晃电是指供电系统在正常运行中因雷击、对地短路、发电厂故障及其他原因造成电网电压短时大幅度波动,甚至短时断电的现象。晃电的发生形式有3种:① 电压短时越限或跌落,即电网电压短时间内骤升至额定电压的 110%～180% 或骤降至额定电压的 10%～90%,持续时间为 0.5个周波到数秒;② 电压闪变,即短时间内电压波形以某种固定方式变化或者随机变化;③ 短时电压中断,即由于备用电源自动投入或者重合闸引起的0.5周波到 3 s 的供电中断。美国EPRI-DPQ晃电调查统计表明,电压暂降是最主要的晃电问题。

1 电压暂降对半导体企业的影响

GB/T 30137—2013《电能质量 电压暂降与短时中断》中定义电压暂降是指电力系统中某点工频电压方均根值暂时降低至系统标称电压的10%～90%,并在短暂持续10 ms～1 min后恢复到正常范围的现象。电压暂降示意图如图1所示。

某半导体产业基地生产的产品种类繁多,加工步骤繁多。如果发生电压暂降,设备将停止工作,生产的产品质量下降,会引起整个产品线停止运转,造成芯片、主板被损坏。该企业平均每年因为电压跌落造成的生产线停产达八九次,且每次停产将造成几十万元的经济损失。其中主要受影响的设备有变频器、空压机(4台,250 kW)、生产设备,像贴片机设备的停运,将造成大量电路板报废、芯片元件损坏等,给企业造成很大的损失,而整个企业中生产设备多达数百台。主要受影响负荷情况统计如表1所示。

2 企业供电情况和晃电原因

2.1 企业供电情况

某企业由市政引二路10 kV高压电源进入厂房高压开关室。10 kV系统进线采用手车式开关柜,配抽屉安装式真空断路器。低压供配电系统采用单母分段结线方式,以放射式向建筑物的各个用电点供电。柴油发电机组作为备用电源及供消防负荷作为第二电源。柴油发电机电源与市电电源之间采用电气和机械连锁。当市电掉电时,柴油发电机组可在30 s内起动;当市电掉电且发生火灾时,通过火警信号切除所有非消防电源,柴油发电机组专供消防负荷用电。该厂采用的10 kV双回路,每段带4台10 kV/0.4 kV主变。其中每段3台主变容量为2 000 kVA,1台为1 600 kVA。10 kV 段II与段I情况一样。高压线路每段总容量为7 600 kVA。10 kV配电室和1～6号主变室分布在厂区三层,7号、8号主变室分布在屋面层。发电机设备分布在一层。10 kV段I和段II相同,各主变供电情况如表2所示。

2.2 企业晃电产生原因

企业每年晃电事故造成停运大概在7、8次左右,每次造成企业产品报废,严重影响企业的生产,给企业造成巨大的经济损失。每次事故产生都是由于企业外网供电电压波动造成的。电压暂降模型如图2所示。

图2中外网F处,发生瞬时电压降事故。企业内网10 kV进线母线上的电压为U=E=E

式中: Z——馈线单位长度阻抗;

L——馈线长度。

由式(1)可见,企业进线母线距故障点F越近,电压U降落幅度越大,对企业供电设备的影响就越严重。

电压暂降不仅对电压幅度有影响,同时还会造成电压相位的改变。

由图2计算相角跃变,其中ZS=RS+jXS,ZF=RF+jXF。即可得到相位变化为

在该企业负荷中相位的变化不会引起停运,企业中的负荷主要受电压幅度降落的影响。

3 晃电治理措施

完备的电压暂降治理方案从供电线路、系统侧、设备侧3个方面进行治理。

3.1 供电线路侧治理措施

企业内部中若某一条支路发生短路,与该支路相连的母线电压陡降严重,母线残余的电压一般低于额定电压的20%;只有当该支路断路器分断,切除了短路故障,母线电压才能恢复。期间与母线相连的线路电压将出现短暂的骤降过程。为了解决这种因某支路故障而出现故障传播到其他正常支路,采用母线残压保持装置可以保持支路故障电压在95%以上,从而避免故障电压的传递。

外网或者内网某支路出现电压骤降事故时,为了避免一些敏感负荷受到影响,采用两路独立电源供电的供电模式。这两路电源之间通过固态开关(SSTS)进行快速切换。当一路出现晃电现象时,SSTS在5 ms内将负荷供电切换到备用电源供电,从而保证负荷正常供电。

3.2 系统侧治理措施

对于某一类负荷,采取在系统配电室集中治理。当电压波动时,补偿设备能够在极短的时间内将PCC处电压维持稳定,从而保证下游用电设备的正常运行。常用的补偿设备有静止无功发生器(STATCOM)和动态电压恢复器(DVR)。

STATCOM可看作一个可控电流源,经过电抗器并联在电网上,适当地调节交流侧输出电压的相位和幅值,或者直接控制其交流侧电流,就可以迅速吸收或者发出满足要求的无功电流,通过无功电流来补偿连接点处电压的降落。

DVR由一个电压源逆变器、旁路和串联在供电电网和负载之间的接入变压器组成,如图3所示。DVR是串联型电压补偿器,在电网电压骤降时,装置将自动输出一个差值电压,来补偿电网电压的降落,确保负荷供电稳定。

DVR主要特点:响应快,动态响应速度小于5 ms;效率高,正常时系统处于旁路状态,同时系统通过整流电路给电容储能,仅电网电压异常时进行功率补偿;完备的整体可靠性设计;使用直流电容进行稳压,摒弃传统的电池元件,无更换电池的需要,减小了维护费用与工作量。在系统电压暂降到60%时,DVR可以将供电电压补偿到90%以上,并持续保护时间2～20 s;在系统电压短时中断时,DVR补偿的持续时间通常在50～200 ms。

3.3 设备侧治理

一个供电系统中,针对某些电压敏感和重要的负荷单独治理,譬如变频器、电动机等负荷。

变频器由整流器和逆变器两部分组成。变频器低电压指其中间直流回路低电压(即逆变器输入电压过低)。变频器的逆变器件为电子电力半导体(GTR)时,一旦失压或停电,控制电路将停止向驱动电路输出信号,使驱动电路和GTR全部停止工作,电动机将处于自由制动状态。通过直流支撑(DC-BNAK)与变频器直流母线并联,在变频器直流侧当发生电压暂降时,通过DC-BNAK的蓄电池为变频器直流母线提供支撑电压。电网正常时变频器由交流母线供电,DC-BANK 系统处于热备状态;电网晃电或备自投切换时,电网电压下降,转换成由DC-BANK 向变频器的直流母线供电,变频器保持正常工作。

一般交流接触器在电压降到45%时,持续20～30 ms 线圈会释放,持续30～40 ms交流电磁阀会释放,持续20 ms控制类设备会关闭。为了避免接触器在晃电时释放,将其更换为具有抗晃电功能的接触器或在原有基础上增加再起动控制器。

抗晃电接触器工作原理如图4所示。当电动机失电时,接触器在一定时间(可调)内,使输出接点保持闭合状态。若故障为晃电,则恢复供电后通过本接点构成的自保持回路,电机重新起动;如故障为永久性故障,则接点延时断开。该接触器,通过A3向内部电容储能,在晃电时,存储的电能释放,从而延迟接触器线圈脱扣。

再起动控制器原理如图5所示。由图5可见,当发生晃电时,控制电动机接触器因低电压释放。再起动控制器在设定的时间内,检测电压恢复正常,就自动将再起动控制器ZDK闭合,接触器线圈KM上电,电动机就重新再次起动。使用再起动模块实现分批分期再起动,可以有效减小晃电对连续性生产的影响和电动机起动对线路的影响。

4 企业治理方案

企业负荷统计情况如表3所示。在晃电事故时,主要引起1号、2号和3号、4号主变所带负荷停运。该类负荷主要有制程电源设备、冷却水泵类设备。其他主变所带负荷主要为厂区照明、空调供电等。在治理方案中主要集中对1号、2号和3号、4号主变负荷进行治理。

企业生产制程动力部分主要通过3号、4号主变供电,这些设备主要有贴片机、线上电脑电源、分板机、印刷机、回流焊等,设备数量多达百台,分散在企业三层和四层,安全运行,直接影响企业的生产。对于这些设备根据实际供电情况,采用集中治理策略,通过对企业供电质量监测表明,企业晃电问题是电压骤降问题,极端骤降残压在40%,持续时间约100 ms。本治理方案中选用合适的DVR设备,在电压暂降时DVR设备使得生产设备供电电压稳定,保证生产进行。为了提高补偿的可靠性和满足后续系统扩容需求,方案按照100%补偿电压,保护时间在100 ms以上选择DVR设备的容量,及DVR设备的容量至少大于系统容量。对于1号、2号主变所带负荷,大多都为电动机类设备,并且设备功率较大,一台空压机的功率高达250 kW,冰水主机功率约600 kW。这些设备在晃电结束后,系统控制电路正常运行,但电动机接触器跳闸使得电动机停运。为了降低治理成本,针对这些设备采用了抗晃电接触器,来避免晃电时电机接触器分闸,从而避过晃电。

企业生产设备制程动力晃电治理方案如表4所示。方案设计中制程动力主要采用DVR设备。

对于1号、2号主变所带负荷设备,采用抗晃电接触器。冰水主机采用抗晃电接触器示意图如图7所示。为了能够有效躲过极端60%的电压降幅,接触器-1-KM1、-1-KM2和-1-KM3采用了ABB-AF型低压接触器。其释放电压在50～60 V,抗电压幅度低落在70%以上,可有效抗晃电对设备运行的影响。

某次检测到了三相电压暂降事故,暂降幅度约70%,持续时间约5个周波,通常在未进行任何手段补偿情况下,企业许多变频器等设备将停运;在加装DVR补偿设备后,系统电压暂降被补偿,使得设备供电电压稳定到额定电压,保证了系统设备的安全运行。检测波形如图8所示。

5 结 语

晃电已经严重影响现代企业设备的正常安全运行,本文针对某半导体企业晃电问题,分析了企业晃电产生原因和企业负荷特性,给出了综合治理方案;主要采用了DVR设备对生产制程负荷进行电压暂降治理,以及使用抗晃电接触器来避免晃电时电机接触器跳闸问题。通过方案的实施,有效防止了晃电对企业生产的影响,取得了明显的效果,保证生产的连续稳定。

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