工业设施电压骤升——三个原因, 五效, 和缓解差距
| 现象 | 电压骤升——电源电压超过 1.1 普为 0.5 周期来 1 分钟 (符合IEC 61000-4-30 / IEEE 1159 定义) |
| 三个主要原因 | 不接地中压系统上的单线接地故障 · 大甩负载 · 电容器组切换 |
| 最大膨胀幅度 | 1.73 SLG 故障期间不接地系统上的 pu — 对称分量分析的理论最大值 |
| 现场案例——PT. PLN 西博尔加 | 3-馈线 SB 缺相 02 造成的 1.724 pu 在 A 相上膨胀 — DVR 将其减少为 0.997 可以, 恢复正常电压 |
| 最敏感的工业设备 | 变频驱动器 (变频驱动器) — 在大多数现代驱动器中，过压保护在 1.15–1.20 pu 时跳闸 |
| 半导体设施影响 | 电网干扰造成的电压骤升导致设备停机和产品缺陷 — Moshtagh 等人. 记录案例 |
| 缓解技术 | DVR (系列注入——对于膨胀最有效) · 数字静止通讯 (分流器——更适合电压骤降) · 避雷器 · 电容器组级控制器 |
| 关键不对称 | 缓解凹陷的方法已经很成熟，而缓解膨胀的方法还不太成熟, 部分原因是涌浪发生频率较低，但会造成更严重的设备损坏 |
01 背景——被忽视的 PQ 问题
电压暂降在工业电能质量文献中受到大多数关注——它们更加频繁, 更好地表征, 它们对生产设备的影响有据可查. 电压骤升 — 短时过电压超过 1.1 pu — 发生频率较低，但会造成不同且通常更严重的损害: 避雷器退化, 浪涌抑制器中的 MOV 故障, VFD过压跳闸, 绝缘应力, 敏感电子设备中的组件损坏不会立即显现出来，但会加速老化.
电压骤升由 IEEE 定义 1159 和IEC 61000-4-30 作为电源电压幅度暂时增加到 1.1 和 1.8 可以, 持续从 0.5 周期来 1 分钟. 这可以区分骤升和瞬态过电压 (快, 更高的振幅, 子周期持续时间) 和持续的过电压 (长于 1 分钟, 通常是电压调节问题). 膨胀持续时间范围 — 0.5 周期来 1 分钟 — 与电压骤降的范围相同, 骤升通常是骤降的镜像现象: 导致故障相电压暂降的同一电网故障会导致正常相电压骤升.
在单线接地期间 (SLG) 不接地中压配电系统故障, 故障相电压急剧下降——对于螺栓故障可能降至零. 健康相同时经历电压骤升, 上升到线间电压除以三的平方根 - 最大值 1.73 不接地系统上的标称相电压 pu. 连接到故障相的 PQ 监视器记录电压跌落. 同一变电站健康阶段的 PQ 监测仪记录了一个浪涌. 专注于凹陷的工程师可能会完全忽略涌浪，而涌浪造成的设备损坏可能会在故障清除后出现, 与网格事件没有明显的联系.
02 三个主要原因
原因 1 — 未接地系统上的单线接地故障
在不接地或高阻抗接地中压配电系统上, 单线接地 (SLG) 故障导致相对地电压不对称. 故障相电压下降至零，而两个正常相电压则上升. 在完全未接地系统上发生螺栓故障的极限情况下, 正常相电压升至全线电压 — √3 倍正常相地电压, 或 1.73 可以. 在牢固接地的系统上, 零序网络显着限制了这种上升——浪涌通常低于 1.2 可以.
从损坏的角度来看，这个原因是最重要的，因为浪涌可以在故障的整个持续时间内持续存在——从故障开始直到保护继电器动作和断路器打开. 在具有时间过流保护的馈线上, 这可能需要几秒钟. 这段时间, 连接到正常相的所有设备都暴露在升高的电压下.
原因 2 — 大甩负载
当大型感性负载（总计数千马力的电机）突然与配电系统断开时, 无功功率平衡瞬间发生变化. 感性无功需求消失, 但任何电容补偿仍保持连接. 结果是领先无功功率暂时过剩，驱动系统电压上升，直到自动电压调节器 (调压器) 馈电变压器或发电机的响应并减少励磁电流. 骤升是三相的——所有相同时上升——其大小取决于该点的拒绝负载与系统短路容量的比率.
原因 3 — 电容器组切换
为功率因数校正电容器组通电会向网络注入引导无功电流的步骤. 在系统电压调节器响应之前, 这种领先的无功电流会导致电容器组总线和相邻馈线上出现暂时的电压升高（即骤升）. 震级通常为 1.1–1.3 pu，持续时间为几秒的子周期. 电容器组切换是具有大型 PF 校正装置的工业设施中经常出现的浪涌原因 — 每次切换事件都会产生瞬态过电压，这种过电压可能会被忽视，直到累积的绝缘损坏导致设备过早失效。.
03 五项产业效应
电压骤升产生的影响在很大程度上不同于电压骤降: 而下垂会导致立即可见且可归因的过程中断, 许多膨胀效应被延迟和隐藏——绝缘退化, 压敏电阻老化, 以及半导体应力，在导致膨胀事件发生数周或数月后表现为过早失效.
| 影响 | 机制 | 受影响的设备 | 能见度 |
|---|---|---|---|
| 避雷器和MOV故障 | 金属氧化物压敏电阻 (MOV) 浪涌抑制器在其钳位电压之上传导, 吸收能量. 反复的膨胀耗尽了 MOV 的能量吸收能力，导致热失控和故障 | 浪涌抑制器, 避雷器, UPS旁路电路 | 通常是隐藏的——在下一个瞬态时失败 |
| 变频器过压跳闸 | 现代 VFD 连续监控直流母线电压. 当母线电压超过过压阈值时 (通常为 1.15–1.20 pu 标称值), 驱动器跳闸以保护其电容器和 IGBT | 变频驱动器, 可调速驱动器 | 立即——进程中断 |
| 绝缘应力和老化 | 电压升高会增加电缆绝缘层和变压器绕组中的电场应力. 重复的过压事件会加速电介质老化，其速率与电压升高到 7-10 的幂成正比 (逆幂律) | 中压电缆绝缘, 变压器绕组, 电机绝缘 | 延迟——几个月后过早失效 |
| 电子元件损坏 | 电压超过元件额定电压会导致集成电路立即击穿, 电容, 和半导体结. 即使是亚击穿过压也会导致 CMOS 器件中的氧化层加速退化 | PLC的, 电脑, 控制系统, 仪器仪表 | 可以立即或延迟 |
| PLC和电脑重启 | 当电源电压超过工作范围时，工业计算机和PLC中的过压保护电路可能会触发保护性关闭或重新启动, 中断控制逻辑并导致过程混乱 | PLC的, 监控与数据采集系统, 人机界面计算机 | 立即——流程混乱 |
半导体制造厂的一项记录案例研究发现，电网干扰引起的电压骤升会导致设备停机和产品缺陷. 缺陷机制是间接的: 膨胀并没有立即损坏制造设备, 但导致基于 PLC 的过程控制系统重新启动, 中断精确控制的工艺参数 (温度, 气体流量, 沉积率) 周期中期. 控制系统重启时任何正在处理的晶圆都被报废. 在半导体制造领域, 一个中断的工艺周期可能意味着数万美元的废弃晶圆——这一成本在公用事业公司的电能质量记录中是不可见的，因为膨胀本身可能是短暂的并且在 “咨询” 而不是 “超出极限” 类别.
04 现场案例 — PT. PLN Sibolga 馈线 SB 02
PT现场模拟研究. PLN (佩尔塞罗) UP3 Sibolga 喂料器 SB 02 位于北苏门答腊省, 印尼, 提供故障条件下电压骤升行为和缓解设备性能的具体测量数据. 该研究模拟了三相故障 75% 连接负载的馈线长度 70% 馈线的额定容量.
Sibolga 案例展示了膨胀缓解技术选择的关键点: 硬盘录像机 (串联) 优于 DSTATCOM (并联连接) 用于缓解膨胀. DVR 注入电压与电源串联，以消除骤升阶段的过压，同时注入电压以恢复骤降阶段 — 通过单个设备同时缓解骤升和骤降. 静止无功补偿器, 作为在总线上注入无功电流的分流装置, 在缓解电压暂降方面更有效，但在抑制电压骤升方面效果较差，因为抑制电压上升需要吸收无功功率, 分流装置可以做到这一点，但不如 DVR 的串联电压注入精确.
选择 DVR 和 DSTATCOM 来缓解电压骤升取决于电压骤升的原因. 对于不接地系统上的 SLG 故障引起的浪涌（最严重的类别），DVR 的串联电压注入是正确的技术: 它可以注入与骤升分量大小相等且方向相反的电压, 无论电源电压如何，将负载端子电压钳位至标称值. DSTATCOM 的无功电流注入适用于电容器组切换或轻负载条件引起的骤升, 过电压适中的地方 (1.1–1.3pu) 无功功率吸收可使电压恢复到正常范围内. 对于甩负载膨胀, DSTATCOM 晶闸管开关的响应速度可能不够——DVR 在一个周期的一小部分内起作用，而 DSTATCOM 响应受到其控制带宽的限制.
05 缓解策略
| 战略 | 引起的地址 | 效力 | 成本水平 |
|---|---|---|---|
| 动态电压恢复器 (DVR) | 三者皆有——SLG 错误, 甩负载, 电容开关 | 高——串联注入补偿电压, 逐个周期 | 高 — 20 万美元至 200 万美元，具体取决于评级 |
| 静止无功补偿器 | 电容器切换, 轻负载条件 | 适度的膨胀 - 更适合凹陷 | 高 — 与 DVR 相当 |
| 电容器组级控制器 | 仅电容器开关膨胀 | 因该原因而高 — 开关所需的最小 kVar | 低 — 5,000 美元–50,000 美元 |
| 晶闸管开关电容器 (TSC) | 电容器开关骤升 | 高 — 过零开关消除瞬态 | 中等 — 5 万美元至 50 万美元 |
| 中压系统可靠接地 | SLG 故障膨胀 — 将最大值降低至以下 1.2 可以 | SLG 高 — 改变故障响应特性 | 介质 — 变压器改造 |
| VFD过压阈值调整 | 甩负载 — 略微提高跳闸阈值 | 有限——减少滋扰行程, 不能防止膨胀 | 零 — 仅参数更改 |
| 避雷器 — 高额定能量 | 所有膨胀的瞬态分量 | 部分 — 防止瞬态过压, 不持续膨胀 | 低 — 1,000 美元–20,000 美元 |
电压暂降缓解拥有成熟的产品生态系统: 不间断电源系统, 硬盘录像机, VFD 的穿越电容器, 和电动发电机飞轮系统均通过既定的性能规格解决电压骤降问题. 电压骤升缓解技术尚不成熟，原因有二. 第一, 上涨发生的频率较低——资本投资的精算案例比下跌更难做出. 第二, 涌浪的能量平衡问题比骤降的能量平衡问题更困难: 吸收电压骤升需要缓解装置吸收来自电源的能量, 这意味着它需要一个能量吸收器. DVR 系统通过制动电阻器或背靠背转换器架构解决此问题, 但这相对于仅下垂的 DVR 设计增加了复杂性和成本. 结果是，许多有记录的膨胀问题的设施选择了调整保护阈值和接受偶尔的设备损坏的次优解决方案，而不是投资于专门设计的膨胀缓解措施.
06 电能质量视角
电压骤升是工业设施中最不受监控的电能质量干扰类别. 部分原因是历史原因——早期的 PQ 监视器主要是为了捕获电压暂降和瞬态而设计的, 添加膨胀检测作为次要功能 - 并且部分经济: 因为与骤降相比，骤升造成的生产中断频率较低且不太明显, 他们的监控优先级较低. 半导体设施案例研究说明了这种优先顺序不足的成本: 导致 PLC 重新启动的短暂膨胀可能不会作为故障出现在生产停机日志中 “电能质量事件” — 它显示为 “无法解释的进程中断。”
从公用事业配电工程的角度来看, 未接地系统上的 SLG 故障会产生最严重且最易于管理的膨胀问题. 系统接地的选择——牢固接地, 电阻接地, 或不接地——是具有直接 PQ 后果的设计决策. 牢固接地的系统将故障相骤升限制在远低于 1.2 可以; 不接地系统允许膨胀至 1.73 可以. 从不接地中压系统改为直接接地中压系统的公用事业公司已记录了客户电压骤升投诉和相关设备损坏索赔的减少.
对于处理无法解释的设备故障（尤其是 MOV 和浪涌抑制器故障）的工业 PQ 工程师来说，最重要的实用建议, VFD过压跳闸, 和过早的电容器故障 - 是配置其 PQ 监视器以同时捕获所有相位上的电压骤降和骤升事件. SLG 故障在一相上显示为电压骤降，在另一相上显示为电压骤升. 仅监控故障相或事件骤降侧的工程师可能会完全错过浪涌，然后无法解释为什么正常相上的保护装置会发生故障. 标准 30 天 PQ 调查仅关注 IEEE 的电压骤降特征 446 如果发生无法解释的保护装置故障，则应扩展穿越评估，以包括所有阶段的完整膨胀特性.
参考文献
- 蒂亚吉·M, 汗米, 古普塔小号. “配电系统电压骤升和骤降的综合研究: 特征, 原因, 效果, 和缓解策略。” 电气系统杂志, 飞行. 20, 不. 11小号, PP. 960–972, 2024. 可用的: Journal.esrgroups.org/jes/article/view/7348
- 奈杜·R, 皮莱·P. “电压暂降和暂升检测的新方法。” IEEE电力输送交易, 飞行. 22, 不. 2, PP. 1056–1063, 2007.
- IEEE StD里 1159-2019. IEEE 监测电力质量的推荐做法. IEEE, 纽约, 纽约, 2019.
- 符合IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021. 电磁兼容性 - 部分 4-30: 电能质量测量方法. 符合IEC, 日内瓦.
- 电压-Disturbance.com. “由于线路接地故障导致电压骤升。” 技术分析文章. 可用的: 电压扰动.com
- PT. PLN (佩尔塞罗) UP3 Sibolga 喂料器 SB 02 案例研究. 记录于: DVR与DSTATCOM性能对比, 研究之门, 2020. DOI: 10.13140/RG.2.2.12345
主要来源: 蒂亚吉·M, 汗米, 古普塔小号. 杰斯 2024 · PT. PLN Sibolga 馈线 SB 02 案例研究 · IEEE StD里 1159-2019 膨胀定义·Voltage-Disturbance.com 技术分析. SVG 图和 PQ 透视图 (部分 6) 是IPQDF原创编辑内容.
本案例研究以总结和评论的形式呈现，用于教育目的. 原创研究归属于各自作者. 丹尼斯Ruest, 硕士. (应用), P.Eng. (ret。) — IPQDF 不声称原始研究的作者.