汽車工廠焊接車間供配電方案研究

凌 華

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

隨著我國汽車制造企業的迅速發展，汽車整車工廠的規模越來越大，制造工藝也越來越先進，四大工藝對供配電系統的供電質量、供電可靠性、系統運行經濟性提出了更高的要求。四大工藝中尤其以焊接工藝對配電要求特別高，供電質量差不僅會影響整車焊接質量，而且焊接車間的負荷特殊性又會對電網造成較大沖擊，影響其他設備正常運行。此外，如焊接車間的供配電系統設計不合理，將會造成企業投資增加、擴建困難、運行成本增加等。作為汽車企業的一名電氣工程師，筆者曾經全程經歷幾個產能30萬輛／年的汽車生產基地建設項目以及多條40JPH焊接線建設工程的設計、施工、調試、達產全過程，積累了一些經驗，下面就汽車工廠焊接車間供配電系統方案的規劃設計及設計中應注意的問題談一下個人的體會。

1 焊接車間供電系統總容量規劃

焊接作為汽車整車工廠生產的四大工藝之一，不同于其他三大工藝，剛性強，多品種車型的通用性差，產品每一次更新換代，都需要更新車間內大量的專用設備和生產工藝，對于市場需求旺盛的產品，通常又會對該產品焊接線進行產能提升改造，增加焊機設備的安裝容量。這樣就可能會出現用電設備總安裝容量大幅增加，導致供配電系統容量無法滿足工藝用電要求。而一般供配電系統生命周期約為20年，甚至更長，如工程投入使用后不久就因用電設備的大量增加而需要擴容改造，將導致無謂的重復投資。但如果過度考慮用電設備的擴張，又可能造成工程投運后供配電系統負荷率長期過低的現象，其實亦是一種資源的浪費。因此，在焊接車間供配電系統規劃建設時，應與工藝規劃充分溝通，了解焊接車間的總體規模、運行模式及最大產能，供配電系統容量既要保證當時焊接生產線的用電需求，又要為將來的新產品焊接線和產能提升作適當預留，但又不至于超容量設計導致企業投資增加。

例如某汽車工廠焊接車間建設規模為4條焊接主線（包括前車體、下車體、總拼、左側圍、右側圍），4條門蓋線，2條調整線，每條焊接線生產節拍均為40JPH。因受調整線的產能牽制，該焊接車間的最大生產節拍也僅能達到80JPH，最大運行模式為任意2條焊接主線和任意2條門蓋線同時生產，因此，對于供配電系統的容量設計通常只需考慮2條焊接主線和2條門蓋線工藝設備的用電量，并適當預留備用容量。

2 焊接車間的負荷組成及特性

焊接車間的工藝設備負荷80%以上是焊機，主要包括懸掛式點焊機、凸焊機、CO2保護焊機、螺桿焊機、機器人焊機等，其中90%為懸掛式點焊機，這類點焊機容量通常為150kVA、180kVA，單機容量大，且數量多，一般一條40JPH車身線配置200臺左右，電壓是單相380V，功率因數0．6，為電抗器感性負荷，工作時間50～200ms，是典型的非線性沖擊性負荷，會產生大量的諧波及無功功率。

焊接車間其他負荷由包邊機、輸送設備及其控制系統，三坐標、打碼機、涂膠機、機器人控制系統等工藝設備及空調、風扇、照明等公用設備組成，這些設備極易受到電網質量的影響，而由于點焊機焊接時產生較大的電壓波動和閃變，會對以上設備產生較大影響，小則停機、停線、影響設備壽命，大則誤動作造成事故。

3 焊接車間的負荷計算

3．1 點焊機暫載率（負荷持續率）的取值

焊接車間的負荷主要是焊機，故主要進行焊機的負荷計算。焊接車間在進行負荷計算（變電所及干線）時，點焊機暫載率的取值是個焦點問題。根據焊接工藝，一般的薄板焊接約5～10個周波（0．1～0．2s），厚的板材約10～15個周波（0．2～0．3s），2次通電間隔約為2s，相當于暫載率在8%～15%之間。而點焊機的額定暫載率標稱為50%，兩者相差甚遠，如果以額定暫載率進行負荷計算，得出的結果與實際負荷必然出現極大的偏差，導致變壓器選擇過大。因此計算時可根據各工程情況，暫載率取值在10%～15%之間。

3．2 焊機類負荷需要系數的確定

在進行負荷計算時，對于焊機類設備需要系數的選擇，目前主要依據《工業與民用配電設計手冊》，點焊機需要系數Kx取0．35。但是對于汽車工廠的焊接車間，不能盲目應用該數據，還需要對生產工藝進行了解和分析。我們知道，焊接線的負荷大小就在于多少臺焊機同時工作，其尖峰負荷也就是最大焊機工作數時的工作負荷。由于受到人員工作的熟練程度、前后工序的復雜程度、工件在工位之間的輸送方式等因素的影響，同時投入工作的焊機數量是不確定的。根據工程實際運行經驗，采用傳統輸送方式即工位間人工電動葫蘆輸送，焊機投入運行的數量在時間上分布相對均勻；而采用自行小車統一輸送的方式，由于開始焊接的時間較為一致，焊接時間比較集中，焊機同時使用系數比較高，往往導致焊接的沖擊電流很大，就會造成焊接線負荷偏離平均值過大。因此，應根據輸送方式的不同，考慮一定的負荷修正系數，得出焊接線的計算負荷，避免出現過負荷現象。

3．3 柔性焊接生產線的負荷計算

對于多產品混線的柔性焊接生產線的負荷計算，不能單純根據工藝提供的平面布置圖及設備清單進行。應與工藝溝通清楚，哪些為共用拼臺焊機，哪些為單一產品的專用拼臺焊機，因為專用拼臺焊機只有生產某一產品時才投入使用。表1為某柔性焊接線焊機設備清單。

表1 柔性焊接線焊機設備清單

可見，該柔性焊接線的總焊機數量共282臺，但實際上投入運行的焊機最大數量為生產產品2時共183臺，如果按282臺焊機全部投入使用進行負荷計算，將會造成配電系統容量過大，而實際的生產負荷遠小于計算負荷。這樣不僅會帶來巨大的投資浪費，而且加大了配電系統的損耗，增加了運行成本。

4 變電所設計

4．1 合理設置變電所

根據負荷計算結果選擇變壓器的容量與數量，為了便于控制，通常結合工藝規劃的分區設置變電所。變電所均采用組合式變電所，以節省空間，變壓器采用干式變壓器，并設置變電所鋼結構平臺。

對于較易受到電網質量影響的設備，如焊接機器人控制電源、輸送設備的PLC控制柜、三坐標設備、照明及公用設備，可考慮設置一臺專用變壓器，以避免焊機引起的電壓波動和諧波干擾。

4．2 變電所的選址

變電所選址是供配電設計是否合理的關鍵，如果低壓母線或電纜供電半徑過長，會導致線損嚴重，電壓降過大，影響供電質量。為了減少低壓線路的損耗及投資，應盡可能使變電所設置于負荷中心。焊接車間各工藝生產區域的連接是非常緊密的，因此在變電所選址時，應結合焊接車間的生產線建設及管理實際，與生產線相配合。變電所一般選擇在擺放物料相對較少且工藝鋼結構標高較低的生產線區域，如前車體或側圍線區域上方，這樣既節省空間，又能達到節省投資和節能的目的。

4．3 無功補償投切

為了提高低壓配電系統的功率因數，降低線損，增加變壓器的負載能力，通常在配電變壓器低壓側采用低壓并聯電容器裝置進行無功集中補償。

焊裝車間的大部分負荷由點焊機組成，為單相380V負荷，具有變化快、沖擊強、不對稱、諧波大的特點。傳統補償采用三相對稱靜態補償的方式（圖1），即三相同時投切，同時補償，而焊機負荷需要補償的無功功率不同，這樣勢必造成某一相補償量不足或某一相過補償。此外，傳統的補償采用接觸器投切補償電容器，動作速度慢，而點焊機一般工作周期在50～200ms，當補償控制器檢測出要投切的電容器數量時，接觸器還未來得及動作點焊機已結束工作，從而造成補償裝置投切不準確，達不到正常的補償效果，影響產品的焊接質量。因此，焊接負荷的無功補償必須采用分相動態補償方式（圖2）。分相動態補償裝置采用三相獨立控制技術，可根據負荷無功功率變化進行分相檢測、分相補償、自動投切，動態響應時間≤20ms。可采用自動循環投切方式，全工況下功率因數不低于0．95。適用于各種不對稱沖擊性負荷，尤其適合焊接負荷的快速補償。

圖1 靜態補償一次系統圖

圖2 分相動態補償一次系統圖

5 焊接車間的配電設計

5．1 母線布置

焊接車間配電方案一般采用干線式，干線采用插接母線，母線設置在負荷中心，一般可沿生產線工藝鋼結構的邊梁敷設，這樣既可以縮短設備配電的出線，避免電壓降過大影響焊接質量，又可以節省投資。對采用工藝吊架不合理的地方，可跨柱或沿梁敷設，但應注意與結構協商預留吊點。另外，母線布置應避開輸送平臺，并與壓縮空氣管道、動力管道統一匯總，避免相互干涉。

需要注意的是，容易受到電網質量影響的設備，如焊接機器人、控制電源等，不能由焊接母線直接供電，焊接機器人所配的焊機可接至焊接母線。

5．2 點焊機配電

點焊機為單相380V，應均勻分配到三相上，即接到AC、BC、CA相上，使各相的負荷盡量接近，達到三相平衡。

因點焊機為斷續工作制，點焊機的額定容量不能直接用于保護電器和導線的選擇，必須將其轉換為負載持續率ε＝100%時的有功功率，再進行相關計算。選擇配電導線和電纜時，既要考慮導體載流量與保護電器的配合，也要考慮電焊設備斷續工作制這一因素。因此，導線選擇時既要滿足導體允許持續載流量大于低壓斷路器的額定電流，又要滿足導體允許斷續載流量不小于用電設備在額定負載持續率下的額定電流。

5．3 輸送線設備配電

焊接車間輸送系統的主要設備包括自行小車、積放鏈、滑撬、自動吊具等，焊接車間輸送系統大部分負荷由許多小電機組成，一般按工藝分區控制。常出現的問題是工藝所提用電需求為每個分區的總容量，即把所有電機容量簡單相加，通常還乘以一個1．2～1．4的（預留）系數，而實際上輸送系統的很多電機是不同時使用的，導致實際運行電流比設計容量小很多。根據工程項目的實際運行數據，某焊接線工藝所提出的自行小車PLC輸送控制柜的容量為250A，但實際運行最大電流不超過50A，平均電流則更小，出現“大馬拉小車”的現象，顯然，這種負荷計算方式是不合理的。因此，輸送系統的配電設計應根據各工程情況考慮輸送設備的同時系數。

6 照明設計

6．1 燈具選型

焊接車間廠房屬于高大工業廠房，無特殊要求時，應優先選用金屬鹵化物燈為代表的高強度放電燈，因為金屬鹵化物燈具有光效高、顯色性好、壽命長等特點，適用于大面積場所照明。焊接車間廠房一般為10～12m的單層廠房，常采用250W、400W2種光源。焊接生產線對照明的要求比較高，一般照度為300～500lx，而生產線工藝鋼結構一般在5m高左右，考慮到踏臺高度，一般凈空為3～4m。因此，工位照明可采用高效節能型熒光燈，如T5、T8型熒光燈。生產時焊接線工藝鋼結構有振動，曾發生過燈管掉落事故，故應考慮選用帶防護罩的燈具。

6．2 燈具布置

焊接車間生產線布置較緊湊，因此廠房布燈時宜采用廠房一般照明與通道照明、生產線照明相結合的混合照明方式，廠房的一般照明按通道布置。

6．3 照明控制

為了便于車間管理及節能，應按工段或生產線工藝流程進行照明分區控制，在每條焊接線區域設置一臺照明總配電箱，前車體、下車體、總拼、左側圍、右側圍分別設置1～2臺照明控制箱，每個開關控制一個工位的照明燈，控制箱要設置在便于工作人員操作的通道上。

7 結語

以上內容均為個人參與多個焊接車間建設項目后對焊接車間供配電系統方案設計的一些經驗總結，希望能為同行提供借鑒。

［1］中國航空工業規劃設計研究院．工業與民用配電設計手冊．第3版．北京：中國電力出版社，2005