沈康

摘? 要：在工廠動力設備正常運作過程中，晃電常會引起工廠設備報警及宕機，且造成一系列的連鎖反應，造成較大的經(jīng)濟損失。但是晃電的出現(xiàn)具備較強的隨機性，無法準確預測，為了保障有序生產(chǎn)，推進動力設備抗晃電能力治理工作成為工廠著力的重點。

關鍵詞：電壓暫降;動力設備;抗晃電;變頻技術

中圖分類號：TM762? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

隨著國家“智能制造”的整體策略不斷推行以及國內(nèi)制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，工業(yè)自動化程度正在不斷提升，“無人工廠”等系列先進制造業(yè)的代名詞時常會被提起，而有“呼之欲出”的趨勢。眾所周知，工業(yè)自動化少不了那些自動化產(chǎn)品，而先進電力電子技術轉換的各類自動化產(chǎn)品也為工廠運營發(fā)展提供了重要的作用。從運維角度分析，電力電子技術組合的“敏感性”設備設施的抗晃電能力需要進一步提升，如何抵御晃電產(chǎn)生的危害就成了需要持續(xù)研究的課題。

數(shù)據(jù)顯示，作為國內(nèi)第一條5代液晶面板的生產(chǎn)基地，工廠籌建于2003年，工廠內(nèi)配備著大量“高精尖，高敏感，高價值”的生產(chǎn)及輔助設備。據(jù)內(nèi)部統(tǒng)計，2011年～2017年期間，電壓暫降型晃電直接影響生產(chǎn)運營68次，直接造成經(jīng)濟損失約860余萬，導致間接影響交付納期、內(nèi)部氛圍、作業(yè)安全等諸多問題。

1 晃電的成因與危害

1.1 晃電成因

工廠晃電主要指電力系統(tǒng)中某點工頻電壓有效值持續(xù)10 ms～1 min降低至額定電壓的10%～90%時的電壓暫降（如圖1所示），且可以分為2種原因。

供給側原因：主要為工廠外部電力設備設施引起的晃電（如雷擊、極端氣候、動物、人為非正常操作、輸配電系統(tǒng)故障等）。從“大電網(wǎng)”的概念來說，電力公司多年一直在做系統(tǒng)性升級改善，成效明顯，但是整個供電網(wǎng)絡難免遭受各類外部干擾波及影響，所以這方面是存在不可控的窘境。

需求側原因：主要為工廠內(nèi)部設施設備引起的晃電（如內(nèi)部設備短路、大型感應電機的啟動、沖擊性負載的投運等）。對此產(chǎn)生影響的設備則是需要治理，特別是對于老企業(yè)來說此類問題更需要預防性治理。

1.2 晃電危害

晃電涉及電壓暫降和暫升，電壓暫升對于動力設備的影響有限，但是電壓暫降到一定程度，動力設備停機將會造成連續(xù)性生產(chǎn)中斷，設備損壞，產(chǎn)生大量的次品廢品，給工廠帶來很大的經(jīng)濟損失[1]。而根據(jù)EPRI（美國電科院）權威數(shù)據(jù)，日常發(fā)生的電壓暫降、暫升占到電能質(zhì)量事件92%。據(jù)統(tǒng)計電力系統(tǒng)中用戶側發(fā)生電壓暫降時間的次數(shù)遠大于停電次數(shù)，至少是6倍以上[2]，所以電壓暫降型晃電產(chǎn)生的危害性相對較大，值得針對性治理。

1.2.1 設備運行影響

對于動力設備來說，雖然晃電持續(xù)時間一般在毫秒內(nèi)，晃電消失后恢復正常，但是可能會觸發(fā)保護性報警而停機，設備運作節(jié)拍打亂而中斷，甚至二次能源供給波動將導致大規(guī)模停機，復機恢復至少需60 min以上（在沒有設備設施損壞的條件下）。對于液晶面板制造工廠，無論是生產(chǎn)計劃完成，還是經(jīng)營目標達成都存在嚴重的影響。模擬驗證結果（表1），可見變頻器等應對晃電能力較差[3]。

1.2.2 傳導特性影響

當電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的某線路出現(xiàn)故障時，會導致相連的多條線發(fā)生電壓暫降現(xiàn)象。也就是說，當系統(tǒng)任意一點出現(xiàn)故障時，從故障點起，電壓暫降會向多條線“傳播”。通常來說，距離故障點越近，暫降幅度越低，距離故障點越遠，暫降幅度越高，所以必然導致影響面擴大，且不可預見性增大了控制的難度[4]。

2 供電系統(tǒng)與變頻技術背景

2.1 供電系統(tǒng)現(xiàn)狀

評估供電系統(tǒng)設計為4條35 kV供電線路，每路35 kV/6 kV分別供2段母線，在6 kV側的8段母線之間安裝4套固體靜態(tài)切換開關（SSTS1#-4#），實現(xiàn)供電線路<20ms的快速切換，生產(chǎn)工藝負載接入在各SSTS及UPS保護下，而常規(guī)動力設備由8條母線直接供給，晃電時無直接保護功能，如圖2所示。

2.2 變頻技術應用

隨著電力電子器件不斷地更新迭代以及微電子技術的飛速發(fā)展， 高性能交流調(diào)速系統(tǒng)應用的比例逐年上升， 變頻器使復雜的調(diào)速控制簡單化，小型化，使傳動技術發(fā)展到新階段。

液晶面板產(chǎn)業(yè)作為一個高能耗，高排放，高投入的行業(yè)，投資不菲的動力設備為了滿足精準的生產(chǎn)需求，響應節(jié)能降耗的號召，生產(chǎn)過程中涉及的工藝除害、排氣、冷熱源供給、水處理應用、空氣壓縮以及生產(chǎn)真空供給等各個環(huán)節(jié)中大量應用變頻器，在穩(wěn)定運行、節(jié)能降耗方面充分體現(xiàn)了其優(yōu)勢。

但是隨著投運近16年，不間斷運行部分設備已經(jīng)老化，運行性能急劇下將，自身的“健康”程度亟待關注。同時由于系統(tǒng)設計架構的局限性，變頻類設備存在軟肋，如動力/控制電源不在SSTS及UPS的保護范圍內(nèi)，發(fā)生晃電時，變頻器易受電網(wǎng)電壓波動的影響而跳閘停機[5]，影響正常生產(chǎn)作業(yè)。

3 抗晃電措施應用分析

結合歷史晃電記錄分析（參考semiF47標準），14～18年歷史數(shù)據(jù)顯示，80%晃電的電壓跌<30%，持續(xù)時間<100 ms，設想以此策劃提升動力設備的抗晃電能力。

雖然各系統(tǒng)的變頻器型號不一，但是工作機理一致，組織研究一款普及應用型號，推動橫向執(zhí)行改善。以下研究以三菱400V_FR_F700系列為例，針對變頻調(diào)速的工作參數(shù)、運行條件、參數(shù)設定進行研究，尋求提升抗晃電能力的優(yōu)化方法。

3.1 變頻調(diào)速運行條件分析

變頻裝置具有IGBT等功率性的元器件，通常有一定的過載能力，當?shù)碗妷悍容^小，持續(xù)時間較短時（t0t），變頻器的開關電源無法起振，控制電源的輸出停止或輸出功率下降，才會造成變頻器控制系統(tǒng)發(fā)生紊亂，功率器件不能關斷，給變頻器造成運行問題。隨即變頻器保護動作，使電動機停止運行[6]。

以工廠動力設備冷卻水三菱變頻器為例，額定輸入交流電壓：3相380 V～480 V，允許波動范圍323 V～528 V，在額定運行狀態(tài)，調(diào)速器允許15%以內(nèi)暫降是不受影響可持續(xù)輸出運行。

3.2 變頻調(diào)速器設定參數(shù)分析

查閱手冊及文獻發(fā)現(xiàn)變頻器運行指令具備“特殊”功能，在晃電發(fā)生時（暫降≤15%），只要關鍵運行指令合理設定參數(shù)，就可實現(xiàn)電機停止后電機再啟動（瞬間停電再啟動）系列參數(shù)（例如：Pr.57， Pr.58， Pr.162～165，Pr.299， Pr.611等），是存在優(yōu)化調(diào)整的可行性。

3.3 抗晃電應用

3.3.1 保護-整機保護

對系統(tǒng)功能、影響范圍進行梳理，著手推進一批以“生產(chǎn)真空”變頻調(diào)速先行設備的整機保護，變頻柜主回路、控制回路由德廣3E486母排進線改造成600 kVA大型UPS系統(tǒng)進線。

UPS 抗晃電系統(tǒng)是解決晃電比較好的一種技術[7]。該方案主要是針對功率大且集中型設備設施，施工工藝也比較方便，當然也要衡量UPS剩余容量及其他負載重要程度可推廣。保證在系統(tǒng)發(fā)生晃電時，動力設備能夠依靠UPS提供的可靠電源正常工作[8]。

3.3.2 控制盤柜控制電源保護

評估動力設備運行信號都來自于遠程控制或者柜內(nèi)控制賦予（邏輯判斷控制器、過程控制器等一系列等中間部品），中間部品容量較小且分散，所以設計常規(guī)1 kVA～3 kVA小型UPS即可達成保護。

以水處理系統(tǒng)為例，針對日系電壓等級為100 V，國內(nèi)常規(guī)小型UPS無法直接接入。設計采用2個變壓器，先將輸入AC100V通過升壓變壓器升壓至AC220V，供UPS運行，UPS輸出電壓AC220V還需通過一個降壓變壓器降壓至AC100V，最后為設備控制回路供電。

通過上述方法解決了日系電壓問題，實現(xiàn)了當正常供電暫降時，將蓄電池輸出的直流變換成交流持續(xù)供電，裝設UPS電源后可以充分利用其功能特點，預防因欠壓而跳停的缺點，維持正常工作并保護軟、硬件不受損壞，保證控制設備的平穩(wěn)運行。

3.3.3 變頻調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化

針對晃電時造成冷卻水、冷凍機變頻器異常的問題，經(jīng)過查詢資料，咨詢變頻器廠家通過現(xiàn)場確認后，具體參數(shù)調(diào)整如下所述。

3.3.3.1 設置自動再起動功能

根據(jù)工藝流程性質(zhì)，結合變頻器參數(shù)以及控制系統(tǒng)狀況，采取相應的措施來預防晃電對其的危害，保證變頻器安全穩(wěn)定的工作。設置變頻器自動再起動功能有效預防欠電壓對變頻器的影響。其設計就是變頻器在失電后，濾波電容器放電，逆變器控制電源失電時能夠自動復位。

Pr.162： 0→0;Pr.57：9999→0 ;Pr.58：1→0.5;

Pr.611： 55 kW以下 5→3; 75 kW以上15→10

3.3.3.2 調(diào)低低電壓保護值，延長控制設備的加速時間

核對設定，原供電電源降到其額定值的90%左右時，變頻器即可發(fā)生跳停，根據(jù)其說明書適當調(diào)低變頻器低電壓保護值80%，同時針對變頻器控制的電氣設備加速時間短，加速度高，電源電壓會被很快拉低，導致變頻器欠電壓而跳停，因此可根據(jù)生產(chǎn)工藝需求，適當延長變頻器所控制設備的加速時間，降低電網(wǎng)出現(xiàn)降壓對變頻器的影響，如果使用了PID技術控制器，注意降低系統(tǒng)響應，減P設80加I設20，延長濾波時間。

4 應用效果評價

在供電系統(tǒng)定期預防性檢測保障，加上在紅外點檢/示溫可視化保證的條件下，年內(nèi)完成了排氣、水處理、生產(chǎn)真空等動力設備能力提升專項，具體涉及增設小型UPS，變頻器升級迭代/參數(shù)優(yōu)化， 雙開關電源， 并入大型UPS系統(tǒng)等有效措施。

各系統(tǒng)變頻技術優(yōu)化后，抗晃電能力顯著得到提升，有效減少了晃電造成整體系統(tǒng)或者需求側設備報警宕機，下階段準備橫向推廣至其他系統(tǒng)。

通過運行模式調(diào)整和技術改裝后，動力設備抗晃電能力達到預期，2018年～2019年期間影響占比下降至6%，有效保障了動力設備的安全穩(wěn)定運行。

5 結語

總之，由于動力設備技術領域具有專業(yè)寬，范圍廣等特征，隨著智能制造目標的推動，工廠對于動力設備的運行穩(wěn)定性要求必然越來越高，粗放型的設備運維管理必然不能適應變化的要求及現(xiàn)場工作環(huán)境[9]，所以動力技術人員需要隨之變革，潛心學習提升，進一步提升動力設備的能力。

參考文獻

[1]吳宏偉.UPS抗晃電技術及其應用[J].甘肅科技縱橫，2008（2）：41.

[2]陶順，肖湘寧，劉曉娟.電壓暫降對于配電系統(tǒng)可靠性影響及其評估指標的研究[J].中國電機工程學報，2005，25（21）：63.

[3]秦夢陽.DC-BANK系統(tǒng)對變頻器抗晃電的應用探討，科技資訊2017（1）：32.

[4] 邱愛中，姬俊丹，朱青.抗晃電技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].科學技術創(chuàng)新，2019（35），23.

[5]諶云臨，鄧云暉.低壓變頻器抗晃電方案的應用與探討[J].電器工業(yè)，2020（2）：95.

[6]張星海.變頻器操作注意事項及抗晃電措施[J].電世界2017年第12期，52.

[7] 康曉東，晃電的影響及抗晃電技術研究[J].電子測試2019（3）：43.

[8]盧曉東，王佳，楊瑩雪.基于UPS的低壓電動機防晃電系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器，2008（8）：110-111.

[9]李慶賀.“晃電”停機再起動的解決方案[J].工業(yè)，2017（3）：234.