電壓暫降對整車制造廠連續生產的影響及治理

王榮華

摘要：以汽車制造為代表的現代先進制造業工廠自動化程度和生產連續性越來越高，這有效的提高了生產效率，但各種復雜精密的生產自動控制系統對供電可靠性和電能質量的要求越來越高，電壓暫降已嚴重影響自動化設備設施的正常運行，因此對電壓暫降的原因進行分析并治理已十分迫切。

關鍵詞：電壓暫降;敏感負載;電能質量

隨著科學技術的發展，以汽車制造為代表的現代先進制造業工廠自動化程度和生產連續性越來越高，這有效的提高了生產效率，降低了生產成本。一方面，采用新工藝新技術的自動化裝備廣泛采用可編程控制器（PLC）、伺服驅動、變頻器、機器人、通訊設備等控制裝置，有效的保障了生產的連續性;另一方面，各種復雜精密的生產自動控制系統對供電可靠性的要求越來越高。而電壓暫降導致自動化設備系統頻繁出現故障，嚴重影響生產的連續性，并造成生產停線及產品損失。因此，對電壓暫降等短時間電能質量擾動進行有效地監測和分析，并根據實際情況采取一定的治理措施不僅必要而且十分迫切。

1.電壓暫降對整車制造廠敏感設備的影響。

現代化的汽車制造工廠有沖壓、焊裝、涂裝、總裝四大核心工藝，沖壓車間有大型液壓機、機械手、PLC、傳感器、通訊總線等;焊裝車間有焊接機器人、伺服控制器、傳感器、通訊總線等;涂裝車間有噴漆機器人、直流電源、自動輸送系統、烘干系統;總裝車間有機運生產線、變頻器、MES生產系統等。汽車制造四大工藝大量使用機器人對金屬部件進行切割、焊接、噴涂、裝配，而自動化裝備廣泛采用以可編程控制器（PLC）、伺服驅動、變頻器、機器人、通訊設備等控制裝置為主的生產系統，而以上電氣控制裝置均為敏感設備，對電源質量要求極高，如可編程控制器，當電壓低于81%時，PLC停止工作;I/O設備，當電壓低于90%、持續時間僅幾十毫秒，就會被切除;機器人，由機器人控制對金屬部件進行鉆、切割等精密加工的機械工具，為保證產品質量和安全，工作電壓檻值一般設為90%，當電壓低于此值、持續時間超過40-60ms時，被跳閘;直流電機，當電壓低于80%時，直流電機被跳閘;變頻器，當電壓低于70%且持續時間超過120ms時，ASD被切除。電動機接觸器，當電壓低于50%、持續時間超過20ms，接觸器就會脫扣。因此整車制造廠在生產制造過程中如發生電壓暫降可直接造成生產線停線，部分設備損壞或產品報廢，嚴重影響生產的連續性。

2.電壓暫降產生的原因

2.1電壓暫降（又稱電壓驟降、電壓凹陷或電壓跌落），按照國際電氣與電子工程師協會IEEE的定義，是指工頻條件下電壓均方根值減小到0.1-0.9倍額定電壓之間。

2.2?電壓暫降一般是由電網、變電設施的故障或負荷突然出現大的變化所引起的。在某些情況下會出現兩次或更多次連續的跌落或中斷。常見的原因有：一是自然原因;二是短路故障;三是開關操作;四是變壓器和電容器投切;五是感應電機（大功率）啟動。

2.2.1自然原因。外部惡劣氣候條件如大風、雷電等導致電網側電壓出現暫降的，但是很多調查都表明，雷電是主要的原因，雷擊時造成的絕緣子閃絡或對地放電會使保護裝置動作，從而導致供電電壓暫降。這種暫降影響范圍大，持續時間一般超過l00ms。

2.2.2短路故障。當供電線路的某個局部出現短路故障時，導致電流急劇增大，電壓驟然降低，但是故障電路中的保護裝置會馬上開始動作，將故障點隔離，于是電壓又恢復正常，這就形成了短暫的電壓驟降。

2.2.3開關操作。供配電系統裝設自動重合閘裝置和自動切換裝置是為了保證對用戶不中斷供電采取的常規措施，但自動重合閘實際斷電時間一般達幾周波至幾秒，自動切換裝置則通常需要0.5秒至幾秒，目前從監測出故障到隔離故障最快也需要0.06-0.12秒。因此，排除瞬時故障的快速重合閘裝置動作使相鄰線路遭

受電壓暫降是不可避免的，重合閘動作不成功時，電壓暫降將增加。而架空的輸配電線路暴露在外，造成的瞬時故障要比永久性故障要多，所引起的電壓暫降的機會也比供電中斷要多，且輸電線路故障引起的電壓暫降要比配電線路故障引起的電壓暫降嚴重。

2.2.4變壓器和電容器投切。如變電站某條出線若發生短路故障，保護裝置動作將其隔離，與此變電站相連的其他線路將經受一次電壓暫降，這種電壓暫降占到總數的70%以上。據統計，單相、兩相短路、兩相短路接地和三相短路故障占全部故障的比例分別約為70%、15%、10%和5%

2.2.5大功率設備啟動。大功率負荷突然啟動時會導致電網電壓驟降，如大功率中壓制冷機組、中壓空壓機組連續啟動時，會導致局部電網電壓下降2%-5%。

另外，調查表明，在眾多電壓暫降原因中主原因要是由于輸配供電線路的短路故障造成的，而由諧波、閃變、開關操作過電壓等引起的電能質量問題相對較少。在我國，隨著社會經濟的發展，電壓暫降和短時斷電的問題也逐漸引起供電公司、用戶及制造廠商的關注。特別是在一些高科技園區、大型醫院、軍工單位、汽車制造園等。

3.電壓暫降緩解與應對策略

3.1電壓暫降的緩解

3.1.1改變供電方式。汽車整車廠的配電線路規劃時優先考慮上級變電所的供電方式，即與供電公司協調要求使用專變直供，防止其它負荷對整車廠用電負荷的影響。

3.1.2提高電壓等級。電壓等級越高，外界環境因素及其它負荷影響越小，電壓暫降出現次數越少，因此提高整車廠高壓進線電壓等級，可以有效減少電壓暫降發生次數。

3.1.3調整線路所帶負荷。將供電線路中敏感負荷共用一個變壓器，將其它大功率負荷及啟動電流較大對電網形成一定影響的負荷分配到公用變壓器上，減少其它負荷對敏感負荷的影響。

3.1.4提高抗干擾能力。電子設備、計算機、控制設備等單相、低功率設備內部的直流母線裝設更多的電容，將有效延長設備所能承受的電壓暫降時間，提高設備對電壓質量問題的抵御能力、采用寬范圍DC/DC變換器、對所有接觸器、繼電器、傳感器等器件的抵御能力進行檢查分析、規范設備的電壓暫降耐受力標準。

3.2電壓暫降的治理策略

3.2.1 能量貯存技術

3.2.1.1電池后備系統。電池后備系統的操作運行與電容器儲能類似，但是它的能量密度要比標準電容器高。可以應對深度暫降和停電，獲取電池供電以及切換幾乎是瞬時完成，缺點是需要額外的硬件和空間，電池壽命相對較短，為保持良好工作的性能需要更多的維護，運行成本相對較高。

3.2.1.2超級電容器。超級電容器可以應對深度暫降和停電，壽命長、充電速度快，容易監視充電狀態且維護工作量小。其缺點是一次性投入較高。

3.2.1.3燃料電池。燃料電池通過消耗高熱量燃料提供持續的電力供應，如天然氣分布式能源系統。其優點是可靠、效率高，維護工作量小。缺點是不能快速響應負載變化，硬件投資費用較高等。

3.3.1.4飛輪儲能。常常和電動機（M）-發電機（G）組配合使用。其優點是可以應對深度暫降和停電，減小了M-G組的體積和重量。缺點是需要額外的硬件和空間，轉動部分需要維護等。

3.2.2基于逆變器的解決方案

3.2.2.1不間斷電源（UPS）。UPS通常由整流器、逆變器及能量貯存系統組成，儲能裝置通常為電池。正常情況下，關鍵負載由市電經AC/DC和DC/AC變換后供電，電池作為備用只是用來保持逆變器直流側電壓恒定。在電壓暫降或短時斷電情況下，電池放電維持逆變器的直流側電壓。根據電池容量的不同，UPS通常可維持對負載供電幾十分鐘甚至數小時。

3.2.2.2統一電能質量調節器（UPQC）。對于穩態的電能質量，包括電壓暫降和諧波可以有特殊控制的DSTATCOM或SVC與有源濾波（APF）相結合加以消除，由于系統存在低頻的閃變（10Hz左右）在SVC的控制中加入抑制低頻的功能，對更低的系統功率振蕩有抑制作用，因此結合DVR、DSTSTCOM、APF、儲能部件和無源濾波等構成一個完整的質量控制系統稱之為統一電能質量調節器。

3.2.3 基于固態開關的解決方案

3.2.3.1固態斷路器（SSB）。固態斷路器一般由GTO或晶閘管與GTO并聯組成，可用于負載或故障電流阻斷、故障電流限制、聯絡斷路器及固態切換開關。在正常情況下，電流流經GTO支路，一旦電流超過某一設定值，GTO被關斷，晶閘管被觸發導通，而在撤掉觸發脈沖后的第一個電流過零點自然關斷。當然，在實際應用中還要考慮SSB與重合閘及保護系統的配合問題。

3.2.3.1故障電流限制器（FCL）。故障電流限制器用來限制饋線電流以便保護裝置可以清除故障。出現故障后電流可由一條支路（由GTO閥組成）轉移到包含限流電抗器的另一條支路（由晶閘管閥組成）。

4、結論

電壓暫降已嚴重影響以汽車制造為代表的現代先進制造業工廠的正常連續生產，如何低成本、最大程度地改善或者解決電壓暫降問題，應從電力系統輸配電規劃設計、工廠敏感負荷合理規劃、電壓暫降監測分析、補償設備的使用等四個方面對電壓暫降的存在的影響和危害進行綜合抑制。同時應避免衍生出新的電能質量問題，影響配電網和用電設備安全可靠運行。

參考文獻

[1] 肖湘寧，電能質量分析與控制. 北京：中國電力出版社，2010.

[2] 翁國慶，現代電能質量監測、分析與控制技術. 北京：機械出版社，2016.

[3] 肖湘寧、陶順、徐永海，電網中電壓暫降和短時間中斷. 北京：中國電力出版社，2015.

[4] 程浩忠、周荔丹、王豐華，電能質量（第2版）. 北京：清華大學出版社，2017.