◆ ◆ ◆ ◆
敏感设备电压暂降
耐受特性与评估技术
◆ ◆ ◆ ◆
摘要
电压暂降引起的原因不同、发生的时刻不同，可能会对同样的敏感设备产生不同的影响。了解常见电压暂降的特征，分析不同暂降情况下敏感设备的耐受能力，对电压暂降可能引起的后果进行适宜的评估，是电压暂降分析与评估中重要的工作。
目录
典型电压暂降波形
需要关注的特性
敏感设备耐受特性分析与测试
1
典型电压暂降波形
? 典型波形特征
● 矩形波
1
典型电压暂降波形
? 典型波形特征
● 矩形波
1
典型电压暂降波形
? 典型波形特征
● 左慢右快
1
典型电压暂降波形
? 典型波形特征
● 左快右慢
1
典型电压暂降波形
? 典型波形特征
● 其它
1
典型电压暂降波形
? 典型波形特征
● 不同电压等级下
典型波形对应的暂降概率（%）
1
典型电压暂降波形
?故障升级引起的暂降
在电力系统中，单相故障或两相故障由于电弧等因素的影响会发展为三相故障，此过程引起的电压暂降如下图所示，取自于东南某大城市电能质量监测系统，发生于2013年6月8日00时46分23.8900秒，35kV母线上。
与其他因短路造成的暂降相比，其电压下降、恢复过程较复杂，相当于一个暂降发生于另一个暂降还未结束时。其三相电压幅值下降可分为两个阶段，且第二阶段暂降幅值较第一阶段大，整个电压暂降持续时间较长，对敏感设备造成的影响较大。
1
典型电压暂降波形
?多重暂降
恶劣天气条件与自动重合闸等，可能导致两个或多个电压暂降会在短时间内相继发生，形成多重暂降。
西北某大城市某变电站10kV母线于2012年12月21日22时25分32.8180秒发生的A相多重暂降实测波形如下图所示。
2
需要关注的特性
?基本特征量统计
不同电压等级下
各持续时间区间的暂降频次统计
2
需要关注的特性
?起始点及其分布特性
264条有效电压暂降事件,暂降起始点相位最主要分布于90°和270°及其附近。其中，41.3%处于60°到140°之间，30%处于240°到320°之间。
基于绝缘击穿引起的短路故障大多数发生在电压瞬时值靠近最大值时，亦即对应于相位角为90°与270°附近。
对于造成短路故障的天气、人为、动物等原因存在随机性，其分布规律为0°到360°之间均匀分布，所以暂降起始点除主要分布在90°和270°及其周围外，还会分布于整个相位范围内。
2
需要关注的特性
?相位跳变及其分布特性
相位跳变起始值： 75%以上的相位跳变分布在-10°到10°之间，90%以上的跳变值分布在-20°到20°之间。
暂降过程中最大值： 65%以上的相位跳变分布在-10°到10°之间，90%以上的最大值分布在-30°到30°之间。
2
需要关注的特性
?阻尼振荡
2
需要关注的特性
?暂降与暂升伴随发生
3、对敏感设备的影响
?除电压暂降幅值与持续时间之外，暂降起始点、相位跳变、伴随有阻尼振荡的电压暂降、多重暂降 、连续暂降等，在相关敏感设备受电压暂降影响的分析与测试中，也应不同程度予以考虑。
?国内外相关人员等从敏感设备受电压暂降影响的机理分析、仿真研究以及实验测试等方面给出了一些试验结果，并绘制了一些敏感设备的电压暂降耐受度曲线，但这并不意味着我们只要遵从相关资料给出的结果即可。
?还需开展研究的主要原因
?所考虑的电压暂降特征量欠缺完备性。虽然幅值与持续时间是电压暂降最重要的特征量，但相位跳变、起始点等对某些敏感设备也有很大影响，然而多数的分析没有考虑或较少考虑其它特征量的影响。
?进行实际测试时的试品选取不够广泛，同时，相关的试验研究多来自于国外文献，国内的研究很少。试品少，所得结果难以反映实际情况；国外的研究是针对国外的相关设备而言的，我国很多用户采用的设备是国内生产制造的，其特性与国外的设备是否相同或相似，需要研究。
?设备的更新换代速度很快，早期的研究成果是针对以往的设备的，目前或将要广泛应用的设备特性怎样，需要进行研究。
3、对敏感设备的影响
——对交流接触器影响机理分析
暂降源波形
线圈电流瞬时值与有效值波形
磁通波形
电磁吸力与弹簧力
交流接触器工作状态
电压暂降发生时刻，电流及磁通不能突变。
◆起始点影响
电压暂降起始点决定了暂降发生起始时刻交流接触器磁通能量的大小，磁通越大，交流接触器的电磁吸力越大，电压暂降下持续的时间越长。
◇0°起始点时，暂降幅值越大，交流接触器持续时间越长。
◇90°起始点时，暂降幅值越大，交流接触器的持续时间越短。
电磁吸力的大小与磁通的平方成正比，由于磁通也为正弦曲线。在0-2π的一个周波内，Φ关于π对称；在0-π的半个周波内，Φ2关于π/2对称。所以电压暂降起始点对交流接触器的影响近似满足四分之一对称性。
3、对敏感设备的影响
——对交流接触器影响机理分析
0°起始点下电压暂降发生在0°、90°相位跳变
90°起始点下电压暂降发生在0°、90°相位跳变
相位跳变影响
相位跳变决定了磁通由暂降起始点的值衰减或增加到暂降幅值对应下的磁通值的时间。
?0°起始点下，相位跳变越大，磁通衰减的时间越长，交流接触器暂降下持续时间就越长。
? 90°起始点下，0°相位跳变下磁通的大小是90°相位跳变下磁通大小的1.13倍。相位跳变越大，暂降期间磁通相对越小，交流接触器对电压暂降的耐受度越低.
频率波动影响
频率波动与ω有关，电磁力与磁通的平方成正比，所以频率波动影响较小。
连续暂降及多重暂降影响
连续暂降及多重暂降的幅值、持续时间及暂降波形的先后顺序对交流接触器有较大影响。不同的暂降幅值及时间决定了交流接触器的磁通能量能否恢复到足可以支撑到暂降阶段结束。
3、对敏感设备的影响
——对交流接触器影响机理分析
无谐波和有谐波下的电压暂降图
谐波影响
在有谐波存在的情况下，线圈电流波动较大，导致了产生的磁通量减小，进而产生的电磁吸力相对无谐波的情况下减小，因此易导致交流接触器的断开。
阻尼振荡影响
在基波和高频成分的激励下，交流接触器线圈中的电流在暂降起始阶段的值小于基波激励下的电流值，进而产生的电磁吸力小于基波激励下的吸力值，导致交流接触器易断开。
3、对敏感设备的影响
——对交流接触器影响的试验研究
试验考虑因素：
?暂降幅值
?持续时间
?暂降起始点
?多重连续暂降
?连续暂降
?相位跳变
?处于免疫曲线上方的暂降
?非正弦波形
?频率波动
?阻尼振荡
试验数据分析-起始点
0°-360°电压暂降起始点下得到的C1交流接触器的最大正常工作时间曲线
暂降的起始点对于交流接触器的耐受度曲线有较大的影响，近似满足四分之一对称性。
0°-90°电压暂降起始点下得到的C1交流接触器的耐受度曲线
交流接触器对于0°起始点下电压暂降的耐受度曲线免疫度最高，暂降幅值越大，持续时间越长；对于90°起始点下电压暂降的耐受度曲线敏感度最高，暂降幅值越大，持续时间越长。
试验数据分析-相位跳变
0°、90 °电压暂降起始点0°-90°相位跳变下得到的C1交流接触器的耐受度曲线
▼0°起始点，不同相位跳变下得到的耐受度曲线不同，但走势基本相同，差别在于幅值为40%以下的电压暂降中交流接触器的持续时间略有不同；对于40%以上的电压暂降中，交流接触器是否断开的最大临界电压有较大不同；0°相位跳变下得到的耐受度曲线的敏感度最高，90°相位跳变下得到的耐受度曲线的免疫度最高。
▲90°起始点，不同相位跳变下得到的耐受度曲线不同，但走势基本相同，差别在于幅值为35%以上的电压暂降中交流接触器是否断开的最大临界电压有较大不同；0°相位跳变下得到的耐受度曲线的免疫度最高，90°相位跳变下得到的耐受度曲线的敏感度最高。
试验数据分析-频率、谐波
0°、90°电压暂降起始点下频率波动、谐波对C7交流接触器影响的耐受度曲线
?0°起始点下电压暂降发生频率波动时，不同波动频率下交流接触器的耐受度曲线有所差异，但影响较小。
?90°起始点下电压暂降发生频率波动时对交流接触器几乎没有影响，耐受度曲线几乎重合。
?在有谐波存在的情况下，线圈电流波动较大，导致了产生的磁通量减小，进而产生的电磁吸力相对无谐波的情况下减小，因此易导致交流接触器的断开，即交流接触器对有谐波情况下的电压暂降敏感度较高。
?不同厂家的交流接触器及相同厂家相同型号的交流接触器对电压暂降伴随有谐波时敏感度不同，但总体来说受谐波影响并不大。
试验数据分析-连续、多重暂降
C1交流接触器在第一种暂降波形下没有断开，在第二种暂降波形下断开了。
▆故障升级引起的连续暂降中，交流接触器的敏感度增加，容易受到连续暂降的影响导致断开。
▆连续暂降的波形对交流接触器的影响较大，即第一次暂降和第二次暂降出现的先后顺序不同，对交流接触器的影响不同。
第一种暂降波形下，C1交流接触器没有断开，在第二种暂降波形下，交流接触器断开了。
▋第一阶段暂降的幅值、持续时间，第二阶段正常电压幅值的持续时间以及第三阶段暂降的幅值、持续时间对交流接触器是否正常工作影响很大。
▌多重暂降的波形，也就是第一次暂降和第三次暂降出现的先后顺序对交流接触器的正常工作有较大影响。
试验数据分析-耐受度曲线提取
0°-90°起始点下C3交流接触器耐受度曲线与SEMIF47曲线和ITIC曲线的对比
C3交流接触器的耐受度曲线并没有完全处在SEMIF47曲线和ITIC曲线的下方，所以SEMIF47曲线和ITIC曲线并不适合于交流接触器。因此需要找出适合交流接触器耐受度曲线的表示形式。
交流接触器上下限耐受度曲线
综合考虑多种品牌接触器，找出不同特征值下交流接触器的最大持续时间和最小持续时间，可以得到其耐受度曲线的上下限。交流接触器耐受度曲线的上限是交流接触器敏感度最高的耐受度曲线，下限是交流接触器免疫度最高的耐受度曲线。
未完待续……
请见下章：敏感设备电压暂降 耐受特性与评估技术（下）
亚洲电能质量联盟
apqi
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敏感设备电压暂降
耐受特性与评估技术
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摘要
电压暂降引起的原因不同、发生的时刻不同，可能会对同样的敏感设备产生不同的影响。了解常见电压暂降的特征，分析不同暂降情况下敏感设备的耐受能力，对电压暂降可能引起的后果进行适宜的评估，是电压暂降分析与评估中重要的工作。
目录
典型电压暂降波形
需要关注的特性
敏感设备耐受特性分析与测试
1
典型电压暂降波形
? 典型波形特征
● 矩形波
1
典型电压暂降波形
? 典型波形特征
● 矩形波
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典型电压暂降波形
? 典型波形特征
● 左慢右快
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典型电压暂降波形
? 典型波形特征
● 左快右慢
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典型电压暂降波形
? 典型波形特征
● 其它
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典型电压暂降波形
? 典型波形特征
● 不同电压等级下
典型波形对应的暂降概率（%）
1
典型电压暂降波形
?故障升级引起的暂降
在电力系统中，单相故障或两相故障由于电弧等因素的影响会发展为三相故障，此过程引起的电压暂降如下图所示，取自于东南某大城市电能质量监测系统，发生于2013年6月8日00时46分23.8900秒，35kV母线上。
与其他因短路造成的暂降相比，其电压下降、恢复过程较复杂，相当于一个暂降发生于另一个暂降还未结束时。其三相电压幅值下降可分为两个阶段，且第二阶段暂降幅值较第一阶段大，整个电压暂降持续时间较长，对敏感设备造成的影响较大。
1
典型电压暂降波形
?多重暂降
恶劣天气条件与自动重合闸等，可能导致两个或多个电压暂降会在短时间内相继发生，形成多重暂降。
西北某大城市某变电站10kV母线于2012年12月21日22时25分32.8180秒发生的A相多重暂降实测波形如下图所示。
2
需要关注的特性
?基本特征量统计
不同电压等级下
各持续时间区间的暂降频次统计
2
需要关注的特性
?起始点及其分布特性
264条有效电压暂降事件,暂降起始点相位最主要分布于90°和270°及其附近。其中，41.3%处于60°到140°之间，30%处于240°到320°之间。
基于绝缘击穿引起的短路故障大多数发生在电压瞬时值靠近最大值时，亦即对应于相位角为90°与270°附近。
对于造成短路故障的天气、人为、动物等原因存在随机性，其分布规律为0°到360°之间均匀分布，所以暂降起始点除主要分布在90°和270°及其周围外，还会分布于整个相位范围内。
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需要关注的特性
?相位跳变及其分布特性
相位跳变起始值： 75%以上的相位跳变分布在-10°到10°之间，90%以上的跳变值分布在-20°到20°之间。
暂降过程中最大值： 65%以上的相位跳变分布在-10°到10°之间，90%以上的最大值分布在-30°到30°之间。
2
需要关注的特性
?阻尼振荡
2
需要关注的特性
?暂降与暂升伴随发生
3、对敏感设备的影响
?除电压暂降幅值与持续时间之外，暂降起始点、相位跳变、伴随有阻尼振荡的电压暂降、多重暂降 、连续暂降等，在相关敏感设备受电压暂降影响的分析与测试中，也应不同程度予以考虑。
?国内外相关人员等从敏感设备受电压暂降影响的机理分析、仿真研究以及实验测试等方面给出了一些试验结果，并绘制了一些敏感设备的电压暂降耐受度曲线，但这并不意味着我们只要遵从相关资料给出的结果即可。
?还需开展研究的主要原因
?所考虑的电压暂降特征量欠缺完备性。虽然幅值与持续时间是电压暂降最重要的特征量，但相位跳变、起始点等对某些敏感设备也有很大影响，然而多数的分析没有考虑或较少考虑其它特征量的影响。
?进行实际测试时的试品选取不够广泛，同时，相关的试验研究多来自于国外文献，国内的研究很少。试品少，所得结果难以反映实际情况；国外的研究是针对国外的相关设备而言的，我国很多用户采用的设备是国内生产制造的，其特性与国外的设备是否相同或相似，需要研究。
?设备的更新换代速度很快，早期的研究成果是针对以往的设备的，目前或将要广泛应用的设备特性怎样，需要进行研究。
3、对敏感设备的影响
——对交流接触器影响机理分析
暂降源波形
线圈电流瞬时值与有效值波形
磁通波形
电磁吸力与弹簧力
交流接触器工作状态
电压暂降发生时刻，电流及磁通不能突变。
◆起始点影响
电压暂降起始点决定了暂降发生起始时刻交流接触器磁通能量的大小，磁通越大，交流接触器的电磁吸力越大，电压暂降下持续的时间越长。
◇0°起始点时，暂降幅值越大，交流接触器持续时间越长。
◇90°起始点时，暂降幅值越大，交流接触器的持续时间越短。
电磁吸力的大小与磁通的平方成正比，由于磁通也为正弦曲线。在0-2π的一个周波内，Φ关于π对称；在0-π的半个周波内，Φ2关于π/2对称。所以电压暂降起始点对交流接触器的影响近似满足四分之一对称性。
3、对敏感设备的影响
——对交流接触器影响机理分析
0°起始点下电压暂降发生在0°、90°相位跳变
90°起始点下电压暂降发生在0°、90°相位跳变
相位跳变影响
相位跳变决定了磁通由暂降起始点的值衰减或增加到暂降幅值对应下的磁通值的时间。
?0°起始点下，相位跳变越大，磁通衰减的时间越长，交流接触器暂降下持续时间就越长。
? 90°起始点下，0°相位跳变下磁通的大小是90°相位跳变下磁通大小的1.13倍。相位跳变越大，暂降期间磁通相对越小，交流接触器对电压暂降的耐受度越低.
频率波动影响
频率波动与ω有关，电磁力与磁通的平方成正比，所以频率波动影响较小。
连续暂降及多重暂降影响
连续暂降及多重暂降的幅值、持续时间及暂降波形的先后顺序对交流接触器有较大影响。不同的暂降幅值及时间决定了交流接触器的磁通能量能否恢复到足可以支撑到暂降阶段结束。
3、对敏感设备的影响
——对交流接触器影响机理分析
无谐波和有谐波下的电压暂降图
谐波影响
在有谐波存在的情况下，线圈电流波动较大，导致了产生的磁通量减小，进而产生的电磁吸力相对无谐波的情况下减小，因此易导致交流接触器的断开。
阻尼振荡影响
在基波和高频成分的激励下，交流接触器线圈中的电流在暂降起始阶段的值小于基波激励下的电流值，进而产生的电磁吸力小于基波激励下的吸力值，导致交流接触器易断开。
3、对敏感设备的影响
——对交流接触器影响的试验研究
试验考虑因素：
?暂降幅值
?持续时间
?暂降起始点
?多重连续暂降
?连续暂降
?相位跳变
?处于免疫曲线上方的暂降
?非正弦波形
?频率波动
?阻尼振荡
试验数据分析-起始点
0°-360°电压暂降起始点下得到的C1交流接触器的最大正常工作时间曲线
暂降的起始点对于交流接触器的耐受度曲线有较大的影响，近似满足四分之一对称性。
0°-90°电压暂降起始点下得到的C1交流接触器的耐受度曲线
交流接触器对于0°起始点下电压暂降的耐受度曲线免疫度最高，暂降幅值越大，持续时间越长；对于90°起始点下电压暂降的耐受度曲线敏感度最高，暂降幅值越大，持续时间越长。
试验数据分析-相位跳变
0°、90 °电压暂降起始点0°-90°相位跳变下得到的C1交流接触器的耐受度曲线
▼0°起始点，不同相位跳变下得到的耐受度曲线不同，但走势基本相同，差别在于幅值为40%以下的电压暂降中交流接触器的持续时间略有不同；对于40%以上的电压暂降中，交流接触器是否断开的最大临界电压有较大不同；0°相位跳变下得到的耐受度曲线的敏感度最高，90°相位跳变下得到的耐受度曲线的免疫度最高。
▲90°起始点，不同相位跳变下得到的耐受度曲线不同，但走势基本相同，差别在于幅值为35%以上的电压暂降中交流接触器是否断开的最大临界电压有较大不同；0°相位跳变下得到的耐受度曲线的免疫度最高，90°相位跳变下得到的耐受度曲线的敏感度最高。
试验数据分析-频率、谐波
0°、90°电压暂降起始点下频率波动、谐波对C7交流接触器影响的耐受度曲线
?0°起始点下电压暂降发生频率波动时，不同波动频率下交流接触器的耐受度曲线有所差异，但影响较小。
?90°起始点下电压暂降发生频率波动时对交流接触器几乎没有影响，耐受度曲线几乎重合。
?在有谐波存在的情况下，线圈电流波动较大，导致了产生的磁通量减小，进而产生的电磁吸力相对无谐波的情况下减小，因此易导致交流接触器的断开，即交流接触器对有谐波情况下的电压暂降敏感度较高。
?不同厂家的交流接触器及相同厂家相同型号的交流接触器对电压暂降伴随有谐波时敏感度不同，但总体来说受谐波影响并不大。
试验数据分析-连续、多重暂降
C1交流接触器在第一种暂降波形下没有断开，在第二种暂降波形下断开了。
▆故障升级引起的连续暂降中，交流接触器的敏感度增加，容易受到连续暂降的影响导致断开。
▆连续暂降的波形对交流接触器的影响较大，即第一次暂降和第二次暂降出现的先后顺序不同，对交流接触器的影响不同。
第一种暂降波形下，C1交流接触器没有断开，在第二种暂降波形下，交流接触器断开了。
▋第一阶段暂降的幅值、持续时间，第二阶段正常电压幅值的持续时间以及第三阶段暂降的幅值、持续时间对交流接触器是否正常工作影响很大。
▌多重暂降的波形，也就是第一次暂降和第三次暂降出现的先后顺序对交流接触器的正常工作有较大影响。
试验数据分析-耐受度曲线提取
0°-90°起始点下C3交流接触器耐受度曲线与SEMIF47曲线和ITIC曲线的对比
C3交流接触器的耐受度曲线并没有完全处在SEMIF47曲线和ITIC曲线的下方，所以SEMIF47曲线和ITIC曲线并不适合于交流接触器。因此需要找出适合交流接触器耐受度曲线的表示形式。
交流接触器上下限耐受度曲线
综合考虑多种品牌接触器，找出不同特征值下交流接触器的最大持续时间和最小持续时间，可以得到其耐受度曲线的上下限。交流接触器耐受度曲线的上限是交流接触器敏感度最高的耐受度曲线，下限是交流接触器免疫度最高的耐受度曲线。
未完待续……
请见下章：敏感设备电压暂降 耐受特性与评估技术（下）
亚洲电能质量联盟
apqi