晃電是指供電系統在正常運行中因雷擊、對地短路、發電廠故障及其他原因造成電網電壓短時大幅度波動,甚至短時斷電的現象。晃電的發生形式有3種:① 電壓短時越限或跌落,即電網電壓短時間內驟升至額定電壓的 百分之110～180 或驟降至額定電壓的 百分之10～90,持續時間為 0.5個周波到數秒;② 電壓閃變,即短時間內電壓波形以某種固定方式變化或者隨機變化;③ 短時電壓中斷,即由于備用電源自動投入或者重合閘引起的0.5周波到 3 s 的供電中斷。美國EPRI-DPQ晃電調查統計表明,電壓暫降是主要的晃電問題。
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1 電壓暫降對半導體企業的影響
GB/T 30137—2013《電能質量 電壓暫降與短時中斷》中定義電壓暫降是指電力系統中某點工頻電壓方均根值暫時降低系統標稱電壓的百分之10～90,并在短暫持續10 ms～1 min后恢復到正常范圍的現象。電壓暫降示意圖如圖1所示。
某半導體產業基地生產的產品種類繁多,加工步驟繁多。如果發生電壓暫降,設備將停止工作,生產的產品質量下降,會引起整個產品線停止運轉,造成芯片、主板被損壞。該企業平均每年因為電壓跌落造成的生產線停產,且每次停產將造成幾十萬元的經濟損失。其中主要受影響的設備有變頻器、空壓機(4臺,250 kW)、生產設備,像貼片機設備的停運,將造成大量電路板報廢、芯片元件損壞等,給企業造成很大的損失,而整個企業中生產設備多達數百臺。主要受影響負荷情況統計如表1所示。
2 企業供電情況和晃電原因
2.1 企業供電情況
某企業由市政引二路10 kV高壓電源進入廠房高壓開關室。10 kV系統進線采用手車式開關柜,配抽屜安裝式真空斷路器。低壓供配電系統采用單母分段結線方式,以放射式向建筑物的各個用電點供電。柴油發電機組作為備用電源及供消防負荷作為二次電源。柴油發電機電源與市電電源之間采用電氣和機械連鎖。當市電掉電時,柴油發電機組可在30 s內起動;當市電掉電且發生火災時,通過火警信號切除非消防電源,柴油發電機組消防負荷用電。該廠采用的10 kV雙回路,每段帶4臺10 kV/0.4 kV主變。其中每段3臺主變容量為2 000 kVA,1臺為1 600 kVA。10 kV 段II與段I情況一樣。高壓線路每段總容量為7 600 kVA。10 kV配電室和1～6號主變室分布在廠區三層,7號、8號主變室分布在屋面層。發電機設備分布在一層。10 kV段I和段II相同,各主變供電情況如表2所示。
2.2 企業晃電產生原因
? ?企業每年晃電事故造成停運大概在7、8次左右,每次造成企業產品報廢,嚴重影響企業的生產,給企業造成的經濟損失。每次事故產生都是由于企業外網供電電壓波動造成的。電壓暫降模型如圖2所示。
圖2中外網F處,發生瞬時電壓降事故。企業內網10 kV進線母線上的電壓為U=E=E
式中: Z——饋線單位長度阻抗;
L——饋線長度。
由式(1)可見,企業進線母線距故障點F越近,電壓U降落幅度越大,對企業供電設備的影響就越嚴重。
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電壓暫降對電壓幅度有影響,同時還會造成電壓相位的改變。
由圖2計算相角躍變,其中ZS=RS+jXS,ZF=RF+jXF。即可得到相位變化為
在該企業負荷中相位的變化不會引起停運,企業中的負荷主要受電壓幅度降落的影響。
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3 晃電治理措施
完備的電壓暫降治理方案從供電線路、系統側、設備側3個方面進行治理。
3.1 供電線路側治理措施
企業內部中若某一條支路發生短路,與該支路相連的母線電壓陡降嚴重,母線殘余的電壓一般低于額定電壓的百分之20;只有當該支路斷路器分斷,切除了短路故障,母線電壓才能恢復。期間與母線相連的線路電壓將出現短暫的驟降過程。為了解決這種因某支路故障而出現故障傳播到其他正常支路,采用母線殘壓保持裝置可以保持支路故障電壓在百分之95以上,從而避免故障電壓的傳遞。
? ?外網或者內網某支路出現電壓驟降事故時,為了避免一些敏感負荷受到影響,采用兩路電源供電的供電模式。這兩路電源之間通過固態開關(SSTS)進行很快切換。當一路出現晃電現象時,SSTS在5 ms內將負荷供電切換到備用電源供電,從而確保負荷正常供電。
3.2 系統側治理措施
對于某一類負荷,采取在系統配電室集中治理。當電壓波動時,補償設備能夠在很短的時間內將PCC處電壓維持穩定,從而下游用電設備的正常運行。常用的補償設備有靜止無功發生器(STATCOM)和動態電壓恢復器(DVR)。
STATCOM可看作一個可控電流源,經過電抗器并聯在電網上,適當地調節交流側輸出電壓的相位和幅值,或者直接控制其交流側電流,就可以迅速吸收或者發出滿足要求的無功電流,通過無功電流來補償連接點處電壓的降落。
DVR由一個電壓源逆變器、旁路和串聯在供電電網和負載之間的接入變壓器組成,如圖3所示。DVR是串聯型電壓補償器,在電網電壓驟降時,裝置將自動輸出一個差值電壓,來補償電網電壓的降落,確保負荷供電穩定。
DVR主要特點:響應快,動態響應速度小于5 ms;效率高,正常時系統處于旁路狀態,同時系統通過整流電路給電容儲能,電網電壓異常時進行功率補償;完備的整體性設計;使用直流電容進行穩壓,摒棄傳統的電池元件,無更換電池的需要,減小了維護費用與工作量。在系統電壓暫降到百分之60時,DVR可以將供電電壓補償到百分之90以上,并持續保護時間2～20 s;在系統電壓短時中斷時,DVR補償的持續時間通常在50～200 ms。
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3.3 設備側治理
一個供電系統中,針對某些電壓敏感和重要的負荷單獨治理,譬如變頻器、電動機等負荷。
? ? 變頻器由整流器和逆變器兩部分組成。變頻器低電壓指其中間直流回路低電壓(即逆變器輸入電壓過低)。變頻器的逆變器件為電子電力半導體(GTR)時,一旦失壓或停電,控制電路將停止向驅動電路輸出信號,使驅動電路和GTR停止工作,電動機將處于自由制動狀態。通過直流支撐(DC-BNAK)與變頻器直流母線并聯,在變頻器直流側當發生電壓暫降時,通過DC-BNAK的蓄電池為變頻器直流母線提供支撐電壓。電網正常時變頻器由交流母線供電,DC-BANK 系統處于熱備狀態;電網晃電或備自投切換時,電網電壓下降,轉換成由DC-BANK 向變頻器的直流母線供電,變頻器保持正常工作。
? ? 一般交流接觸器在電壓降到百分之45時,持續20～30 ms 線圈會釋放,持續30～40 ms交流電磁閥會釋放,持續20 ms控制類設備會關閉。為了避免接觸器在晃電時釋放,將其更換為具有抗晃電功能的接觸器或在原有基礎上增加再起動裝置。
? ?抗晃電接觸器工作原理如圖4所示。當電動機失電時,接觸器在時間(可調)內,使輸出接點保持閉合狀態。若故障為晃電,則恢復供電后通過本接點構成的自保持回路,電機重新起動;如故障為故障,則接點延時斷開。該接觸器,通過A3向內部電容儲能,在晃電時,存儲的電能釋放,從而延遲接觸器線圈脫扣。
? ?再起動裝置原理如圖5所示。由圖5可見,當發生晃電時,控制電動機接觸器因低電壓釋放。再起動裝置在設定的時間內,檢測電壓恢復正常,就自動將再起動裝置ZDK閉合,接觸器線圈KM上電,電動機就重新再次起動。使用再起動模塊實現分批分期再起動,可以有效減小晃電對連續性生產的影響和電動機起動對線路的影響。
4 企業治理方案
? ?企業負荷統計情況如表3所示。在晃電事故時,主要引起1號、2號和3號、4號主變所帶負荷停運。該類負荷主要有制程電源設備、水泵類設備。其他主變所帶負荷主要為廠區照明、空調供電等。在治理方案中主要集中對1號、2號和3號、4號主變負荷進行治理。
企業生產制程動力部分主要通過3號、4號主變供電,這些設備主要有貼片機、線上電腦電源、分板機、印刷機、回流焊等,設備數量多達百臺,分散在企業三層和四層,直接影響企業的生產。對于這些設備根據實際供電情況,采用集中治理策略,通過對企業供電質量監測表明,企業晃電問題是電壓驟降問題,驟降殘壓在百分之40,持續時間約100 ms。本治理方案中合適的DVR設備,在電壓暫降時DVR設備使得生產設備供電電壓穩定,確保生產進行。為了補償的穩定性和滿足后續系統擴容需求,方案按照百分之100補償電壓,保護時間在100 ms以上選擇DVR設備的容量,及DVR設備的容量至少大于系統容量。對于1號、2號主變所帶負荷,大多都為電動機類設備,并且設備功率較大,一臺空壓機的功率高250 kW,冰水主機功率約600 kW。這些設備在晃電結束后,系統控制電路正常運行,但電動機接觸器跳閘使得電動機停運。為了降低治理成本,針對這些設備采用了抗晃電接觸器,來避免晃電時電機接觸器分閘,從而避過晃電。
企業生產設備制程動力晃電治理方案如表4所示。方案設計中制程動力主要采用DVR設備。
對于1號、2號主變所帶負荷設備,采用抗晃電接觸器。冰水主機采用抗晃電接觸器示意圖如圖7所示。為了能夠有效躲過百分之60的電壓降幅,接觸器-1-KM1、-1-KM2和-1-KM3采用了ABB-AF型低壓接觸器。其釋放電壓在50～60 V,抗電壓幅度低落在百分之70以上,可有效抗晃電對設備運行的影響。
某次檢測到了三相電壓暫降事故,暫降幅度約百分之70,持續時間約5個周波,通常在未進行手段補償情況下,企業許多變頻器等設備將停運;在加裝DVR補償設備后,系統電壓暫降被補償,使得設備供電電壓穩定到額定電壓,系統設備的穩定運行。檢測波形如圖8所示。
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5 結 語
晃電已經嚴重影響現代企業設備的正常運行,本文針對某半導體企業晃電問題,分析了企業晃電產生原因和企業負荷特性,給出了綜合治理方案;主要采用了DVR設備對生產制程負荷進行電壓暫降治理,以及使用抗晃電接觸器來避免晃電時電機接觸器跳閘問題。通過方案的實施,有效晃電對企業生產的影響,取得了明顯的效果,確保生產的連續穩定。
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