第一章 绪论
1.1 背景
电力系统内设备的正常投、切操作或发生故障，如冲击负载投入、大型电动机直接启动、供电系统短路故障和雷击等，都将不可避免地导致电网电压出现瞬时波动、闪变或下降等现象。电网电压下降或波动，不仅会对电网的安全与经济运行带来极大的不利影响，也可能导致用户设备不能正常工作，严重时甚至危害设备和人身安全。针对此，为了能够在电网电压降低时，及时切除部分负荷，为电网恢复正常创造有利条件，也减少因电压波动造成用户用电设备的损坏，低电压脱扣器已经越来越多地使用于供电用户端的断路器、降压起动器等电器产品中，以作为线路、电动机、发电机的失压保护。然而，在实际使用过程中，部分电力用户配电系统的低压断路器配置的低电压脱扣器为低压(失压)瞬时脱扣，或者虽带有延时脱扣功能，但延时整定不合理，导致低压断路器时常因为上述电压闪变原因发生跳闸，造成不必要的负荷损失。
2010 年 6 月，上海某 220kV 变电站 220kV 母联开关因金属异物引起相间短路，220kV 正母母差保护动作，两台主变 220kV 侧开关跳闸，造成损失负荷15MW，多数为压缩机类设备，空调、冰箱等制冷电器设备，这类设备自带了低电压保护电路。2014 年 5 月，江苏南京某 220kV 线路发生单相转三相接地故障，相邻火车站内部 10kV 开关低电压保护动作跳闸，部分低压开关低电压释放装置动作跳闸，站台区域照明短时失电，2 列列车延时发车。该地区周边少部分低压客户亦受压降影响，照明瞬时闪动，部分用户低电压脱扣器动作。初步统计，开关低电压脱扣器动作导致受影响负荷约 21 万千瓦，其中低压负荷约 3 万千瓦，中压负荷约 18 万千瓦。2015 年 3 月，新疆昌吉某地区对 220kV 变电站进行主变充电方式调整过程中，开关过流保护及母联保护动作，造成某大用户自备电厂解网运行，周边部分低电压脱扣器亦同时发生动作，引起了一定程度上的负荷损失。
除以上三起事故外，近年来还发生了部分由于电压波动导致客户负荷低压保护装置动作事件，造成了一定的经济损失和负面社会影响。为进一步掌握客户负荷低电压保护配置现状，明确低电压保护的适用主体，保证负荷低压保护装置功能配置、定值设定、安装调试与校验的规范性，充分发挥低压保护装置保障电网安全稳定运行、保护用电设备的重要作用，最小化负荷低电压保护运行维护风险，对国家电网公司经营区域内 26 个省、自治区、直辖市的共计 176.41万户高压专变电力用户的低电压保护配置情况进行了调研，并针对 2014 年 5 月江苏南京地区的故障案例开展具体分析，为实现负荷低电压保护装置的科学管控提供数据和理论支撑。
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1.2 电压暂降分析
1.2.1 电压暂降定义
供电电压的均方根值在短时间内出现突然下降，这一现象称之为电压暂降，通常持续时间是 0.5 到 30 个周波。根据《电能质量电压暂降与短时中断》（GB/T30137-2013）的相关规定，电压暂降，即电力系统中某点工频电压方均根植突然降低至 0.1p.u.-0.9p.u.，并在短暂持续 10ms-1min 后恢复正常的现象。国标中将当电压方均根值降低至 0.1p.u.以下的情况，称为短时中断。
1.2.2 电压暂降特征量
描述电压暂降的过程需要引用三个特征量，分别是电压暂降幅值、相位跳变和持续时间。电压暂降幅值是指在电压暂降过程中出现的电压均方根最小值。通常，这一数值和变压器的接线方式、干扰源地理位置、其他电源点的影响的因素有关联。电压暂降的持续时间是指当出现电压波动达到预设阈值的相关暂降事件的持续时间，如图 2.1 所示。这一数值通常与继电保护装置配置类型、整定参数、动作状态等因素相关。对于非矩形波的电压暂降现象，由于开始时间和结束时间并不足够明显，因此想要界定电压暂降持续时间有一定难度。按照电压暂降的定义，将电压阈值设定为 0.9p.u.，电压降低到低于该阈值的时间即认定为电压暂降的持续时间。
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第二章 客户负荷低压保护装置配置情况调查
2.1 典型负荷低电压保护方式及其基本原理
目前负荷侧低电压保护方式主要存在线路级保护和设备级保护两大类，其中线路保护采用在客户低压总开关或配电柜出线开关安装欠压脱扣装置实现对客户全部负荷或部分出线负荷保护；设备级保护主要采用接触器、低电压继电器及专用低压保护电路实现，其主要保护对象是电机类负荷。以下分别对上述四种保护方式进行介绍：
2.1.1 欠压脱扣保护
欠压脱扣装置是用于低电压保护重要安全防护装置，有装设在用户低压总开关前级，用于保护用户低压配电系统，也有装置于用电设备处，用于保护用电[17-22]设备 。其工作原理是：正常状态下（即线路电压为额定电压的 85%-110%区间时），欠压脱扣装置上的衔铁被铁芯吸住，断路器处于闭合状态，正常运行；异常状态下(即线路电压低于额定电压的 70%时)，欠压脱扣装置上的衔铁脱落，撞击脱扣杆，使断路器分断，如图 2.1 所示。
如图 2.2 所示，低电压脱扣器加上延时继电器可实现带延时低电压释放的功能。断路器电源通常取自于母线或者回路断路器，通过欠压延时继电器对欠压脱扣器进行充电，使衔铁被铁芯吸住，欠压延时继电器通过电容器进行储能。当电压发生较大波动，电压值不足以保证衔铁被吸住的时候，继电器通过充电状态下储存的电能对欠压脱扣器进行供电，从而实现了延时试点的效果。延时时间可通过储能进行设定。低压脱扣器失电，便会作用于推动杆脱开断路器连杆上的锁扣，断路器跳闸，切断电路。此方式原理简单，现场较多采用。若没有配置延时继电器，则低电压情况下瞬时脱扣使断路器跳闸。
2.1.2 低电压继电器保护
通常在需要运行重要设备的电机回路中需要使用低电压继电器进行保护。此类电机通过在跳闸回路中并联一个低压继电器常闭节点，低压继电器线圈在三相电源中用于两相之间的电动机总线，正常工作状态下，电源母线电压正常，低压继电器线圈在返回状态下通电，常闭节点断开，不会连接到跳闸回路，当母线电源故障或由于某种类型的接地故障发生时，母线电压下降到低电压继电器动作值，继电器动作，常闭触点闭合，连接到跳闸电路，电机从总线中切除。当母线电压恢复时，低电压继电器返回，常闭触点打开，电机跳闸，然后电机可以重新启动。
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2.2 设备配置运行情况
本次调研涉及国网公司经营范围内的主要高压专变客 1764142 户，其中455992 户配置了低电压保护，配置率达到 25.85%。在配置低电压保护客户中，87.1%的客户选择在低压总开关或客户进线开关处加装低压保护（欠压脱扣保护），62%客户配置了延时保护。从行业分布特点来看，制造业、电子、铁路、供水供气行业的低压保护装置配置率较高，超过了 35%。广播电视、通信、物业小区等行业配置率较低，不足 20%。从低压保护对象来看，配置了低压保护客户中的高压电机负荷用户数达到了 42%，具体情况如下。
2.2.1 按照行业类别分类
党政机关和国防部门行业：调研 42412 户中配置低电压保护 10839 户，配置率为 25.6%，延时保护配置用户占 58%。此类行业多为需要保障持续供电的重要部门，保证供电的持续性要求高，因此客户低压侧保护多采用空气开关保护，采用欠压脱扣保护的客户反映在电压低和失压时此类保护动作后，在备用电源投入后还需要对脱扣装置进行重新合闸操作，造成复电停电时间较长，不利于及时复电，电池类备用电源的接入也必须安装在脱扣机构之后造成安全隐患。
广播电视、通信行业：调研 59559 户中配置低电压保护 11560 户，配置率为 19.4%，延时保护配置用户占 36%。作为信息通讯，由于其用电性质的特殊性，为保障电压降低时，通讯畅通，重要信息能及时发布，应在其除信息发布之外的用电设备上开关处安装低电压保护（失压线圈）。客户反映需要在低压侧发生故障时能够快速切断故障，在低压总开关安装失压脱扣不利于控制负荷故障，容易造成停电面积扩大。
城市供水、城市供气行业：调研 26992 户中配置低电压保护 10857 户，配置率为 40.2%，延时保护配置用户占 48%。作为关系民生的行业，为保证电压降低时供水、供气正常，人民生活不受影响，在其除主要设备之外的用电设备开关处安装低电压保护。此类客户对供电持续性和供电电压要求不高，对是否配置失压脱扣类保护根据自身经济状况进行设定，经济状况较好的客户为保障设备安全选择安装，经济状况较差的客户反映不会安装此类设备。
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第三章 客户负荷低压保护装置配置影响分析...................26
3.1 低电压保护配置影响分析...................................26
3.1.1 装设低电压保护影响分析...................................26
第四章 区域性负荷低压脱扣特性模型及应用........................32
4.1 基于低压脱扣器类型的低压脱扣模型.......................32
4.2 基于用户用电类型的低压脱扣模型........................32
第五章 动作特性试验与配置策略研究应用......................38
5.1 试验平台................................................38
5.2 试验步骤..............................................41
第五章 动作特性试验与配置策略研究应用
本文使用大功率电压暂降发生仪代替图 5.1 中试验发生器，选用市场上常见的国星 GXQ-M 低压脱扣器作为测试对象，低压脱扣器不进行延时设置。图 5.2 给出了本文所设计的试验平台。试验平台主要包括低压脱扣器、电阻负载和电压暂降发生仪。K1 闭合、K2 断开时，可测试两相接线方式的低压脱扣器。K1 断开、K2 闭合时，可测试单相接线方式的低压脱扣器。电压暂降发生仪可输出三个单相电压暂降测试信号。
试验开始前，首先检测 GXQ-M 型低压脱扣器的工作状态是否正常。首先调节电压暂降发生仪，使其输出电压等于 GXQ-M 型低压脱扣器的额定工作电压，若能合闸运行，说明性能正常，可进行电压暂降试验，根据 GB/T17626.11-2008 有关规定设计试验步骤。
由低压脱扣器的综合电压耐受曲线图可见，电压暂降作用下的低压脱扣器动作特性可划分为动作区域、不动作区域和模糊区域 3 个区域，低压脱扣器电压暂降下工作特性由幅值、持续时间和相位等特征量综合决定。在实际发生的电压暂降事件中，通常可确定的是电压暂降幅值和持续时间，而相位特征量多为未知，因此对综合电压耐受曲线作近似矩形处理，进一步明确动作区域、不动作区域和模糊区域，如图 5.7 所示。
以拉萨地区某一机械加工厂为例，该厂主要进行钢材加工，用电容量为1000千伏安，供电电压等级 10 千伏。由于拉萨地区电压质量稳定性不足，特别是在夏季，该厂经常出现电压波动后设备全部跳掉的情况，给其正常生产带来了损失，也对设备造成了损坏。根据本次调查研究得出的配置策略，对该厂配置的低压脱扣装置进行了重新设定，增加了保护动作延时，更改后近一年时间内，该户因电网波动造成的跳闸数量明显降低，仅发生过两起。
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总结
本文的研究工作主要围绕着客户用电负荷低压保护配置及应用工作展开。
首先，总结了电压暂降的起因，重点分析了变压器空载投运、大型感应电机启动、短路故障的引起的电压暂降的特点，详细阐述了电压暂降对部分电压敏感设备的影响。
其次，针对全国 176 万户高压客户的低压保护配置情况进行了全面调研，深入分析不同类别、不同电压等级用户的调研数据，结合调研成果，根据装设和不装设低电压保护配置两种情况，从正面和负面分析了对电网和客户的影响，同时分析了该类装置对电网减供负荷的影响，提出了区域性负荷低压脱扣特性模型，根据不同用电性质用户对低压脱扣器的需求特点，对电力客户负荷低压保护装置配置情况进行了全面梳理，并结合 2014 年 5 月江苏南京地区发生的一起引发了较大面积脱扣保护动作的故障，对负荷损失进行研究，建立南京电网区域性负荷低压脱扣特性模型，探索不同类别的用电户对于低电压脱扣器的反映特征，确定负荷脱扣与电压暂降的关系，建立起二者之间的数学模型，并通过实例验证。
最后，对负荷低压保护安全管理与配置提出相关建议与意见,对需要和不宜安装低压欠压脱扣装置的用户进行了明确，提出了延时功能配置建议，并从管理角度提出建议。同时，根据调研结果，在西藏拉萨地区 455 户高压用户中试运行一年，效果良好，电网异常波动对用户影响明显降低。
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参考文献（略）
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参考文献（略）