動力設(shè)備抗晃電能力提升研究
2020-09-06 13:24:22沈康
中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2020年12期
沈康
摘? 要：在工廠動力設(shè)備正常運作過程中，晃電常會引起工廠設(shè)備報警及宕機，且造成一系列的連鎖反應(yīng)，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(yù)測，為了保障有序生產(chǎn)，推進動力設(shè)備抗晃電能力治理工作成為工廠著力的重點。
關(guān)鍵詞：電壓暫降;動力設(shè)備;抗晃電;變頻技術(shù)
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(shù)轉(zhuǎn)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(shù)組合的“敏感性”設(shè)備設(shè)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(shè)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(cè)原因：主要為工廠外部電力設(shè)備設(shè)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(luò)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(cè)原因：主要為工廠內(nèi)部設(shè)施設(shè)備引起的晃電（如內(nèi)部設(shè)備短路、大型感應(yīng)電機的啟動、沖擊性負載的投運等）。對此產(chǎn)生影響的設(shè)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(yù)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(shè)備的影響有限，但是電壓暫降到一定程度，動力設(shè)備停機將會造成連續(xù)性生產(chǎn)中斷，設(shè)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(quán)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(cè)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(shè)備運行影響
對于動力設(shè)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(fù)正常，但是可能會觸發(fā)保護性報警而停機，設(shè)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(fù)機恢復(fù)至少需60 min以上（在沒有設(shè)備設(shè)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(jié)果（表1），可見變頻器等應(yīng)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(yù)見性增大了控制的難度[4]。
2 供電系統(tǒng)與變頻技術(shù)背景
2.1 供電系統(tǒng)現(xiàn)狀
評估供電系統(tǒng)設(shè)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(cè)的8段母線之間安裝4套固體靜態(tài)切換開關(guān)（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(shè)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(shù)應(yīng)用
隨著電力電子器件不斷地更新迭代以及微電子技術(shù)的飛速發(fā)展， 高性能交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用的比例逐年上升， 變頻器使復(fù)雜的調(diào)速控制簡單化，小型化，使傳動技術(shù)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(shè)備為了滿足精準的生產(chǎn)需求，響應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)備已經(jīng)老化，運行性能急劇下將，自身的“健康”程度亟待關(guān)注。同時由于系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)的局限性，變頻類設(shè)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(yīng)用分析
結(jié)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(shè)想以此策劃提升動力設(shè)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(yīng)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(shè)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（t0
以工廠動力設(shè)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(shè)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(guān)鍵運行指令合理設(shè)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(yīng)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(shè)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(shù)[7]。該方案主要是針對功率大且集中型設(shè)備設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)UPS電源后可以充分利用其功能特點，預(yù)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(shè)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(shè)置自動再起動功能
根據(jù)工藝流程性質(zhì)，結(jié)合變頻器參數(shù)以及控制系統(tǒng)狀況，采取相應(yīng)的措施來預(yù)防晃電對其的危害，保證變頻器安全穩(wěn)定的工作。設(shè)置變頻器自動再起動功能有效預(yù)防欠電壓對變頻器的影響。其設(shè)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(fù)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(shè)備的加速時間
核對設(shè)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(shè)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(shè)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(shù)控制器，注意降低系統(tǒng)響應(yīng)，減P設(shè)80加I設(shè)20，延長濾波時間。
4 應(yīng)用效果評價
在供電系統(tǒng)定期預(yù)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(shè)備能力提升專項，具體涉及增設(shè)小型UPS，變頻器升級迭代/參數(shù)優(yōu)化， 雙開關(guān)電源， 并入大型UPS系統(tǒng)等有效措施。
各系統(tǒng)變頻技術(shù)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(cè)設(shè)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(shù)改裝后，動力設(shè)備抗晃電能力達到預(yù)期，2018年～2019年期間影響占比下降至6%，有效保障了動力設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。
5 結(jié)語
總之，由于動力設(shè)備技術(shù)領(lǐng)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(shè)備的運行穩(wěn)定性要求必然越來越高，粗放型的設(shè)備運維管理必然不能適應(yīng)變化的要求及現(xiàn)場工作環(huán)境[9]，所以動力技術(shù)人員需要隨之變革，潛心學習提升，進一步提升動力設(shè)備的能力。
參考文獻
[1]吳宏偉.UPS抗晃電技術(shù)及其應(yīng)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(yīng)用探討，科技資訊2017（1）：32.
[4] 邱愛中，姬俊丹，朱青.抗晃電技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].科學技術(shù)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(yīng)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(shù)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(shù)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.
