提高用户负荷承受电网电压暂降能力的研究_李小腾.pdf

20231大众用电|国网陕西省电力公司电力科学研究院李小腾浙江 国网金华供电公司樊国旗提高用户负荷承受电网电压暂降能力的研究电网故障导致的电压暂降是威胁电力系统可靠运行的严重问题，不仅会造成用户设备的非正常运行，甚至还会导致用户承受巨大经济损失。电压暂降会导致大量用户负荷因欠压脱扣动作被切除，而这又进一步加剧了系统电压和频率的波动。目前公开发表的文献大都是从电力系统角度出发，研究系统电压稳定性，从负荷侧提高其应对电网电压暂降的能力。本文从电网发生故障后引起电压暂降，导致大量用户负荷因欠压脱扣动作被切除的事件出发，分析了欠压保护，并从电网负荷特性、电动机堵转风险分析出发，对用户负荷大量使用的欠电压脱扣器提出了整改意见，以提高用户负荷承受电网电压暂降能力，减少瞬时故障引起的负荷损失，保障用户用电可靠性。1电网电压暂降机理电压暂降是指供电压有效值在短时间内突然下降又回升恢复的现象。电力系统发生短路故障并及时切除时，尽管系统稳定，但是故障点附近的电压总会经历暂降的过程，如图1所示。当电网出现故障引起电压暂降时，大量负荷因欠压脱扣装置动作而从电网剥离，影响供电可靠性和连续性，并进一步加剧电网的频率波动和震荡，对电网安全稳定造成巨大冲击。而其中部分负荷损失是因脱扣装置未能考虑设备本身的承受能力，电网一出事故就立刻动作而导致的。2异步电动机负荷的欠电压保护电力系统的用户负荷通常由感应电动机负荷和其它负荷组成，因而负荷阻抗是感应电动机与其它负荷的合成阻抗。本文根据电动机拖动的负荷的机械特性将负荷分为恒功率负载（1型）、恒转矩负载（2型）、直线律负载（3型）、二次方律负载（4型）。1型负荷如工业中的机床主轴和绕线机等；2型负荷如活塞式压缩机、涡旋式压缩机和机械压力机等；3型负荷如搅拌机；4型负荷如风机、鼓风机和离心泵等。若在电压降低时，系统用户负荷不能及时脱离，对电动机的影响主要表现在2个方面：（1）当电网电压降低较少时，电动机电流可能增大，导致温升，严重时会降低电动机寿命；（2）当电网电压降低较多时，电动机可能堵转，而短路保护及过载保护又可能来不及保护，在短时间内损毁电动机。电动机的欠压保护是指当电网电压低于额定值到一定程度威胁电动机的安全时，能切断电源避免电动机损坏的一种针对设备安全的保护类型。当电网电压降低较多时，可能造成电动机堵转。电动机的最大转矩与加给电动机的电压的平方成正比，电网电压下降后，电动机的最大转矩急剧下降。当电网电压下降幅度较大时，电动机的最大转矩就会低于负载转矩而发生堵转。电动机堵转时，电流达到额定值的数倍，而且机械通风的散热条件丧失，电动机的温度急剧升高，电动机将在很短的时间内烧毁。而此时，过载保护和短路保护很可能都无能为力。电动机欠压时造成的堵转对电动机的危害极大，而过载保护和短路保护又往往对此无能为力，主要依靠欠压保护功能发挥作用。从负载特性来看，欠压保护的重点对象，主要是是1型恒功率负载和2型恒转矩负载的电动机，它们在电压降落时堵转的可能性很高。设备的欠压保护一般由欠压脱扣装置实现，脱扣器可以是瞬时、延时等动作。欠压脱扣装置动作是为保护电动机免受损害，但在过去，因异步电动技术应用图1故障引起的系统电压暂降电压/V1.00.90.90.80.80.70.70.60.001.002.003.004.005.00 tt/秒母线电压陕南郊31（p.u.）（母线电压ST作业_17DirectCurve.DAT）陕上苑31（p.u.）（母线电压ST作业_17DirectCurve.DAT）49|大众用电20231机使用的欠电压脱扣器未能合理选型、设定的原因造成因脱扣器动作甩负荷的情况时有发生。3异步电动机堵转风险研究电动机在电网电压突然降落并立即恢复的情况下，并不一定会发生堵转的风险，欠压脱扣器的脱扣动作实际上是可以避免的。因此，本文对异步电动机的转速降落与电网电压跌落幅度的关系进行深入的分析，以确定何种情况下堵转的风险增高，欠电压脱扣器应在多少延时时间内脱扣保护电动机。异步电动机的机械运动方程为：drdt=PnJ（Te-TL）（1）式（1）中，r为转子机械角速度（rad/s）；Te为电磁转矩（Nm）；TL为负载转矩（Nm）；Pn为极对数；J为机组转动惯量（kgm2）。根据国标GB/T 4772旋转电动机尺寸和输出功率等级的规定中对电动机功率，本文首先选择国标中额定电压为380V的9个不同功率等级电动机进行降压运行分析。这9个功率等级分别为1.1kW、5.5kW、22kW、75kW、185kW、315kW、500kW、1000kW和2800kW。参数使用异步电动机的B型典型参数。图2图4分别给出了当 电 源 电 压 瞬 间 降 落 到0.1pu、0.6pu和0.7pu时不同功率等级电动机的转速降落情况。根据图2图4可以发现，当电压降低到额定电压的70%以内时，电动机转速稍有降落，且转速均能在1s内自动稳定到新的平衡点，均没有堵转风险。降低至额定电压的60%时，电动机输出转矩开始小于额定负载转矩，是发生堵转与否的一个临界电压点。电动机电压降低到60%以下时，经过一段时间后，电动机将停转、堵转，由于普通电动机的风扇与电动机同轴，停转后散热条件丧失，电动机的温度将急剧升高，电动机将在很短的时间内烧毁。4建议（1）选型时已经充分利用电动机的过载能力，建议仍然按国标来设置瞬时欠压脱扣动作。（2）直接挂网运行的异步电动机和配有软启动器的异步电动机除1型负荷外，2、3、4型负荷可将原来的瞬时欠电压脱扣器改造为延时欠电压脱扣器，延时时间应设为23s；若负荷有自动投切装置、有苛刻的异步电动机转速工艺要求的，可根据实际转速降落情况设定延时时间。若负荷带有控制回路（含PLC、现场总线系统等）操作电动机启停的，还应对控制回路的欠电压保护进行改造。（3）对于像电梯这类安全性高于一切的用户负荷，应以安全性来决定脱扣器的具体改造方案。技术应用图2不同功率等级的电动机电压突降至0.1pu时转速降落时间曲线族转速/（转/分钟）t/毫秒01 5001 4501 4001 3501 3001 2501 2001 1501 1001 0501 0009509008508007507006506005505004504003503002502001501005001.1 kW/380 V/4极5.5 kW/380 V/4极22 kW/380 V/4极75 kW/380 V/4极185 kW/380 V/4极315 kW/380 V/4极560 kW/6 V/4极1 000 kW/6 V/4极2 800 kW/6 V/4极50 100 1502502003504505506507508509503004005006007008009001 000图3不同功率等级的电动机电压突降至0.6pu时转速降落时间曲线族t/毫秒转速/（转/分钟）1 5001 4501 4001 3501 3001 2501 2001 1501 1001 0501 0009509008508007507006506005505004504003503002502001501005001.1 kW/380 V/4极5.5 kW/380 V/4极22 kW/380 V/4极75 kW/380 V/4极185 kW/380 V/4极315 kW/380 V/4极560 kW/6 V/4极1 000 kW/6 V/4极2 800 kW/6 V/4极0100 200 300 400 500 600 700 800 9001000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200图4不同功率等级的电动机电压突降至0.7pu时转速降落时间曲线族转速/（转/分钟）t/毫秒01 5001 4501 4001 3501 3001 2501 2001 1501 1001 0501 0009509008508007507006506005505004504003503002502001501005001.1 kW/380 V/4极5.5 kW/380 V/4极22 kW/380 V/4极75 kW/380 V/4极185 kW/380 V/4极315 kW/380 V/4极560 kW/6 V/4极1 000 kW/6 V/4极2 800 kW/6 V/4极50 100 1502502003504505506507508509503004005006007008009001 00050