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張  力

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京市  100045)

摘要：通過(guò)介紹電壓暫降的概念，分析電壓暫降的原因及其對(duì)民用建筑配電系統(tǒng)的影響，提出民用建筑配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)電壓暫降的方法：提高配電系統(tǒng)對(duì)電源電壓暫降的耐受能力：大容量電機(jī)采用降壓?jiǎn)��?dòng)，減少由于大容量電機(jī)直接啟動(dòng)引起的電壓暫降：對(duì)敏感設(shè)備采用穩(wěn)壓措施，減少電壓暫降對(duì)其的影響：合理整定配電系統(tǒng)元件參數(shù)，降低電壓暫降發(fā)展為短時(shí)斷電對(duì)建筑配電系統(tǒng)的影響。

 關(guān)鍵詞：電壓暫降；電能質(zhì)量：短時(shí)斷電：欠電壓保護(hù)；低壓電源自動(dòng)投入裝置；失電監(jiān)測(cè)元件；自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器ATSE：降壓?jiǎn)��?dòng)

 中圖分類號(hào)：TM712doi:  10. 3969／j.issn. 1003 - 8493. 2016. 02. 007

0  引言

 電壓暫降是電能質(zhì)量方面的常見問題，電壓暫降有可能造成民用建筑的短時(shí)斷電，降低民用建筑配電系統(tǒng)的可靠性。由于電壓暫降的發(fā)生往往帶有隨機(jī)性，其形成原因、發(fā)生時(shí)間、發(fā)生地點(diǎn)、對(duì)配電系統(tǒng)造成的影響也不盡相同。近年來(lái)電力行業(yè)對(duì)這個(gè)問題研究比較深入，主要是從電源和電力系統(tǒng)角度進(jìn)行研究，相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是GB／T 30137 - 2013《電能質(zhì)量  電壓暫降與短時(shí)中斷》。本文介紹電壓暫降的概念，分析電源電壓暫降對(duì)建筑配電系統(tǒng)的影響，從民用建筑配電系統(tǒng)的特點(diǎn)出發(fā)，提出針對(duì)電壓暫降，提高建筑配電系統(tǒng)可靠性的應(yīng)對(duì)方案。

1  電壓暫降及其影響

1.1  電壓暫降的概念

 電壓暫降是一項(xiàng)重要的電能指標(biāo)，是指供電電壓有效值在短時(shí)間內(nèi)突然下降又回升恢復(fù)的現(xiàn)象，在電網(wǎng)中，這種現(xiàn)象的持續(xù)時(shí)間大多為0. 01~1 s。GB／T 30137 - 2013規(guī)定，電壓暫降(voltage sag)是指電力系統(tǒng)中某點(diǎn)工頻電壓方均根值突然降低至0.1 p．u．~0.9 p．u．，并在短暫持續(xù)10 ms~1 min后恢復(fù)正常的現(xiàn)象。GB/T 30137 - 2013對(duì)電壓暫降的定義來(lái)自IEC國(guó)際電工委員會(huì)的相關(guān)定義。電壓暫降的主要參數(shù)如圖1所示。

 短時(shí)中斷（short interruption）則是指電力系統(tǒng)中某點(diǎn)工頻電壓方均根值突然降低至0.1 p．u．以下，并在短暫持續(xù)10 ms~1min后恢復(fù)正常的現(xiàn)象。

1.2  電壓暫降對(duì)民用建筑配電系統(tǒng)的影響

 電壓暫降會(huì)造成民用建筑電源的短時(shí)斷電、用電設(shè)備異常運(yùn)行等，這將降低配電系統(tǒng)的可靠性，甚至造成經(jīng)濟(jì)損失。目前歐美各國(guó)和日本等對(duì)電壓暫降及短時(shí)斷電的研究已相當(dāng)廣泛、深入，在國(guó)際性電工會(huì)議和專業(yè)期刊上，這方面的研究成果層出不窮。電能質(zhì)量問題是當(dāng)前國(guó)際供電界關(guān)注的首要問題，而電能質(zhì)量的首要問題是電壓暫降。電壓暫降會(huì)造成電機(jī)停機(jī)、變頻器失壓保護(hù)動(dòng)作、可編程邏輯控制器(PLC)失靈、計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)丟失等事故，如表1所示。

1.3  電壓暫降的原因

電壓暫降通常是由供電系統(tǒng)或用戶內(nèi)部的短路故障引起的，也可能是由于用戶大容量電機(jī)啟動(dòng)不當(dāng)造成的。對(duì)于民用建筑，電壓暫降通常是供電系統(tǒng)的故障引起的。例如，雷擊和絕緣子污閃引起系統(tǒng)短路時(shí)，保護(hù)動(dòng)作將其切除，而后又自動(dòng)重合成功，這樣一個(gè)過(guò)程對(duì)于故障線路上的用戶，將有一次短路斷電，而對(duì)于鄰近（同一供電母線）的相關(guān)用戶一般會(huì)經(jīng)受一次電壓暫降過(guò)程。如果重合閘不成功，故障線路再次斷電，則故障線路上用戶還可能被長(zhǎng)期(大于3 min)斷電，而其余用戶又將再經(jīng)受一次暫降過(guò)程。某變電所母線B連接若干用戶供電線路，如圖2所示。當(dāng)線路L2發(fā)生三相短路時(shí)，母線B處的電壓會(huì)下降至UB=ESZI2／(ZS+ ZI2)，隨著保護(hù)成功動(dòng)作切除故障，母線B的電壓恢復(fù)至正常值。此外，供電系統(tǒng)故障的另一種表現(xiàn)是高壓閃絡(luò)，造成電源電壓暫降，電源電壓可能降低至額定電壓的30%，持續(xù)時(shí)間達(dá)5個(gè)周波（約100 ms）以上，由于持續(xù)時(shí)間短，高壓電源沒有失電，很多時(shí)候并未被察覺。

2  民用建筑配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)電壓暫降的方法

 從民用建筑配電系統(tǒng)的特點(diǎn)看，民用建筑內(nèi)電壓暫降通常是由市政供電系統(tǒng)的短路故障引起的，或者是由用戶大容量電機(jī)啟動(dòng)不當(dāng)造成的。固然電能質(zhì)量和供電可靠性提高問題主要需要電力部門解決，但建筑電氣設(shè)計(jì)師也應(yīng)提出解決辦法，以降低電源電壓暫降對(duì)建筑配電系統(tǒng)可靠性的影響，主要可以采用以下幾點(diǎn)措施：

 a．提高配電系統(tǒng)對(duì)電源電壓暫降的耐受能力。

 b．大容量電機(jī)的啟動(dòng)方式改為軟啟動(dòng)，減小由于大容量電機(jī)直接啟動(dòng)引起的電壓暫降。

 c．對(duì)敏感設(shè)備采用穩(wěn)壓措施．減小電壓暫降對(duì)其的影響。

 d．合理整定配電系統(tǒng)元件參數(shù)，當(dāng)電壓暫降發(fā)展為短時(shí)斷電時(shí)，順序投入備用電源，切除次要負(fù)荷，保證重要負(fù)荷供電；在電源恢復(fù)時(shí)，順序退出備用電源，恢復(fù)正常供電。

2.1  提高配電系統(tǒng)對(duì)電源電壓暫降的耐受能力

 電壓暫降對(duì)建筑配電系統(tǒng)的影響體現(xiàn)在當(dāng)電壓暫降深度、電壓暫降持續(xù)時(shí)間超過(guò)限值時(shí)，低壓配電系統(tǒng)內(nèi)的斷路器跳閘，造成系統(tǒng)短時(shí)斷電；接觸器線圈失電造成設(shè)備短時(shí)斷電。電源電壓暫降引起的開關(guān)跳閘，究其原因是開關(guān)二次線路內(nèi)設(shè)置了欠電壓保護(hù)，欠壓脫扣器在電壓暫降時(shí)動(dòng)作，使得開關(guān)跳閘。因此，正確設(shè)計(jì)欠電壓保護(hù)，正確使用欠壓脫扣器、電壓繼電器、勵(lì)磁脫扣器、交流接觸器，對(duì)提高配電系統(tǒng)對(duì)電壓暫降的耐受能力十分重要。

2.1.1  欠電壓保護(hù)

 JGJ 16 - 2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.6.6條規(guī)定：“配電線路的過(guò)電壓及欠電壓保護(hù)應(yīng)符合下列規(guī)定：

 1配電線路的大氣過(guò)電壓保護(hù)應(yīng)符合本規(guī)范第1 1章的有關(guān)規(guī)定；

 2當(dāng)電壓下降或失壓以及隨后電壓恢復(fù)會(huì)對(duì)人員和財(cái)產(chǎn)造成危險(xiǎn)時(shí)，或電壓下降能造成電氣裝置和用電設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)，應(yīng)裝設(shè)欠電壓保護(hù)；

 3  當(dāng)被保護(hù)用電設(shè)備的運(yùn)行方式允許短暫斷電或短暫失壓而不出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)，欠電壓保護(hù)器可延時(shí)動(dòng)作。”

 民用建筑除少數(shù)設(shè)備須按規(guī)范要求設(shè)置欠電壓保護(hù)外，大多數(shù)用電負(fù)荷無(wú)需設(shè)置，對(duì)于電源進(jìn)線更無(wú)需設(shè)置。但是在部分工程的低壓進(jìn)線斷路器二次控制原理圖中卻有欠電壓保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)電源電壓暫降時(shí)，低壓進(jìn)線斷路器跳閘，建筑短時(shí)斷電，造成不必要的混亂或經(jīng)濟(jì)損失。另外，對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)的低電壓保護(hù)應(yīng)按照GB 50055 - 2011《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第2.3. 12規(guī)定執(zhí)行。

2.1.2低壓電源自動(dòng)投入裝置設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

 用戶低壓電源自動(dòng)投入裝置是為保證一、二級(jí)負(fù)荷供電，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上電源轉(zhuǎn)換的裝置。自投裝置當(dāng)檢測(cè)到一路電源失電后，使失電的低壓主進(jìn)開關(guān)分閘，母聯(lián)開關(guān)合閘，把失電母線的電源轉(zhuǎn)換到另一路電源上：當(dāng)兩路電源都失電時(shí)，把重要負(fù)荷的電源轉(zhuǎn)換到自備電源上。失電監(jiān)測(cè)是電源轉(zhuǎn)換的觸發(fā)條件，電源電壓暫降容易造成失電監(jiān)測(cè)元件誤動(dòng)，繼而自投裝置誤動(dòng)作，造成用戶電源瞬間斷電或短時(shí)斷電。失電監(jiān)測(cè)元件通常是電壓繼電器或欠電壓脫扣器，其動(dòng)作特性如表2所示。

 以欠電壓脫扣器為例，如圖3所示，當(dāng)電壓暫降的深度達(dá)到或低于失電監(jiān)測(cè)元件動(dòng)作范圍，電壓暫降的持續(xù)時(shí)間大于失電監(jiān)測(cè)元件響應(yīng)／動(dòng)作時(shí)間時(shí)，失電監(jiān)測(cè)元件動(dòng)作。即便電源電壓又恢復(fù)正常，低壓電源自動(dòng)投入裝置還是進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換。解決辦法是使失電監(jiān)測(cè)元件動(dòng)作不受電壓暫降影響，有以下兩個(gè)辦法：

 a．降低失電監(jiān)測(cè)元件的動(dòng)作電壓范圍，使之低于電源電壓的殘壓，具體辦法是適當(dāng)調(diào)低電壓繼電器的動(dòng)作電壓。

 b．延長(zhǎng)失電監(jiān)測(cè)元件的動(dòng)作時(shí)間，使之大于電壓暫降的持續(xù)時(shí)間，具體辦法是在跳閘回路內(nèi)增加延時(shí)繼電器，或采用帶延時(shí)功能的電壓繼電器。

其實(shí)，在國(guó)標(biāo)圖集OID302 -3《低壓母線分段斷路器二次接線（續(xù)）》中對(duì)電源電壓監(jiān)測(cè)有明確的說(shuō)明，電源監(jiān)測(cè)方式采用斷路器的欠電壓脫扣器或電壓型繼電器，操作脫扣器配置延時(shí)欠電壓脫扣器及分勵(lì)脫扣器，根據(jù)電源電壓監(jiān)測(cè)方式、操作脫扣器配置及恢復(fù)供電復(fù)歸投切方式的各種組合對(duì)應(yīng)不同的控制電路圖。只是在工程中，許多圖紙中只有電源轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)要求，控制電路圖往往由開關(guān)廠配套，廠家的二次圖紙往往忽略這一點(diǎn)而造成用戶的短時(shí)斷電，希望得到廣大設(shè)計(jì)人員的重視。

 例如，某工程電源為一路10 kV進(jìn)線，低壓系統(tǒng)為典型的兩進(jìn)線一母聯(lián)方案，備用電源為自備柴油發(fā)電機(jī)組。近日，兩臺(tái)低壓主進(jìn)開關(guān)有時(shí)同時(shí)跳閘，發(fā)電機(jī)組隨即啟動(dòng)，值班人員檢查高壓電源有電，高壓開關(guān)并未跳閘；檢查變電室出線開關(guān)也未發(fā)現(xiàn)故障跳閘，隨即合上低壓主進(jìn)開關(guān)，發(fā)電機(jī)停機(jī)，系統(tǒng)恢復(fù)正常供電。分析故障原因：高壓電源及開關(guān)工作正常，低壓主進(jìn)開關(guān)也不是因?yàn)槎搪坊蜻^(guò)載跳閘，最有可能的原因是電源高壓側(cè)發(fā)生短暫的高壓閃絡(luò)故障造成電壓暫降，導(dǎo)致低壓電源自動(dòng)投入裝置中欠電壓保護(hù)動(dòng)作使主進(jìn)開關(guān)跳閘，主用電源斷電、備用電源投入。由于供電公司沒有安裝監(jiān)控電壓暫降的儀器，無(wú)法證實(shí)是否發(fā)生過(guò)電壓暫降。但是按這一思路在跳閘回路增加延時(shí)繼電器，延時(shí)2.5 s動(dòng)作，避免了電源轉(zhuǎn)換裝置因電壓暫降的誤動(dòng)作問題。此后，配電系統(tǒng)運(yùn)行正常。

 同樣自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器ATSE也存在由于電源電壓暫降引起誤動(dòng)的問題。GB／T 14048. 11 - 2008《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第6-1部分：多功能電器轉(zhuǎn)換開關(guān)電器》第9.5.2.7條規(guī)定：“TSE本身對(duì)于控制電源的電壓暫降和短時(shí)中斷具有內(nèi)在響應(yīng)”，規(guī)范未做具體規(guī)定。各生產(chǎn)廠家一般對(duì)失電監(jiān)測(cè)元件的動(dòng)作電壓初始設(shè)定值也各不相同，通常欠壓保護(hù)出廠設(shè)定為70 010電源電壓，延時(shí)設(shè)定為Os或Ss．設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)ATSE供電的設(shè)備對(duì)電源電壓和斷電時(shí)間的要求，考慮電源電壓暫降的影響，正確選擇失壓電壓和延時(shí)整定值，同時(shí)還要兼顧ATSE與高低壓自投裝置動(dòng)作時(shí)間的上下級(jí)配合。在不少設(shè)計(jì)圖紙中未標(biāo)注ATSE轉(zhuǎn)換電壓及延時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)ATSE的參數(shù)就是廠家的初始設(shè)置。由于ATSE電源電壓檢測(cè)時(shí)間一般小于5個(gè)周波（約100 ms），小于電源電壓暫降持續(xù)時(shí)間，容易造成由電源電壓暫降引起的誤動(dòng)作。應(yīng)降低ATSE欠電壓動(dòng)作值，延長(zhǎng)其動(dòng)作時(shí)間，以減少ATSE誤動(dòng)。由于ATSE承擔(dān)重要負(fù)荷的電源保障，電壓暫降的問題更應(yīng)引起重視。

2.2大容量電機(jī)采用降壓?jiǎn)��?dòng)，減小由于大容量電機(jī)直接啟動(dòng)引起的電壓暫降

 由于大容量電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流高達(dá)5~7倍的額定電流，造成電機(jī)供電母線電壓及電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)(PCC)供電母線電壓產(chǎn)生電壓暫降，影響其它設(shè)備正常工作。

 電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的母線電壓主要決定于系統(tǒng)容量、變壓器容量、變壓器功率因數(shù)、電動(dòng)機(jī)容量等。GB 50055 - 2011《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第2.2.3條第2款規(guī)定：“當(dāng)不符合全壓起動(dòng)的條件時(shí)，電動(dòng)機(jī)宜降壓起動(dòng)，或選用其他適當(dāng)?shù)钠饎?dòng)方式。”雖然民用建筑中，電動(dòng)機(jī)和變壓器的容量相比并不大，出現(xiàn)因大容量電機(jī)直接啟動(dòng)引起的電壓暫降的可能性不大。但是，對(duì)于民用建筑中某些集中設(shè)置的動(dòng)力站房的電動(dòng)機(jī)容量還是比較大的，大容量電機(jī)直接啟動(dòng)可能不會(huì)影響建筑低壓電源系統(tǒng)，但是會(huì)對(duì)敏感設(shè)備造成危害。因此從降低電壓暫降對(duì)敏感設(shè)備的危害的角度考慮，大容量電機(jī)采用降壓?jiǎn)��?dòng)也是有必要的。

2.3對(duì)敏感設(shè)備采用穩(wěn)壓措施，減小電壓暫降對(duì)其的影響

 電壓暫降對(duì)民用建筑內(nèi)敏感設(shè)備產(chǎn)生危害的原因主要有：

 a．交流電壓不足，供應(yīng)電能不足，導(dǎo)致設(shè)備停運(yùn)，如典型的橋式整流電源電路。

 b．  電壓低引起設(shè)備電源監(jiān)視回路跳閘，設(shè)備停運(yùn)。

 c．  電壓低引起緊急關(guān)閉電路等的速動(dòng)繼電器動(dòng)作，切斷電源。

 d．  電壓暫降恢復(fù)時(shí)上升脈沖引起設(shè)備的復(fù)位電路不正確動(dòng)作，設(shè)備重啟。

 e．  電壓相角跳變或不平衡電壓暫降引起不平衡保護(hù)繼電器動(dòng)作，設(shè)備停運(yùn)。

 針對(duì)以上原因，根據(jù)不同設(shè)備對(duì)電壓暫降的幅值、持續(xù)時(shí)間的敏感度差異，采取不同的措施。一般敏感設(shè)備，可采用造價(jià)較低的穩(wěn)壓變壓器等來(lái)減少電壓暫降造成的停產(chǎn)事故；對(duì)于數(shù)據(jù)中心、消防安防控制中心等對(duì)電能質(zhì)量要求高的用電負(fù)荷，還是要采用昂貴的UPS、SSTS（固態(tài)切換開關(guān)）或DVR（動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器）等裝置；對(duì)于不允許短時(shí)斷電的重要場(chǎng)所的應(yīng)急照明電源，應(yīng)根據(jù)JGJ 16 - 2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.2.2條規(guī)定配置EPS。

2.4合理整定配電系統(tǒng)元件參數(shù)，應(yīng)對(duì)短時(shí)斷電

 配電系統(tǒng)中，高、低壓及末端電源自動(dòng)切換裝置每一級(jí)的動(dòng)作時(shí)間均應(yīng)考慮級(jí)差，并滿足各類負(fù)荷運(yùn)行的最小停電時(shí)間。同時(shí)，每一級(jí)的設(shè)定時(shí)間及設(shè)定電壓值要考慮電壓暫降的影響，合理整定配電系統(tǒng)元件參數(shù)，避免電壓暫降引起的誤動(dòng)。當(dāng)電壓暫降發(fā)展為短時(shí)斷電時(shí)，各級(jí)電源自動(dòng)切換裝置順序投入備用電源，切除次要負(fù)荷，保證重要負(fù)荷供電；在電源恢復(fù)時(shí)，電源自動(dòng)切換裝置順序退出備用電源，恢復(fù)正常供電。

 對(duì)于電源自動(dòng)切換裝置的控制除了采用傳統(tǒng)的繼電器二次控制線路外，還可以選用雙電源智能控制器。雙電源智能控制器具有電源狀態(tài)監(jiān)視，故障記錄，邏輯編程控制，圖形化顯示，電流、電壓、時(shí)間參數(shù)設(shè)定，多種聯(lián)鎖信號(hào)輸入、輸出等功能，同時(shí)具備手／自動(dòng)操作模式。相對(duì)于在中壓配電中廣泛使用的綜合數(shù)字繼電保護(hù)裝置，雙電源智能控制器就相當(dāng)于是低壓系統(tǒng)的綜保產(chǎn)品。通過(guò)調(diào)整雙電源智能控制器的時(shí)序圖可以方便地調(diào)整各時(shí)間參數(shù)，避免電壓暫降的危害，有序完成電源切換及負(fù)荷投切。圖4為電源轉(zhuǎn)換時(shí)序圖示例。

3結(jié)語(yǔ)

 電壓暫降是電能質(zhì)量方面的常見問題，由于電壓暫降的發(fā)生往往帶有隨機(jī)性，其形成原因、發(fā)生時(shí)間、發(fā)生地點(diǎn)、對(duì)配電系統(tǒng)造成的影響也不盡相同。電壓暫降有可能造成民用建筑的短時(shí)斷電，降低民用建筑配電系統(tǒng)的可靠性，對(duì)此應(yīng)足夠重視。在民用建筑電氣設(shè)計(jì)中，通過(guò)合理整定配電系統(tǒng)元件參數(shù)，可以提高配電系統(tǒng)對(duì)電源電壓暫降的耐受能力，實(shí)現(xiàn)主備電源有序轉(zhuǎn)換；大容量電機(jī)采用降壓?jiǎn)��?dòng)，減小由于大容量電機(jī)直接啟動(dòng)引起的電壓暫降；對(duì)敏感設(shè)備采用穩(wěn)壓措施，減小電壓暫降對(duì)其的影響。另外，在設(shè)計(jì)中引進(jìn)專業(yè)計(jì)算軟件改進(jìn)傳統(tǒng)計(jì)算方法，選用雙電源智能控制器等智能產(chǎn)品代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制電路，將使建筑電氣設(shè)計(jì)工作及配電系統(tǒng)可靠性提高到一個(gè)新水平。