晃電是指供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行中因雷擊、對(duì)地短路、發(fā)電廠故障及其他原因造成電網(wǎng)電壓短時(shí)大幅度波動(dòng),甚至短時(shí)斷電的現(xiàn)象。晃電的發(fā)生形式有3種:① 電壓短時(shí)越限或跌落,即電網(wǎng)電壓短時(shí)間內(nèi)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(xù)時(shí)間為 0.5個(gè)周波到數(shù)秒;② 電壓閃變,即短時(shí)間內(nèi)電壓波形以某種固定方式變化或者隨機(jī)變化;③ 短時(shí)電壓中斷,即由于備用電源自動(dòng)投入或者重合閘引起的0.5周波到 3 s 的供電中斷。美國(guó)EPRI-DPQ晃電調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明,電壓暫降是主要的晃電問(wèn)題。
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1 電壓暫降對(duì)半導(dǎo)體企業(yè)的影響
GB/T 30137—2013《電能質(zhì)量 電壓暫降與短時(shí)中斷》中定義電壓暫降是指電力系統(tǒng)中某點(diǎn)工頻電壓方均根值暫時(shí)降低系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的百分之10～90,并在短暫持續(xù)10 ms～1 min后恢復(fù)到正常范圍的現(xiàn)象。電壓暫降示意圖如圖1所示。
某半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基地生產(chǎn)的產(chǎn)品種類繁多,加工步驟繁多。如果發(fā)生電壓暫降,設(shè)備將停止工作,生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量下降,會(huì)引起整個(gè)產(chǎn)品線停止運(yùn)轉(zhuǎn),造成芯片、主板被損壞。該企業(yè)平均每年因?yàn)殡妷旱湓斐傻纳a(chǎn)線停產(chǎn),且每次停產(chǎn)將造成幾十萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)損失。其中主要受影響的設(shè)備有變頻器、空壓機(jī)(4臺(tái),250 kW)、生產(chǎn)設(shè)備,像貼片機(jī)設(shè)備的停運(yùn),將造成大量電路板報(bào)廢、芯片元件損壞等,給企業(yè)造成很大的損失,而整個(gè)企業(yè)中生產(chǎn)設(shè)備多達(dá)數(shù)百臺(tái)。主要受影響負(fù)荷情況統(tǒng)計(jì)如表1所示。
2 企業(yè)供電情況和晃電原因
2.1 企業(yè)供電情況
某企業(yè)由市政引二路10 kV高壓電源進(jìn)入廠房高壓開關(guān)室。10 kV系統(tǒng)進(jìn)線采用手車式開關(guān)柜,配抽屜安裝式真空斷路器。低壓供配電系統(tǒng)采用單母分段結(jié)線方式,以放射式向建筑物的各個(gè)用電點(diǎn)供電。柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源及供消防負(fù)荷作為二次電源。柴油發(fā)電機(jī)電源與市電電源之間采用電氣和機(jī)械連鎖。當(dāng)市電掉電時(shí),柴油發(fā)電機(jī)組可在30 s內(nèi)起動(dòng);當(dāng)市電掉電且發(fā)生火災(zāi)時(shí),通過(guò)火警信號(hào)切除非消防電源,柴油發(fā)電機(jī)組消防負(fù)荷用電。該廠采用的10 kV雙回路,每段帶4臺(tái)10 kV/0.4 kV主變。其中每段3臺(tái)主變?nèi)萘繛? 000 kVA,1臺(tái)為1 600 kVA。10 kV 段II與段I情況一樣。高壓線路每段總?cè)萘繛? 600 kVA。10 kV配電室和1～6號(hào)主變室分布在廠區(qū)三層,7號(hào)、8號(hào)主變室分布在屋面層。發(fā)電機(jī)設(shè)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(yè)晃電產(chǎn)生原因
? ?企業(yè)每年晃電事故造成停運(yùn)大概在7、8次左右,每次造成企業(yè)產(chǎn)品報(bào)廢,嚴(yán)重影響企業(yè)的生產(chǎn),給企業(yè)造成的經(jīng)濟(jì)損失。每次事故產(chǎn)生都是由于企業(yè)外網(wǎng)供電電壓波動(dòng)造成的。電壓暫降模型如圖2所示。
圖2中外網(wǎng)F處,發(fā)生瞬時(shí)電壓降事故。企業(yè)內(nèi)網(wǎng)10 kV進(jìn)線母線上的電壓為U=E=E
式中: Z——饋線單位長(zhǎng)度阻抗;
L——饋線長(zhǎng)度。
由式(1)可見,企業(yè)進(jìn)線母線距故障點(diǎn)F越近,電壓U降落幅度越大,對(duì)企業(yè)供電設(shè)備的影響就越嚴(yán)重。
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電壓暫降對(duì)電壓幅度有影響,同時(shí)還會(huì)造成電壓相位的改變。
由圖2計(jì)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(yè)負(fù)荷中相位的變化不會(huì)引起停運(yùn),企業(yè)中的負(fù)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(tǒng)側(cè)、設(shè)備側(cè)3個(gè)方面進(jìn)行治理。
3.1 供電線路側(cè)治理措施
企業(yè)內(nèi)部中若某一條支路發(fā)生短路,與該支路相連的母線電壓陡降嚴(yán)重,母線殘余的電壓一般低于額定電壓的百分之20;只有當(dāng)該支路斷路器分?jǐn)?切除了短路故障,母線電壓才能恢復(fù)。期間與母線相連的線路電壓將出現(xiàn)短暫的驟降過(guò)程。為了解決這種因某支路故障而出現(xiàn)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(wǎng)或者內(nèi)網(wǎng)某支路出現(xiàn)電壓驟降事故時(shí),為了避免一些敏感負(fù)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(guò)固態(tài)開關(guān)(SSTS)進(jìn)行很快切換。當(dāng)一路出現(xiàn)晃電現(xiàn)象時(shí),SSTS在5 ms內(nèi)將負(fù)荷供電切換到備用電源供電,從而確保負(fù)荷正常供電。
3.2 系統(tǒng)側(cè)治理措施
對(duì)于某一類負(fù)荷,采取在系統(tǒng)配電室集中治理。當(dāng)電壓波動(dòng)時(shí),補(bǔ)償設(shè)備能夠在很短的時(shí)間內(nèi)將PCC處電壓維持穩(wěn)定,從而下游用電設(shè)備的正常運(yùn)行。常用的補(bǔ)償設(shè)備有靜止無(wú)功發(fā)生器(STATCOM)和動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)。
STATCOM可看作一個(gè)可控電流源,經(jīng)過(guò)電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上,適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值,或者直接控制其交流側(cè)電流,就可以迅速吸收或者發(fā)出滿足要求的無(wú)功電流,通過(guò)無(wú)功電流來(lái)補(bǔ)償連接點(diǎn)處電壓的降落。
DVR由一個(gè)電壓源逆變器、旁路和串聯(lián)在供電電網(wǎng)和負(fù)載之間的接入變壓器組成,如圖3所示。DVR是串聯(lián)型電壓補(bǔ)償器,在電網(wǎng)電壓驟降時(shí),裝置將自動(dòng)輸出一個(gè)差值電壓,來(lái)補(bǔ)償電網(wǎng)電壓的降落,確保負(fù)荷供電穩(wěn)定。
DVR主要特點(diǎn):響應(yīng)快,動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度小于5 ms;效率高,正常時(shí)系統(tǒng)處于旁路狀態(tài),同時(shí)系統(tǒng)通過(guò)整流電路給電容儲(chǔ)能,電網(wǎng)電壓異常時(shí)進(jìn)行功率補(bǔ)償;完備的整體性設(shè)計(jì);使用直流電容進(jìn)行穩(wěn)壓,摒棄傳統(tǒng)的電池元件,無(wú)更換電池的需要,減小了維護(hù)費(fèi)用與工作量。在系統(tǒng)電壓暫降到百分之60時(shí),DVR可以將供電電壓補(bǔ)償?shù)桨俜种?0以上,并持續(xù)保護(hù)時(shí)間2～20 s;在系統(tǒng)電壓短時(shí)中斷時(shí),DVR補(bǔ)償?shù)某掷m(xù)時(shí)間通常在50～200 ms。
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3.3 設(shè)備側(cè)治理
一個(gè)供電系統(tǒng)中,針對(duì)某些電壓敏感和重要的負(fù)荷單獨(dú)治理,譬如變頻器、電動(dòng)機(jī)等負(fù)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(guò)低)。變頻器的逆變器件為電子電力半導(dǎo)體(GTR)時(shí),一旦失壓或停電,控制電路將停止向驅(qū)動(dòng)電路輸出信號(hào),使驅(qū)動(dòng)電路和GTR停止工作,電動(dòng)機(jī)將處于自由制動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)直流支撐(DC-BNAK)與變頻器直流母線并聯(lián),在變頻器直流側(cè)當(dāng)發(fā)生電壓暫降時(shí),通過(guò)DC-BNAK的蓄電池為變頻器直流母線提供支撐電壓。電網(wǎng)正常時(shí)變頻器由交流母線供電,DC-BANK 系統(tǒng)處于熱備狀態(tài);電網(wǎng)晃電或備自投切換時(shí),電網(wǎng)電壓下降,轉(zhuǎn)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(shí),持續(xù)20～30 ms 線圈會(huì)釋放,持續(xù)30～40 ms交流電磁閥會(huì)釋放,持續(xù)20 ms控制類設(shè)備會(huì)關(guān)閉。為了避免接觸器在晃電時(shí)釋放,將其更換為具有抗晃電功能的接觸器或在原有基礎(chǔ)上增加再起動(dòng)裝置。
? ?抗晃電接觸器工作原理如圖4所示。當(dāng)電動(dòng)機(jī)失電時(shí),接觸器在時(shí)間(可調(diào))內(nèi),使輸出接點(diǎn)保持閉合狀態(tài)。若故障為晃電,則恢復(fù)供電后通過(guò)本接點(diǎn)構(gòu)成的自保持回路,電機(jī)重新起動(dòng);如故障為故障,則接點(diǎn)延時(shí)斷開。該接觸器,通過(guò)A3向內(nèi)部電容儲(chǔ)能,在晃電時(shí),存儲(chǔ)的電能釋放,從而延遲接觸器線圈脫扣。
? ?再起動(dòng)裝置原理如圖5所示。由圖5可見,當(dāng)發(fā)生晃電時(shí),控制電動(dòng)機(jī)接觸器因低電壓釋放。再起動(dòng)裝置在設(shè)定的時(shí)間內(nèi),檢測(cè)電壓恢復(fù)正常,就自動(dòng)將再起動(dòng)裝置ZDK閉合,接觸器線圈KM上電,電動(dòng)機(jī)就重新再次起動(dòng)。使用再起動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)分批分期再起動(dòng),可以有效減小晃電對(duì)連續(xù)性生產(chǎn)的影響和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)對(duì)線路的影響。
4 企業(yè)治理方案
? ?企業(yè)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)情況如表3所示。在晃電事故時(shí),主要引起1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)、4號(hào)主變所帶負(fù)荷停運(yùn)。該類負(fù)荷主要有制程電源設(shè)備、水泵類設(shè)備。其他主變所帶負(fù)荷主要為廠區(qū)照明、空調(diào)供電等。在治理方案中主要集中對(duì)1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)、4號(hào)主變負(fù)荷進(jìn)行治理。
企業(yè)生產(chǎn)制程動(dòng)力部分主要通過(guò)3號(hào)、4號(hào)主變供電,這些設(shè)備主要有貼片機(jī)、線上電腦電源、分板機(jī)、印刷機(jī)、回流焊等,設(shè)備數(shù)量多達(dá)百臺(tái),分散在企業(yè)三層和四層,直接影響企業(yè)的生產(chǎn)。對(duì)于這些設(shè)備根據(jù)實(shí)際供電情況,采用集中治理策略,通過(guò)對(duì)企業(yè)供電質(zhì)量監(jiān)測(cè)表明,企業(yè)晃電問(wèn)題是電壓驟降問(wèn)題,驟降殘壓在百分之40,持續(xù)時(shí)間約100 ms。本治理方案中合適的DVR設(shè)備,在電壓暫降時(shí)DVR設(shè)備使得生產(chǎn)設(shè)備供電電壓穩(wěn)定,確保生產(chǎn)進(jìn)行。為了補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性和滿足后續(xù)系統(tǒng)擴(kuò)容需求,方案按照百分之100補(bǔ)償電壓,保護(hù)時(shí)間在100 ms以上選擇DVR設(shè)備的容量,及DVR設(shè)備的容量至少大于系統(tǒng)容量。對(duì)于1號(hào)、2號(hào)主變所帶負(fù)荷,大多都為電動(dòng)機(jī)類設(shè)備,并且設(shè)備功率較大,一臺(tái)空壓機(jī)的功率高250 kW,冰水主機(jī)功率約600 kW。這些設(shè)備在晃電結(jié)束后,系統(tǒng)控制電路正常運(yùn)行,但電動(dòng)機(jī)接觸器跳閘使得電動(dòng)機(jī)停運(yùn)。為了降低治理成本,針對(duì)這些設(shè)備采用了抗晃電接觸器,來(lái)避免晃電時(shí)電機(jī)接觸器分閘,從而避過(guò)晃電。
企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備制程動(dòng)力晃電治理方案如表4所示。方案設(shè)計(jì)中制程動(dòng)力主要采用DVR設(shè)備。
對(duì)于1號(hào)、2號(hào)主變所帶負(fù)荷設(shè)備,采用抗晃電接觸器。冰水主機(jī)采用抗晃電接觸器示意圖如圖7所示。為了能夠有效躲過(guò)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(duì)設(shè)備運(yùn)行的影響。
某次檢測(cè)到了三相電壓暫降事故,暫降幅度約百分之70,持續(xù)時(shí)間約5個(gè)周波,通常在未進(jìn)行手段補(bǔ)償情況下,企業(yè)許多變頻器等設(shè)備將停運(yùn);在加裝DVR補(bǔ)償設(shè)備后,系統(tǒng)電壓暫降被補(bǔ)償,使得設(shè)備供電電壓穩(wěn)定到額定電壓,系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。檢測(cè)波形如圖8所示。
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5 結(jié) 語(yǔ)
晃電已經(jīng)嚴(yán)重影響現(xiàn)代企業(yè)設(shè)備的正常運(yùn)行,本文針對(duì)某半導(dǎo)體企業(yè)晃電問(wèn)題,分析了企業(yè)晃電產(chǎn)生原因和企業(yè)負(fù)荷特性,給出了綜合治理方案;主要采用了DVR設(shè)備對(duì)生產(chǎn)制程負(fù)荷進(jìn)行電壓暫降治理,以及使用抗晃電接觸器來(lái)避免晃電時(shí)電機(jī)接觸器跳閘問(wèn)題。通過(guò)方案的實(shí)施,有效晃電對(duì)企業(yè)生產(chǎn)的影響,取得了明顯的效果,確保生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定。
鄭州泰普科技有限公司生產(chǎn)的TPM-QSDVR電壓暫降保護(hù)系統(tǒng)以超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能原件，，有效治理電壓暫降、電壓暫升、短時(shí)中斷等問(wèn)題，具有強(qiáng)穩(wěn)定性等特點(diǎn)。應(yīng)用于半導(dǎo)體制造、石油石化、化工、汽車制造、制藥、造紙、科研院所、煙草、冶金、鋼鐵、印刷、玻璃等對(duì)電能質(zhì)量要求嚴(yán)格的行業(yè)。