基于PSCAD不同扰动源引起的电压暂降仿真

赵影，石媛，张新民，张述伟

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 大连辽南船厂，辽宁大连 116041）

0 引言

电压暂降（voltage sag）是电网中比较常见的一种电压波动现象，这会对电能质量造成一定的影响。按照国际电气与电子工程师协会IEEE的定义，电压暂降是指电网电压（工频条件下）有效值减小到额定电压的10%～90%，持续时间为二分之一周波至1分钟的短时间电压波动。 电压暂降有三个最重要的特征量：幅值、持续时间和相位跳变。

长期以来，对电能质量的研究工作更多的侧重于电网电压的谐波含量控制、电压闪络和三相电压的不平衡率等方面，对电压暂降可能造成的危害没有引起足够的重视，目前国际学术界还没有形成一个公认的电压暂降的评判标准。随着新技术的不断发展，各行各业对电能质量的要求也越来越高，电压暂降造成的问题也日益凸显，电压暂降已经成为造成用电设备无法正常运行的主要原因之一。电压暂降会造成一些敏感元件的误动作，例如大型计算机系统故障，交流变频调速装置保护，自动化控制器误动作等等。因此，对电压暂降现象的研究具有十分重要的意义，有利于保障工业生产和商业活动正常有序进行。

造成供电线路电压暂降的原因是供电线路中产生了过大的电流。众所周知，供电线路存在一定阻抗，当线路中通过电流时，就会产生电压降，电流越大，电压降越明显。引起电压暂降的原因是在短时间内供电线路中产生了远超过正常情况的电流，结果导致出现了远低于正常情况的电压。导致电网中出现瞬间大电流的原因有很多，短路故障便是其中之一。当供电线路的某个位置出现短路故障时，会产生很大的短路电流，导致电压骤然降低。由于线路上故障保护装置(隔离开关、断路器等)立即动作，隔离故障点，电网电压在短时间内恢复正常，这就形成了电压暂降。另外，大功率负荷突然接入电网，例如变压器的投切等，也会导致电网电压骤降。大功率的感应电机启动时，过载电流可达额定电流的5倍，过载电流经过系统阻抗时，系统分压突然变大，导致公共连接点（PCC）电压暂降。此外，误操作导致的短路也会引起供电电压的波动。有调查表明，线路故障短路、大功率感应电动机启动和变压器的投切是造成系统电压暂降的主要原因。通过对这三种原因的分析，能够帮助我们区分系统故障的起因，有利于及时的排查故障，避免用户和电网公司的纠纷。

1 短路故障引起电压暂降分析

大风、雷电、电力公司设备故障、建筑或交通事故、动物接触或树枝搭接等原因，都有可能造成供电系统发生短路故障。发生短路故障后，故障点的母线电压下降，产生电压暂降，随后短时间内系统保护动作，将故障点隔离，故障点附近母线电压恢复到正常值，故障点隔离时间决定了电压暂降的持续时间。相比其他两种造成电压暂降的原因，短路故障造成的影响最严重，危害也最大。

图1是发生短路故障时电压暂降的系统模型，图中Zs=Rs+jXs是电源与PCC之间的系统阻抗，ZF=RF+JXF是PCC与故障点之间的线路阻抗。假设电源电压US=1 p.u.。发生短路故障时，PCC点的电压为

由上式可知，故障点距离 PCC 越近，电压暂降就越严重。图1是单相的供电系统短路故障模型，相间短路和三相短路故障也可用此模型来表示。PCC点对应的电压幅值和相角的波动由PCC和故障点之间的线路阻抗与供电系统阻抗决定。系统中变压器类型及中性点接地方式、设备的接线方式都对短路故障时在供电负荷端所产生的电压暂降有一定影响。图2为三相（对称）短路故障时瞬时值波形和有效值波形。

通过对系统模型和仿真结果的分析，可得知短路故障造成的电压暂降具有如下特点：

1）电压暂降幅值一般低于0.7p.u., 其持续时间与故障排除时间有关;

2）不同的电压暂降现象与不同类型的短路故障有关：三相短路故障造成的电压暂降，三相电压幅值相等；其他类型的短路故障造成的电压暂降，三相电压幅值不同;

将经济效益函数F1与并网稳定性函数F2进行加权,可把F1和F2多目标问题转化为F3单目标问题进行求解。即

3）在电压暂降开始和结束时刻，电压幅值发生突变，波形较陡；在电压暂降过程中，电压幅值基本不变，基波电压的幅值变化波形呈矩形状;

4）电压暂降过程中可能产生相位跳变。

2 感应电机启动引起电压暂降分析

根据电机学的相关知识，感应电动机启动时，初始转子转速为 0，定子上产生很大的启动电流，一般是额定工作电流的2～5倍。启动电流突然变大会导致系统阻抗上的电压降增加，从而造成公共连接点的电压暂降。感应电动机的容量、启动方式、局部电网的容量及电动机负载等因素都会对PCC点的电压暂降程度产生影响。由于三相感应电动机是三相对称的，启动时造成的三相电压暂降的波形一致；同时，与短路故障时电压暂降的现象不同，由于定子线圈上的铜损以及转子转速的升高，启动电流逐渐减小，电压暂降的过程相对缓慢。图3为感应电动机启动时电压暂降示意图。图4为感应电动机启动时三相瞬时值波形和三相有效值波形。

三相同步电机一般采用异步启动，直流电机采用直接启动，这类电机在启动时同样有可能产生与感应电动机类似的电压暂降。

通过对系统模型和仿真结果的分析，可得知感应电动机启动造成的电压暂降具有如下特点：

1）三相电压同时发生暂降，三相暂降幅值相同;

2）暂降幅值一般不会低于0.8p.u.;

3）电压暂降开始时，电压幅值突然下降，随后电压缓慢恢复至正常值，恢复过程中没有突变。

3 变压器投切引起电压暂降分析

如图5所示，假设母线容量无穷大，闭合开关后变压器投入系统，此时变压器输入电压为：

α为变压器投入时电压的初相角。设变压器剩磁为Φr，对u(t)从0到t积分可得

V/ωN为稳态最大磁通Φmax，则

由图 6可知，在电压处于稳态时，当铁芯磁通在-Φmax与Φmax之间时，励磁电流几乎没有变化；当铁芯磁通︱Φ(t)︱＞︱Φmax︱时，铁芯磁通达到饱和，此时励磁电流会迅速变大，系统阻抗上的电压降增大，造成PCC点的电压暂降。铁芯的剩磁和闭合开关时电压的初相角是决定电压暂降程度的主要原因。

图7为变压器投入时的三相电压瞬时值波形图以及三相电压有效值波形图。图8 则是发生电压暂降时各次谐波分量分布图。从幅值上可以看出，2-4次谐波的含量比较高。

通过对系统模型和仿真结果的分析，可得知变压器投切造成的电压暂降具有如下特点：

1）三相电压暂降幅值不相等；电压暂降幅值不会低于85%；

2）伴随着电压暂降，电压信号中含有谐波分量，尤以2次谐波为主；

3）暂降电压逐渐恢复，无突变。

4 结论

从以上对三种主要暂降原因进行的电磁暂态仿真结果可以看出，线路短路故障引发的电压暂降的发生和恢复波形较陡，突变期间的电压暂降幅值基本不变；而电动机启动和变压器投运引发的电压暂降的恢复是缓慢的，电压幅值降到最低点后就立刻恢复。且一般由感应电动机启动以及变压器投运引发的电压暂降幅值较浅，电压暂降幅值很少低于 85%。此外，感应电动机是对称负载，启动时引发的电压暂降也是三相对称的；变压器投运时三相的初相角是互差120°，变压器投运引发的电压暂降总是三相不平衡的。此外变压器投运时电压信号中含有谐波分量，尤以2次谐波为主。

根据文中分析得到的短路故障、感应电动机启动以及变压器投运造成的电压暂降的不同特点，结合在实际情况中监测得到的一些电压暂降数据，进行故障原因的调查分析。正确的辨别造成电压暂降的原因，有助于供电系统进行合理的改进，也有助于在产生故障时明确供电公司、设备供应商以及用户之间责任判定。通过对不同情况下的电压暂降分析，达到治理电压暂降问题，减小电压暂降的危害，从而提高供电系统电能质量的目的。

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