动力设备抗晃电能力提升研究

沈康

摘  要：在工厂动力设备正常运作过程中，晃电常会引起工厂设备报警及宕机，且造成一系列的连锁反应，造成较大的经济损失。但是晃电的出现具备较强的随机性，无法准确预测，为了保障有序生产，推进动力设备抗晃电能力治理工作成为工厂着力的重点。

关键词：电压暂降;动力设备;抗晃电;变频技术

中图分类号：TM762          文献标志码：A

0 引言

随着国家“智能制造”的整体策略不断推行以及国内制造业的蓬勃发展，工业自动化程度正在不断提升，“无人工厂”等系列先进制造业的代名词时常会被提起，而有“呼之欲出”的趋势。众所周知，工业自动化少不了那些自动化产品，而先进电力电子技术转换的各类自动化产品也为工厂运营发展提供了重要的作用。从运维角度分析，电力电子技术组合的“敏感性”设备设施的抗晃电能力需要进一步提升，如何抵御晃电产生的危害就成了需要持续研究的课题。

数据显示，作为国内第一条5代液晶面板的生产基地，工厂筹建于2003年，工厂内配备着大量“高精尖，高敏感，高价值”的生产及辅助设备。据内部统计，2011年～2017年期间，电压暂降型晃电直接影响生产运营68次，直接造成经济损失约860余万，导致间接影响交付纳期、内部氛围、作业安全等诸多问题。

1 晃电的成因与危害

1.1 晃电成因

工厂晃电主要指电力系统中某点工频电压有效值持续10 ms～1 min降低至额定电压的10%～90%时的电压暂降（如图1所示），且可以分为2种原因。

供给侧原因：主要为工厂外部电力设备设施引起的晃电（如雷击、极端气候、动物、人为非正常操作、输配电系统故障等）。从“大电网”的概念来说，电力公司多年一直在做系统性升级改善，成效明显，但是整个供电网络难免遭受各类外部干扰波及影响，所以这方面是存在不可控的窘境。

需求侧原因：主要为工厂内部设施设备引起的晃电（如内部设备短路、大型感应电机的启动、冲击性负载的投运等）。对此产生影响的设备则是需要治理，特别是对于老企业来说此类问题更需要预防性治理。

1.2 晃电危害

晃电涉及电压暂降和暂升，电压暂升对于动力设备的影响有限，但是电压暂降到一定程度，动力设备停机将会造成连续性生产中断，设备损坏，产生大量的次品废品，给工厂带来很大的经济损失[1]。而根据EPRI（美国电科院）权威数据，日常发生的电压暂降、暂升占到电能质量事件92%。据统计电力系统中用户侧发生电压暂降时间的次数远大于停电次数，至少是6倍以上[2]，所以电压暂降型晃电产生的危害性相对较大，值得针对性治理。

1.2.1 设备运行影响

对于动力设备来说，虽然晃电持续时间一般在毫秒内，晃电消失后恢复正常，但是可能会触发保护性报警而停机，设备运作节拍打乱而中断，甚至二次能源供给波动将导致大规模停机，复机恢复至少需60 min以上（在没有设备设施损坏的条件下）。对于液晶面板制造工厂，无论是生产计划完成，还是经营目标达成都存在严重的影响。模拟验证结果（表1），可见变频器等应对晃电能力较差[3]。

1.2.2 传导特性影响

当电网系统内的某线路出现故障时，会导致相连的多条线发生电压暂降现象。也就是说，当系统任意一点出现故障时，从故障点起，电压暂降会向多条线“传播”。通常来说，距离故障点越近，暂降幅度越低，距离故障点越远，暂降幅度越高，所以必然导致影响面扩大，且不可预见性增大了控制的难度[4]。

2 供电系统与变频技术背景

2.1 供电系统现状

评估供电系统设计为4条35 kV供电线路，每路35 kV/6 kV分别供2段母线，在6 kV側的8段母线之间安装4套固体静态切换开关（SSTS1#-4#），实现供电线路<20ms的快速切换，生产工艺负载接入在各SSTS及UPS保护下，而常规动力设备由8条母线直接供给，晃电时无直接保护功能，如图2所示。

2.2 变频技术应用

随着电力电子器件不断地更新迭代以及微电子技术的飞速发展， 高性能交流调速系统应用的比例逐年上升， 变频器使复杂的调速控制简单化，小型化，使传动技术发展到新阶段。

液晶面板产业作为一个高能耗，高排放，高投入的行业，投资不菲的动力设备为了满足精准的生产需求，响应节能降耗的号召，生产过程中涉及的工艺除害、排气、冷热源供给、水处理应用、空气压缩以及生产真空供给等各个环节中大量应用变频器，在稳定运行、节能降耗方面充分体现了其优势。

但是随着投运近16年，不间断运行部分设备已经老化，运行性能急剧下将，自身的“健康”程度亟待关注。同时由于系统设计架构的局限性，变频类设备存在软肋，如动力/控制电源不在SSTS及UPS的保护范围内，发生晃电时，变频器易受电网电压波动的影响而跳闸停机[5]，影响正常生产作业。

3 抗晃电措施应用分析

结合历史晃电记录分析（参考semiF47标准），14～18年历史数据显示，80%晃电的电压跌<30%，持续时间<100 ms，设想以此策划提升动力设备的抗晃电能力。

虽然各系统的变频器型号不一，但是工作机理一致，组织研究一款普及应用型号，推动横向执行改善。以下研究以三菱400V_FR_F700系列为例，针对变频调速的工作参数、运行条件、参数设定进行研究，寻求提升抗晃电能力的优化方法。

3.1 变频调速运行条件分析

变频装置具有IGBT等功率性的元器件，通常有一定的过载能力，当低电压幅度较小，持续时间较短时（t0t），变频器的开关电源无法起振，控制电源的输出停止或输出功率下降，才会造成变频器控制系统发生紊乱，功率器件不能关断，给变频器造成运行问题。随即变频器保护动作，使电动机停止运行[6]。

以工厂动力设备冷却水三菱变频器为例，额定输入交流电压：3相380 V～480 V，允许波动范围323 V～528 V，在额定运行状态，调速器允许15%以内暂降是不受影响可持续输出运行。

3.2 变频调速器设定参数分析

查阅手册及文献发现变频器运行指令具备“特殊”功能，在晃电发生时（暂降≤15%），只要关键运行指令合理设定参数，就可实现电机停止后电机再启动（瞬间停电再启动）系列参数（例如：Pr.57， Pr.58， Pr.162～165，Pr.299， Pr.611等），是存在优化调整的可行性。

3.3 抗晃电应用

3.3.1 保护-整机保护

对系统功能、影响范围进行梳理，着手推进一批以“生产真空”变频调速先行设备的整机保护，变频柜主回路、控制回路由德广3E486母排进线改造成600 kVA大型UPS系统进线。

UPS 抗晃电系统是解决晃电比较好的一种技术[7]。该方案主要是针对功率大且集中型设备设施，施工工艺也比较方便，当然也要衡量UPS剩余容量及其他负载重要程度可推广。保证在系统发生晃电时，动力设备能够依靠UPS提供的可靠电源正常工作[8]。

3.3.2 控制盘柜控制电源保护

评估动力设备运行信号都来自于远程控制或者柜内控制赋予（逻辑判断控制器、过程控制器等一系列等中间部品），中间部品容量较小且分散，所以设计常规1 kVA～3 kVA小型UPS即可达成保护。

以水处理系统为例，针对日系电压等级为100 V，国内常规小型UPS无法直接接入。设计采用2个变压器，先将输入AC100V通过升压变压器升压至AC220V，供UPS运行，UPS输出电压AC220V还需通过一个降压变压器降压至AC100V，最后为设备控制回路供电。

通过上述方法解决了日系电压问题，实现了当正常供电暂降时，将蓄电池输出的直流变换成交流持续供电，装设UPS电源后可以充分利用其功能特点，预防因欠压而跳停的缺点，维持正常工作并保护软、硬件不受损坏，保证控制设备的平稳运行。

3.3.3 变频调速器参数优化

针对晃电时造成冷却水、冷冻机变频器异常的问题，经过查询资料，咨询变频器厂家通过现场确认后，具体参数调整如下所述。

3.3.3.1 设置自动再起动功能

根据工艺流程性质，结合变频器参数以及控制系统状况，采取相应的措施来预防晃电对其的危害，保证变频器安全稳定的工作。设置变频器自动再起动功能有效预防欠电压对变频器的影响。其设计就是变频器在失电后，滤波电容器放电，逆变器控制电源失电时能够自动复位。

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 调低低电压保护值，延长控制设备的加速时间

核对设定，原供电电源降到其额定值的90%左右时，变频器即可发生跳停，根据其说明书适当调低变频器低电压保护值80%，同时针对变频器控制的电气设备加速时间短，加速度高，电源电压会被很快拉低，导致变频器欠电压而跳停，因此可根据生产工艺需求，适当延长变频器所控制设备的加速时间，降低电网出现降压对变频器的影响，如果使用了PID技术控制器，注意降低系统响应，减P设80加I设20，延长滤波时间。

4 应用效果评价

在供电系统定期预防性检测保障，加上在红外点检/示温可视化保证的条件下，年内完成了排气、水处理、生产真空等动力设备能力提升专项，具体涉及增设小型UPS，变频器升级迭代/参数优化， 双开关电源， 并入大型UPS系统等有效措施。

各系统变频技术优化后，抗晃电能力显著得到提升，有效减少了晃电造成整体系统或者需求侧设备报警宕机，下阶段准备横向推广至其他系统。

通过运行模式调整和技术改装后，动力设备抗晃电能力达到预期，2018年～2019年期间影响占比下降至6%，有效保障了动力设备的安全稳定运行。

5 结语

总之，由于动力设备技术领域具有专业宽，范围广等特征，随着智能制造目标的推动，工厂对于动力设备的运行稳定性要求必然越来越高，粗放型的设备运维管理必然不能适应变化的要求及现场工作环境[9]，所以动力技术人员需要随之变革，潜心学习提升，进一步提升动力设备的能力。

参考文献

[1]吴宏伟.UPS抗晃电技术及其应用[J].甘肃科技纵横，2008（2）：41.

[2]陶顺，肖湘宁，刘晓娟.电压暂降对于配电系统可靠性影响及其评估指标的研究[J].中国电机工程学报，2005，25（21）：63.

[3]秦梦阳.DC-BANK系统对变频器抗晃电的应用探讨，科技资讯2017（1）：32.

[4] 邱爱中，姬俊丹，朱青.抗晃电技术现状和发展趋势[J].科学技术创新，2019（35），23.

[5]谌云临，邓云晖.低压变频器抗晃电方案的应用与探讨[J].电器工业，2020（2）：95.

[6]张星海.变频器操作注意事项及抗晃电措施[J].电世界2017年第12期，52.

[7] 康晓东，晃电的影响及抗晃电技术研究[J].电子测试2019（3）：43.

[8]卢晓东，王佳，杨莹雪.基于UPS的低压电动机防晃电系统[J].仪表技术与传感器，2008（8）：110-111.

[9]李庆贺.“晃电”停机再起動的解决方案[J].工业，2017（3）：234.