电压暂降对整车制造厂连续生产的影响及治理

王荣华

摘要：以汽车制造为代表的现代先进制造业工厂自动化程度和生产连续性越来越高，这有效的提高了生产效率，但各种复杂精密的生产自动控制系统对供电可靠性和电能质量的要求越来越高，电压暂降已严重影响自动化设备设施的正常运行，因此对电压暂降的原因进行分析并治理已十分迫切。

关键词：电压暂降;敏感负载;电能质量

随着科学技术的发展，以汽车制造为代表的现代先进制造业工厂自动化程度和生产连续性越来越高，这有效的提高了生产效率，降低了生产成本。一方面，采用新工艺新技术的自动化装备广泛采用可编程控制器（PLC）、伺服驱动、变频器、机器人、通讯设备等控制装置，有效的保障了生产的连续性;另一方面，各种复杂精密的生产自动控制系统对供电可靠性的要求越来越高。而电压暂降导致自动化设备系统频繁出现故障，严重影响生产的连续性，并造成生产停线及产品损失。因此，对电压暂降等短时间电能质量扰动进行有效地监测和分析，并根据实际情况采取一定的治理措施不仅必要而且十分迫切。

1.电压暂降对整车制造厂敏感设备的影响。

现代化的汽车制造工厂有冲压、焊装、涂装、总装四大核心工艺，冲压车间有大型液压机、机械手、PLC、传感器、通讯总线等;焊装车间有焊接机器人、伺服控制器、传感器、通讯总线等;涂装车间有喷漆机器人、直流电源、自动输送系统、烘干系统;总装车间有机运生产线、变频器、MES生产系统等。汽车制造四大工艺大量使用机器人对金属部件进行切割、焊接、喷涂、装配，而自动化装备广泛采用以可编程控制器（PLC）、伺服驱动、变频器、机器人、通讯设备等控制装置为主的生产系统，而以上电气控制装置均为敏感设备，对电源质量要求极高，如可编程控制器，当电压低于81%时，PLC停止工作;I/O设备，当电压低于90%、持续时间仅几十毫秒，就会被切除;机器人，由机器人控制对金属部件进行钻、切割等精密加工的机械工具，为保证产品质量和安全，工作电压槛值一般设为90%，当电压低于此值、持续时间超过40-60ms时，被跳闸;直流电机，当电压低于80%时，直流电机被跳闸;变频器，当电压低于70%且持续时间超过120ms时，ASD被切除。电动机接触器，当电压低于50%、持续时间超过20ms，接触器就会脱扣。因此整车制造厂在生产制造过程中如发生电压暂降可直接造成生产线停线，部分设备损坏或产品报废，严重影响生产的连续性。

2.电压暂降产生的原因

2.1电压暂降（又称电压骤降、电压凹陷或电压跌落），按照国际电气与电子工程师协会IEEE的定义，是指工频条件下电压均方根值减小到0.1-0.9倍额定电压之间。

2.2 电压暂降一般是由电网、变电设施的故障或负荷突然出现大的变化所引起的。在某些情况下会出现两次或更多次连续的跌落或中断。常见的原因有：一是自然原因;二是短路故障;三是开关操作;四是变压器和电容器投切;五是感应电机（大功率）启动。

2.2.1自然原因。外部恶劣气候条件如大风、雷电等导致电网侧电压出现暂降的，但是很多调查都表明，雷电是主要的原因，雷击时造成的绝缘子闪络或对地放电会使保护装置动作，从而导致供电电压暂降。这种暂降影响范围大，持续时间一般超过l00ms。

2.2.2短路故障。当供电线路的某个局部出现短路故障时，导致电流急剧增大，电压骤然降低，但是故障电路中的保护装置会马上开始动作，将故障点隔离，于是电压又恢复正常，这就形成了短暂的电压骤降。

2.2.3开关操作。供配电系统装设自动重合闸装置和自动切换装置是为了保证对用户不中断供电采取的常规措施，但自动重合闸实际断电时间一般达几周波至几秒，自动切换装置则通常需要0.5秒至几秒，目前从监测出故障到隔离故障最快也需要0.06-0.12秒。因此，排除瞬时故障的快速重合闸装置动作使相邻线路遭

受电压暂降是不可避免的，重合闸动作不成功时，电压暂降将增加。而架空的输配电线路暴露在外，造成的瞬时故障要比永久性故障要多，所引起的电压暂降的机会也比供电中断要多，且输电线路故障引起的电压暂降要比配电线路故障引起的电压暂降严重。

2.2.4变压器和电容器投切。如变电站某条出线若发生短路故障，保护装置动作将其隔离，与此变电站相连的其他线路将经受一次电压暂降，这种电压暂降占到总数的70%以上。据统计，单相、两相短路、两相短路接地和三相短路故障占全部故障的比例分别约为70%、15%、10%和5%

2.2.5大功率设备启动。大功率负荷突然启动时会导致电网电压骤降，如大功率中压制冷机组、中压空压机组连续启动时，会导致局部电网电压下降2%-5%。

另外，调查表明，在众多电压暂降原因中主原因要是由于输配供电线路的短路故障造成的，而由谐波、闪变、开关操作过电压等引起的电能质量问题相对较少。在我国，随着社会经济的发展，电压暂降和短时断电的问题也逐渐引起供电公司、用户及制造厂商的关注。特别是在一些高科技园区、大型医院、军工单位、汽车制造园等。

3.电压暂降缓解与应对策略

3.1电压暂降的缓解

3.1.1改变供电方式。汽车整车厂的配电线路规划时优先考虑上级变电所的供电方式，即与供电公司协调要求使用专变直供，防止其它负荷对整车厂用电负荷的影响。

3.1.2提高电压等级。电压等级越高，外界环境因素及其它负荷影响越小，电压暂降出现次数越少，因此提高整车厂高压进线电压等级，可以有效减少电压暂降发生次数。

3.1.3调整线路所带负荷。将供电线路中敏感负荷共用一个变压器，将其它大功率负荷及启动电流较大对电网形成一定影响的负荷分配到公用变压器上，减少其它负荷对敏感负荷的影响。

3.1.4提高抗干扰能力。电子设备、计算机、控制设备等单相、低功率设备内部的直流母线装设更多的电容，将有效延长设备所能承受的电壓暂降时间，提高设备对电压质量问题的抵御能力、采用宽范围DC/DC变换器、对所有接触器、继电器、传感器等器件的抵御能力进行检查分析、规范设备的电压暂降耐受力标准。

3.2电压暂降的治理策略

3.2.1 能量贮存技术

3.2.1.1电池后备系统。电池后备系统的操作运行与电容器储能类似，但是它的能量密度要比标准电容器高。可以应对深度暂降和停电，获取电池供电以及切换几乎是瞬时完成，缺点是需要额外的硬件和空间，电池寿命相对较短，为保持良好工作的性能需要更多的维护，运行成本相对较高。

3.2.1.2超级电容器。超级电容器可以应对深度暂降和停电，寿命长、充电速度快，容易监视充电状态且维护工作量小。其缺点是一次性投入较高。

3.2.1.3燃料电池。燃料电池通过消耗高热量燃料提供持续的电力供应，如天然气分布式能源系统。其优点是可靠、效率高，维护工作量小。缺点是不能快速响应负载变化，硬件投资费用较高等。

3.3.1.4飞轮储能。常常和电动机（M）-发电机（G）组配合使用。其优点是可以应对深度暂降和停电，减小了M-G组的体积和重量。缺点是需要额外的硬件和空间，转动部分需要维护等。

3.2.2基于逆变器的解决方案

3.2.2.1不间断电源（UPS）。UPS通常由整流器、逆變器及能量贮存系统组成，储能装置通常为电池。正常情况下，关键负载由市电经AC/DC和DC/AC变换后供电，电池作为备用只是用来保持逆变器直流侧电压恒定。在电压暂降或短时断电情况下，电池放电维持逆变器的直流侧电压。根据电池容量的不同，UPS通常可维持对负载供电几十分钟甚至数小时。

3.2.2.2统一电能质量调节器（UPQC）。对于稳态的电能质量，包括电压暂降和谐波可以有特殊控制的DSTATCOM或SVC与有源滤波（APF）相结合加以消除，由于系统存在低频的闪变（10Hz左右）在SVC的控制中加入抑制低频的功能，对更低的系统功率振荡有抑制作用，因此结合DVR、DSTSTCOM、APF、储能部件和无源滤波等构成一个完整的质量控制系统称之为统一电能质量调节器。

3.2.3 基于固态开关的解决方案

3.2.3.1固态断路器（SSB）。固态断路器一般由GTO或晶闸管与GTO并联组成，可用于负载或故障电流阻断、故障电流限制、联络断路器及固态切换开关。在正常情况下，电流流经GTO支路，一旦电流超过某一设定值，GTO被关断，晶闸管被触发导通，而在撤掉触发脉冲后的第一个电流过零点自然关断。当然，在实际应用中还要考虑SSB与重合闸及保护系统的配合问题。

3.2.3.1故障电流限制器（FCL）。故障电流限制器用来限制馈线电流以便保护装置可以清除故障。出现故障后电流可由一条支路（由GTO阀组成）转移到包含限流电抗器的另一条支路（由晶闸管阀组成）。

4、结论

电压暂降已严重影响以汽车制造为代表的现代先进制造业工厂的正常连续生产，如何低成本、最大程度地改善或者解决电压暂降问题，应从电力系统输配电规划设计、工厂敏感负荷合理规划、电压暂降监测分析、补偿设备的使用等四个方面对电压暂降的存在的影响和危害进行综合抑制。同时应避免衍生出新的电能质量问题，影响配电网和用电设备安全可靠运行。

参考文献

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[2] 翁国庆，现代电能质量监测、分析与控制技术. 北京：机械出版社，2016.

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