张 力
(北京市建筑设计研究院有限公司，北京市 100045)
摘要：通过介绍电压暂降的概念，分析电压暂降的原因及其对民用建筑配电系统的影响，提出民用建筑配电系统设计应对电压暂降的方法：提高配电系统对电源电压暂降的耐受能力：大容量电机采用降压启动，减少由于大容量电机直接启动引起的电压暂降：对敏感设备采用稳压措施，减少电压暂降对其的影响：合理整定配电系统元件参数，降低电压暂降发展为短时断电对建筑配电系统的影响。
关键词：电压暂降；电能质量：短时断电：欠电压保护；低压电源自动投入装置；失电监测元件；自动转换开关电器ATSE：降压启动
中图分类号：TM712doi: 10. 3969／j.issn. 1003 - 8493. 2016. 02. 007
0 引言
电压暂降是电能质量方面的常见问题，电压暂降有可能造成民用建筑的短时断电，降低民用建筑配电系统的可靠性。由于电压暂降的发生往往带有随机性，其形成原因、发生时间、发生地点、对配电系统造成的影响也不尽相同。近年来电力行业对这个问题研究比较深入，主要是从电源和电力系统角度进行研究，相关的国家标准是GB／T 30137 - 2013《电能质量 电压暂降与短时中断》。本文介绍电压暂降的概念，分析电源电压暂降对建筑配电系统的影响，从民用建筑配电系统的特点出发，提出针对电压暂降，提高建筑配电系统可靠性的应对方案。
1 电压暂降及其影响
1.1 电压暂降的概念
电压暂降是一项重要的电能指标，是指供电电压有效值在短时间内突然下降又回升恢复的现象，在电网中，这种现象的持续时间大多为0. 01~1 s。GB／T 30137 - 2013规定，电压暂降(voltage sag)是指电力系统中某点工频电压方均根值突然降低至0.1 p．u．~0.9 p．u．，并在短暂持续10 ms~1 min后恢复正常的现象。GB/T 30137 - 2013对电压暂降的定义来自IEC国际电工委员会的相关定义。电压暂降的主要参数如图1所示。
短时中断（short interruption）则是指电力系统中某点工频电压方均根值突然降低至0.1 p．u．以下，并在短暂持续10 ms~1min后恢复正常的现象。
1.2 电压暂降对民用建筑配电系统的影响
电压暂降会造成民用建筑电源的短时断电、用电设备异常运行等，这将降低配电系统的可靠性，甚至造成经济损失。目前欧美各国和日本等对电压暂降及短时断电的研究已相当广泛、深入，在国际性电工会议和专业期刊上，这方面的研究成果层出不穷。电能质量问题是当前国际供电界关注的首要问题，而电能质量的首要问题是电压暂降。电压暂降会造成电机停机、变频器失压保护动作、可编程逻辑控制器(PLC)失灵、计算机存储数据丢失等事故，如表1所示。
1.3 电压暂降的原因
电压暂降通常是由供电系统或用户内部的短路故障引起的，也可能是由于用户大容量电机启动不当造成的。对于民用建筑，电压暂降通常是供电系统的故障引起的。例如，雷击和绝缘子污闪引起系统短路时，保护动作将其切除，而后又自动重合成功，这样一个过程对于故障线路上的用户，将有一次短路断电，而对于邻近（同一供电母线）的相关用户一般会经受一次电压暂降过程。如果重合闸不成功，故障线路再次断电，则故障线路上用户还可能被长期(大于3 min)断电，而其余用户又将再经受一次暂降过程。某变电所母线B连接若干用户供电线路，如图2所示。当线路L2发生三相短路时，母线B处的电压会下降至UB=ESZI2／(ZS+ ZI2)，随着保护成功动作切除故障，母线B的电压恢复至正常值。此外，供电系统故障的另一种表现是高压闪络，造成电源电压暂降，电源电压可能降低至额定电压的30%，持续时间达5个周波（约100 ms）以上，由于持续时间短，高压电源没有失电，很多时候并未被察觉。
2 民用建筑配电系统设计应对电压暂降的方法
从民用建筑配电系统的特点看，民用建筑内电压暂降通常是由市政供电系统的短路故障引起的，或者是由用户大容量电机启动不当造成的。固然电能质量和供电可靠性提高问题主要需要电力部门解决，但建筑电气设计师也应提出解决办法，以降低电源电压暂降对建筑配电系统可靠性的影响，主要可以采用以下几点措施：
a．提高配电系统对电源电压暂降的耐受能力。
b．大容量电机的启动方式改为软启动，减小由于大容量电机直接启动引起的电压暂降。
c．对敏感设备采用稳压措施．减小电压暂降对其的影响。
d．合理整定配电系统元件参数，当电压暂降发展为短时断电时，顺序投入备用电源，切除次要负荷，保证重要负荷供电；在电源恢复时，顺序退出备用电源，恢复正常供电。
2.1 提高配电系统对电源电压暂降的耐受能力
电压暂降对建筑配电系统的影响体现在当电压暂降深度、电压暂降持续时间超过限值时，低压配电系统内的断路器跳闸，造成系统短时断电；接触器线圈失电造成设备短时断电。电源电压暂降引起的开关跳闸，究其原因是开关二次线路内设置了欠电压保护，欠压脱扣器在电压暂降时动作，使得开关跳闸。因此，正确设计欠电压保护，正确使用欠压脱扣器、电压继电器、励磁脱扣器、交流接触器，对提高配电系统对电压暂降的耐受能力十分重要。
2.1.1 欠电压保护
JGJ 16 - 2008《民用建筑电气设计规范》第7.6.6条规定：“配电线路的过电压及欠电压保护应符合下列规定：
1配电线路的大气过电压保护应符合本规范第1 1章的有关规定；
2当电压下降或失压以及随后电压恢复会对人员和财产造成危险时，或电压下降能造成电气装置和用电设备的严重损坏时，应装设欠电压保护；
3 当被保护用电设备的运行方式允许短暂断电或短暂失压而不出现危险时，欠电压保护器可延时动作。”
民用建筑除少数设备须按规范要求设置欠电压保护外，大多数用电负荷无需设置，对于电源进线更无需设置。但是在部分工程的低压进线断路器二次控制原理图中却有欠电压保护功能，当出现电源电压暂降时，低压进线断路器跳闸，建筑短时断电，造成不必要的混乱或经济损失。另外，对于交流电动机的低电压保护应按照GB 50055 - 2011《通用用电设备配电设计规范》第2.3. 12规定执行。
2.1.2低压电源自动投入装置设计中应注意的问题
用户低压电源自动投入装置是为保证一、二级负荷供电，实现两个或两个以上电源转换的装置。自投装置当检测到一路电源失电后，使失电的低压主进开关分闸，母联开关合闸，把失电母线的电源转换到另一路电源上：当两路电源都失电时，把重要负荷的电源转换到自备电源上。失电监测是电源转换的触发条件，电源电压暂降容易造成失电监测元件误动，继而自投装置误动作，造成用户电源瞬间断电或短时断电。失电监测元件通常是电压继电器或欠电压脱扣器，其动作特性如表2所示。
以欠电压脱扣器为例，如图3所示，当电压暂降的深度达到或低于失电监测元件动作范围，电压暂降的持续时间大于失电监测元件响应／动作时间时，失电监测元件动作。即便电源电压又恢复正常，低压电源自动投入装置还是进行电源转换。解决办法是使失电监测元件动作不受电压暂降影响，有以下两个办法：
a．降低失电监测元件的动作电压范围，使之低于电源电压的残压，具体办法是适当调低电压继电器的动作电压。
b．延长失电监测元件的动作时间，使之大于电压暂降的持续时间，具体办法是在跳闸回路内增加延时继电器，或采用带延时功能的电压继电器。
其实，在国标图集OID302 -3《低压母线分段断路器二次接线（续）》中对电源电压监测有明确的说明，电源监测方式采用断路器的欠电压脱扣器或电压型继电器，操作脱扣器配置延时欠电压脱扣器及分励脱扣器，根据电源电压监测方式、操作脱扣器配置及恢复供电复归投切方式的各种组合对应不同的控制电路图。只是在工程中，许多图纸中只有电源转换的设计要求，控制电路图往往由开关厂配套，厂家的二次图纸往往忽略这一点而造成用户的短时断电，希望得到广大设计人员的重视。
例如，某工程电源为一路10 kV进线，低压系统为典型的两进线一母联方案，备用电源为自备柴油发电机组。近日，两台低压主进开关有时同时跳闸，发电机组随即启动，值班人员检查高压电源有电，高压开关并未跳闸；检查变电室出线开关也未发现故障跳闸，随即合上低压主进开关，发电机停机，系统恢复正常供电。分析故障原因：高压电源及开关工作正常，低压主进开关也不是因为短路或过载跳闸，最有可能的原因是电源高压侧发生短暂的高压闪络故障造成电压暂降，导致低压电源自动投入装置中欠电压保护动作使主进开关跳闸，主用电源断电、备用电源投入。由于供电公司没有安装监控电压暂降的仪器，无法证实是否发生过电压暂降。但是按这一思路在跳闸回路增加延时继电器，延时2.5 s动作，避免了电源转换装置因电压暂降的误动作问题。此后，配电系统运行正常。
同样自动转换开关电器ATSE也存在由于电源电压暂降引起误动的问题。GB／T 14048. 11 - 2008《低压开关设备和控制设备第6-1部分：多功能电器转换开关电器》第9.5.2.7条规定：“TSE本身对于控制电源的电压暂降和短时中断具有内在响应”，规范未做具体规定。各生产厂家一般对失电监测元件的动作电压初始设定值也各不相同，通常欠压保护出厂设定为70 010电源电压，延时设定为Os或Ss．设计人员应根据ATSE供电的设备对电源电压和断电时间的要求，考虑电源电压暂降的影响，正确选择失压电压和延时整定值，同时还要兼顾ATSE与高低压自投装置动作时间的上下级配合。在不少设计图纸中未标注ATSE转换电压及延时，现场ATSE的参数就是厂家的初始设置。由于ATSE电源电压检测时间一般小于5个周波（约100 ms），小于电源电压暂降持续时间，容易造成由电源电压暂降引起的误动作。应降低ATSE欠电压动作值，延长其动作时间，以减少ATSE误动。由于ATSE承担重要负荷的电源保障，电压暂降的问题更应引起重视。
2.2大容量电机采用降压启动，减小由于大容量电机直接启动引起的电压暂降
由于大容量电机直接启动时启动电流高达5~7倍的额定电流，造成电机供电母线电压及电网的公共连接点(PCC)供电母线电压产生电压暂降，影响其它设备正常工作。
电机启动时的母线电压主要决定于系统容量、变压器容量、变压器功率因数、电动机容量等。GB 50055 - 2011《通用用电设备配电设计规范》第2.2.3条第2款规定：“当不符合全压起动的条件时，电动机宜降压起动，或选用其他适当的起动方式。”虽然民用建筑中，电动机和变压器的容量相比并不大，出现因大容量电机直接启动引起的电压暂降的可能性不大。但是，对于民用建筑中某些集中设置的动力站房的电动机容量还是比较大的，大容量电机直接启动可能不会影响建筑低压电源系统，但是会对敏感设备造成危害。因此从降低电压暂降对敏感设备的危害的角度考虑，大容量电机采用降压启动也是有必要的。
2.3对敏感设备采用稳压措施，减小电压暂降对其的影响
电压暂降对民用建筑内敏感设备产生危害的原因主要有：
a．交流电压不足，供应电能不足，导致设备停运，如典型的桥式整流电源电路。
b． 电压低引起设备电源监视回路跳闸，设备停运。
c． 电压低引起紧急关闭电路等的速动继电器动作，切断电源。
d． 电压暂降恢复时上升脉冲引起设备的复位电路不正确动作，设备重启。
e． 电压相角跳变或不平衡电压暂降引起不平衡保护继电器动作，设备停运。
针对以上原因，根据不同设备对电压暂降的幅值、持续时间的敏感度差异，采取不同的措施。一般敏感设备，可采用造价较低的稳压变压器等来减少电压暂降造成的停产事故；对于数据中心、消防安防控制中心等对电能质量要求高的用电负荷，还是要采用昂贵的UPS、SSTS（固态切换开关）或DVR（动态电压恢复器）等装置；对于不允许短时断电的重要场所的应急照明电源，应根据JGJ 16 - 2008《民用建筑电气设计规范》第6.2.2条规定配置EPS。
2.4合理整定配电系统元件参数，应对短时断电
配电系统中，高、低压及末端电源自动切换装置每一级的动作时间均应考虑级差，并满足各类负荷运行的最小停电时间。同时，每一级的设定时间及设定电压值要考虑电压暂降的影响，合理整定配电系统元件参数，避免电压暂降引起的误动。当电压暂降发展为短时断电时，各级电源自动切换装置顺序投入备用电源，切除次要负荷，保证重要负荷供电；在电源恢复时，电源自动切换装置顺序退出备用电源，恢复正常供电。
对于电源自动切换装置的控制除了采用传统的继电器二次控制线路外，还可以选用双电源智能控制器。双电源智能控制器具有电源状态监视，故障记录，逻辑编程控制，图形化显示，电流、电压、时间参数设定，多种联锁信号输入、输出等功能，同时具备手／自动操作模式。相对于在中压配电中广泛使用的综合数字继电保护装置，双电源智能控制器就相当于是低压系统的综保产品。通过调整双电源智能控制器的时序图可以方便地调整各时间参数，避免电压暂降的危害，有序完成电源切换及负荷投切。图4为电源转换时序图示例。
3结语
电压暂降是电能质量方面的常见问题，由于电压暂降的发生往往带有随机性，其形成原因、发生时间、发生地点、对配电系统造成的影响也不尽相同。电压暂降有可能造成民用建筑的短时断电，降低民用建筑配电系统的可靠性，对此应足够重视。在民用建筑电气设计中，通过合理整定配电系统元件参数，可以提高配电系统对电源电压暂降的耐受能力，实现主备电源有序转换；大容量电机采用降压启动，减小由于大容量电机直接启动引起的电压暂降；对敏感设备采用稳压措施，减小电压暂降对其的影响。另外，在设计中引进专业计算软件改进传统计算方法，选用双电源智能控制器等智能产品代替传统控制电路，将使建筑电气设计工作及配电系统可靠性提高到一个新水平。
