電壓暫降和瞬時供電中斷是兩種典型的暫态電能質量問題，已經給連續性生産的重要行業用戶造成了重大經濟損失和負面影響，這一問題正逐漸引起電力部門和行業用戶的高度重視。在電能質量問題的衆多解決方案中，固态切換開關（SSTS）是一種極具競争力的解決手段，在配電網中有着廣泛的應用前景。

本文介紹了SSTS的基本原理，然後結合唐山地區某典型企業配電系統改造實例，闡述了SSTS對于解決電壓暫降和瞬時供電中斷的實際應用效果。

電能質量的描述分為穩态電能質量和暫态電能質量，過去我們對電能質量的描述和評價主要集中在穩态方面，而且經過多年的努力，我們國家的穩态電能質量已經得到很大的提高，然而，我們對于暫态電能質量的認識尚不深入，電力部門也沒有引起足夠的重視。

暫态電能質量問題主要包括：電壓暫降/驟降（Voltage Sag or Dip）、電壓暫升/驟升（Voltage Swell）、電壓中斷（Voltage Interrruption）、電壓波動（Voltage Fluctuation）等。EPRI（美國電科院）的全國性調研結果表明：在所有的電能質量問題中，其中98％是由電壓暫降、持續15秒或更短時間的電壓中斷造成的。

目前電壓暫降和瞬時供電中斷問題已經給國内的石化、冶金、煤礦、半導體、汽車、制藥、紡織等行業造成了幾十億的年直接經濟損失，所導緻的間接損失更是無法估量。

從現在開始，我們必須正視這一現狀，從政策、體制、資金、技術和運行管理等方面綜合推進電能質量治理這一系統工程。

電壓暫降治理方案的選擇涉及到企業負荷性質、治理層面（終端負荷、生産線、全廠）、現有經濟損失、治理方案資金投入、現場施工等多個方面，是一項綜合考慮經濟與技術、投資與回報的複雜工作。

常規解決方案主要包括：不間斷電源（UPS）、動态電壓恢複器（DVR）和固态切換開關（SSTS），方案對比如下：

（1）UPS是我們通常會首先想到的解決方案，已經在衆多行業得到了普遍應用。但目前主流的雙變換在線式UPS所帶來的高能耗問題已經被大家所認知，因此，一種效率極高的動态不間斷電源（Dynamic Uninterruptible Power Supply, DUPS）正日見端倪，并開始得到應用。

無論UPS還是DUPS，一般功率較小，通常以低壓為主，主要适用于企業終端負荷治理，可以根據功率情況進行“一對一”或“一對多”應用。如果企業敏感負荷所占比重較大，可以考慮生産線級，甚至全廠級治理，此時需要大功率UPS（或DUPS），甚至是高壓大功率UPS（或DUPS），相應的造價将非常高昂，同時還涉及到電池定期維護和更換問題。

（2）DVR在應對電壓暫降方面與UPS相比，有比較強的價格優勢，但它自身具有緻命性缺陷，即電網電壓跌至50％以下，或完全中斷時，DVR已經無法進行有效補償，形同虛設了。

（3）SSTS是一種能夠在一個周波之内完成雙電源切換的極高速切換裝置，與傳統的切換設備有着實質性的區别，它徹底摒棄了機械開關作為切換元件的傳統做法，而是創造性的采用半導體固态開關作為切換元件，同時輔以先進的檢測和控制技術，來實現如此高速的電源切換。

目前SSTS已經在國外得到了廣泛應用，生産廠家主要以外國公司為主，可喜的是，國内一些有雄厚技術實力的廠家已經開發出此類裝置，比如榮信股份開發的系列高中低壓SSTS，技術指标接近甚至超過了外國公司，并且已經在多個行業開始應用。

SSTS尤其适用于大容量的生産線級和全廠級電壓暫降治理，或者是高壓大功率終端負荷，其投資大大低于高壓大容量UPS（或DUPS），另外現場改造簡單，施工和調試方便，是一種理想的大功率電壓暫降解決方案，尤其是高中壓場合。

SSTS基本原理拓撲如圖1所示，它主要包括基于晶閘管閥體的固态開關、旁路和隔離開關、電壓互感器、電流互感器、控制器、人機交互接口等。

圖1 SSTS基本原理拓撲

（1）固态開關：由一對反并聯的晶閘管組成，各自導通半個周波，根據系統額定電壓和電流情況，固态開關由晶閘管串并聯組成，形成晶閘管閥體。

假定正常情況下電源1供電，則固态開關1導通，固态開關2處于分斷狀态，電流流經固态開關1。當電源1故障，或主動切換至電源2時，分斷固态開關1，此後導通固态開關2，負載轉由電源2供電，電流流經固态開關2。

（2）隔離和旁路開關：K1～K3為隔離開關，K4和K5為旁路開關。正常情況下電流流經固态開關，電源之間的切換由固态開關完成，此時隔離開關處于導通狀态，而旁路開關處于分斷狀态。當固态開關故障或定期維護時，導通旁路開關，分斷隔離開關，此時SSTS類似于傳統的電源切換裝置，以最大程度上保證負荷的正常供電不受影響。

（3）電壓互感器、電流互感器：信号采樣裝置，通過電壓和電流互感器獲取一次電壓和電流信息，以供控制器進行分析判斷。

（4）控制器：整個SSTS系統核心，負責各種信号的采樣處理、分析計算、開關動作、保護等。

（5）人機交互：主/備電源選擇、手動/自動切換、切換門限、狀态顯示等通過人機交互接口處理。

4.1 企業需求

唐山高新技術産業開發區已經發展成為以焊接、汽車零部件、新材料、生物制藥、智能儀器儀表、環保機械為特色的國家級高新區。

從高新區規劃開始，唐山供電局就始終秉承提供一流高品質電力供應的服務宗旨，在規劃、建設、運行和服務等多個方面堅持高标準。

但随着開發區規模的不斷發展壯大，用戶對供電品質需求的差異性也逐漸顯現出來。比如某半導體制造企業，生産裝置基本全是國外進口，對電能質量要求極高，一旦發生電壓暫降等暫态電能治理問題，就會導緻部分設備，甚至全廠設備停機，每次損失高達100萬元左右，這樣的事故基本上每年都會發生3～5次不等，甚至很多情況下連照明日光燈都沒有閃爍，企業感到非常困惑。

4.2 現場調研

針對該企業的實際情況，唐山供電局和用戶進行了深入的溝通和分析，最後決定首先在企業兩段10kV母線上安裝兩台電能治理監測儀，以實時監測電壓波動情況，系統一次圖如圖2所示。

圖2 企業一次系統圖

經過3個月的實時監測，共發生5次電壓暫降，其中電壓暫降幅度最大的一次高達80％，持續時間200ms，其餘幾次暫降幅值都在30～50％之間，持續時間在100～200ms之間。由于企業兩路35kV進線來自不同的變電站，所以兩段10kV并沒有同時發生電壓暫降事故。

由于該企業敏感負荷占全廠總負荷的50％以上，所以唐山供電局經過與用戶協商後，決定安裝一台榮信股份生産的10kV/630A SSTS，用于全廠級電壓暫降治理。唐山供電局提供從解決方案選擇、設備選型、方案設計、現場施工、安裝調試等一系列技術支持工作。

4.3 解決方案

由于是現場改造項目，企業要求現有開關均保留，所以SSTS串聯接入現有系統，安裝示意圖如圖3所示，其中SSTS内部結構如圖4所示。

圖3 SSTS安裝示意圖

圖4 SSTS内部結構圖

SSTS安裝之後，要求現有斷路器QF1、QF2和QF3處于常閉狀态，而系統運行方式和電源之間的切換全部由SSTS完成。

4.4 現場調試

SSTS設備安裝之後，系統上電，然後分别進行了手動空載切換、人為斷一路輸入電源的自動空載切換、半載和全載下的手動切換和斷一路輸入電源自動切換，每次SSTS都能可靠動作，切換時間都在8ms以内，典型切換波形如圖5所示。

圖5 負載電壓典型切換波形

由圖5可以看出，SSTS切換時負載電壓波形連續，真正實現了無縫切換。SSTS切換時，所有生産設備、辦公設備、生活設備都沒有受到任何影響，一切運轉平穩，完全感受不到電源發生了變化。

該設備投運至今，已成功避免了十多次的電壓暫降，有效的保證了企業的正常生産，避免了巨大經濟損失。

（1）SSTS現場運行結果表明，切換時能夠确保變頻器、伺服驅動器、直流調速器、接觸器、機器手、PLC、DCS、計算機和行業專有設備（如切割機、PECVD、光纖機、高頻電解電鍍電源等）的不間斷運行；

（2）SSTS是解決電壓暫降問題的一種經濟有效方案，尤其是大容量終端負荷、生産線或全廠級治理，且該設備免維護。

（3）對于企業來講，避免經濟損失意味着将直接增加了效益。宏觀上，有效節約和利用了社會資源，提高了國民經濟的總體效益。

（編自《電氣技術》，作者為趙亮、張建軍。）

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