护作用的继电器处获得信息来用于电能质量的分析，文献中提出在发生电压暂降的母线上，利用电压暂降前后阻抗（seen impedance）及相角的变化来确定电压暂降源方位的方法。通过在各种不同系统中，不同的监测点对各种故障类型进行模拟和研究，证实了这个方法在定位电压暂降源上的准确性。这个方法在确定电压暂降源位置时，也有一些局限：在辐射网络中，如果故障发生在电源和距离阻抗继电器之间，即在距离阻抗继电器的后方，阻抗不会出现变化；如果发生的故障是非永久性的，可能无法从距离阻抗继电器处得出结论。

（6）基于不同故障类型的方法[8]。对暂降的发生原因先分类，针对不同原因的特点用不同的准则判断。如线路故障时，采用暂降事件发生前后电流基频分量的比率与闭值比较来判断；感应电动机启动时用暂降事件前后的有功功率的变化值与闭值比较判断；变压器投运的判断和故障时的准则类似，只是闭值有所不同。但该方法中闭值的选择对判据影响较大。

虽然目前对电压暂降源定位有一定的研究，但缺少很充分的理论依据，其可靠性和准确性有待于进一步提高。电压暂降引起了巨大经济损失，供电方和用户都希望明确责任、分清源头，更好地协调电力市场环境下电力部门与用户之间的纠纷，暂降源定位迫切需要解决。

1.3本文主要任务

有关电压暂降目前的研究现状如上所述，它是电能质量中的一个重要问题，同时由于国内起步比较晚，因此著作不多。本文在目前研究资料的基础上，完成以下任务：

（1）读懂英文资料，从中了解电压暂降这一概念，了解电压暂降产生原因，不同原因产生电压暂降的特点以及对用电负荷的危害；

（2）了解电压暂降源定位的含义及意义，掌握文献中所提出的关于电压暂降源定位的方法，掌握其原理；

（3）熟练使用MATLAB软件中的SimPowerSystem工具箱。在给出的供电系统图中，使用其对出现的三相短路、单相接地、两相短路和两相短路接地四种故障进行仿真，并应用现有的有关电压暂降源定位的方法进行故障源定位，并对每一种方法进行分析。

2 电压暂降

2.1电压暂降概念

电压暂降 (voltagesag)，也称电压跌落、电压凹陷或电压骤降，是指供电电压均方根值在短时间突然下降至额定电压幅值的90%~10%，其典型持续时间为0.5~30周波的一种现象。美国IEEE推荐标准(IEEE Std.1159－1992)中对Voltage Sag的定义为：工频电压的有效值下降到额定值的90%~10%，其持续时间10ms~1min。国际电工委员会(IEC)将其定义为下降到额定值的90%~1%。

电压暂降幅值、持续时间和相位跳变是电压暂降的最重要的三个特征量：

（1）暂降幅值：在电压暂降的分析中，通常将暂时的电压均方根值与额定电压均方根值的比值定义为暂降的幅值。系统中发生不对称电压暂降时，指电压基波正序分量的有效值。30%的电压暂降可以理解成电压暂降到标称电压的70%，也可以理解成电压暂降到标称电压的30%。为表述更加精确，采用“暂降到X（或百分比）”。

（2）持续时间：暂降从发生到结束之间的时间，即将电压均方根值低于指定电压门

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槛的一段时间定义为特定暂降幅值对应的持续时间。大多数的电压暂降由公用电网中的输电系统或配电系统中的故障引起的。公用电网中的保护装置能够清除大多数故障，因此电压暂降的持续时间等于保护装置的清除时间。

（3）相位跳变：暂降前后电压相位的突然改变。不对称电压暂降时，指电压基波正序分量的相角变化。电压出现相位跳变，是由系统和线路的电抗与电阻的比值(即X/R)不同，或者不平衡暂降向低压系统传递引起。

另外，暂降频次是表征电压暂降对敏感电力用户影响频繁程度的重要指标。暂降频次的增加将加重暂降对敏感用户的危害。为更确切地分析电压暂降的影响，在电压暂降综合评估中常将暂降频次与暂降幅值及持续时间同时考虑。

2.2不同原因引起电压暂降特点

现代电力系统中电压暂降事件发生的次数远大于停电次数，影响范围大，使敏感设备不能获得所需质量的电能。造成电压暂降的原因涉及电力系统和用户两个方面。电力系统方面的原因包括各种短路故障、雷击事件等。雷击时造成的绝缘子闪络或对地放电会使保护装置误动，从而导致电压暂降。用户方面的原因包括变压器以及电容器组的投切、大容量感应电动机启动和电弧炉、轧钢机等冲击性负荷的投运等。造成电压暂降最根本的原因是流经系统电源阻抗的电流突然增大，造成电源阻抗分压增加，进而引起公共供电点电压暂降。

根据引起电压暂降的原因，可以将电压暂降分成三类：短路故障引起的电压暂降，大型电动机启动引起的电压暂降和变压器投运所引起的电压暂降。这三种类型的电压暂降具有明显不同的特性。

2.1.1短路故障引起的电压暂降

短路故障可能会引起系统远端供电电压的严重跌落，是造成电压暂降最主要的原因。发生短路故障时，保护装置快速启动，将短路部分与其它部分进行分离。故障点附近的负荷将经历短时的电压暂降。根据负荷点与故障点的距离差异，负荷经历的电压暂降程度也不同，越是靠近短路点处的电压下降得越多。检测点的电压暂降幅值不但受故障类型的影响，而且也受到变压器接线方式、故障点位置、故障阻抗大小的影响，此类电压暂降的持续时间完全取决于保护动作时间。短路故障引起的电压暂降可以分为两类：对称电压暂降(三相短路造成)和不对称电压暂降（不对称短路造成）。

配电网或工厂内部发生的故障一般只在本条支路及邻近支路产生电压暂降，而发生在输电线路上的故障则会引起较大范围的电压暂降[9]。暂降的持续时间基本和保护装置清除故障时间一致。故障后重合闸操作会引起连续几个电压暂降的发生，文献[9]中已经分析了多次电压暂降现象，并建议实际检测中应把重合闸引起的多次电压暂降看作一次电压暂降进行处理。系统中电动机的转子惯性和再启动将导致暂降波形开始和恢复发生畸变。电压暂降发生时，由于转子惯性，电动机工作于发电机状态，因此暂降电压不会立即降到最小；当故障切除时供电电压恢复，电动机开始加速或重新启动，这时，暂降电压恢复波形会再有一个小的衰减后再恢复。

利用图3.8所示的系统图，当F2处发生对称和不对称故障时，m3所测得的暂降波形如下：

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6000120005000100004000Vrms(V)8000Vrms(V)30006000200040002000 000.010.020.030.040.050.060.070.030.040.050.060.070.080.090.1Time(sec) Time（sec）（a）三相短路 （b）单相接地

100000.080.090.100.010.02图2.1 F2处不同故障时m3处电压有效值波形

由上述分析可知故障引起的电压暂降特征为：

（1）电压暂降发生和恢复的波形陡，基波电压的幅值变化过程呈矩形，电压暂降幅值一般低于0.7p.u.，在暂降过程中电压幅值基本不发生变化，暂降持续时间与保护动作时间有关；

（2）不同的故障类型会引起不同的三相电压暂降程度和相角变化。三相短路时三相电压同时开始下降，暂降幅值相同，其他短路类型引发的电压暂降三相幅值不同。不对称短路有可能在发生暂降的同时发生电压暂升；

（3）故障期间可能有多级电压暂降； （4）电压暂降中有可能发生相角跳变。 2.2.2电动机启动引起的电压暂降

在图3.8所示的系统图中，m5下游加入异步电动机负载，视在功率为3730VA，在0.04s时启动电动机，m5处所测得的三相电压有效值波形如下：

230228226224222Vrms(V)2202182162142122100.020.040.060.080.10.12Time(sec)0.140.160.180.2图2.2 电动机启动m5处电压有效值波形

大容量感应电动机起动时，将从电源汲取比正常工作时大得多的电流，约为额定工作时的5~6倍。电机转速上升至额定值一般约为几秒到1min，在这期间电流值一直持续较大值，这一大电流流过系统阻抗时，将会引起电压突然下降。启动电流大是引起电压暂降的根本原因，但它并不是电压暂降程度的决定因素。电动机启动容量和上级变压器的剩余容量以及局部电网容量共同决定了电压暂降程度，如果电动机启动容量接近上级变压器剩余

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容量，则会引起较大的电压暂降，并对其它用电负荷造成影响。电机启动引起的电压暂降的持续时间与电机的许多参数有关，其中惯性是最重要的参数之一。电压暂降会使转矩下降，从而影响启动加速时间，转矩下降越多，加速时间越长，暂降持续时间就越长。结合仿真结果，感应电动机启动引起的电压暂降典型特征为：

（1）感应电动机为三相对称负载，故三相电压同时发生暂降，三相暂降幅值相同，暂降幅值一般不会低于0.85 p.u.；

（2）电压暂降达谷底后立刻恢复，恢复需要很长的时间，通常为几百毫秒到几秒，恢复过程中没有突变；

（3）暂降过程中有功功率会有一定的变化。 2.2.3变压器投运引起的电压暂降

在图3.8所示的系统图中，在0.04s投入变压器Y2，在m2处所测得的三相电压有效值波形如下：

6.56.486.466.446.42x 104Vrms(V)6.46.386.366.346.326.30.020.030.040.050.06Time(sec)0.070.080.090.1 图2.3 变压器Y2投入时m3处电压有效值波形

在变压器投运时，由于铁心饱和特性，会在送电端产生最大8~10倍额定电流的励磁涌流，涌流的大小与电压初相角和铁心饱和程度有关。在交流电路中，磁通总是落后电压90°。如果在合闸瞬间，电压刚好达到最大值，则磁通的瞬间值刚为零，即铁心中一开始就建立了稳态磁通，在这种情况下，变压器不会产生励磁涌流。反之，若合闸瞬间电压为零，则涌流最大，暂降程度也就最深。由于变压器投运时三相电压初相角始终相差120°，故三相暂降幅值始终是不平衡的。线圈铜损使电压暂降的恢复是一个逐渐的过程，小型变压器约几个周期就能达到稳态，而大型变压器由于电阻较小，电抗较大，一般需要几十个周期才能达到稳态。变压器引起的电压暂降的典型特征为：

（1）三相电压暂降幅值不相等，电压暂降幅值不低于0.85p.u.； （2）电压暂降是逐渐恢复的，恢复过程中没有突变点； （3）暂降电压信号中有高次谐波，以二次谐波为主。

通过对比3种电压暂降干扰源对应的暂降现象可以发现，可通过幅值大小、突变点检测、谐波含量、相角跳变和有功功率变化等特征的不同辨别不同干扰源。

2.3电压暂降的危害

随着经济的快速发展，复杂电子设备在用电部门中得到了广泛应用，这些设备中很多对电压的变化较为敏感。电压暂降问题是造成这些设备不能正常工作的主要原因，可造成包括计算机系统失灵、自动化控制装置停顿或误动、引起接触器停顿或低压保护启动，造

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