电压暂降对先进制造业的影响及解决方案

1、先评估调查后治理是一种新的电压暂降（Voltage Sag）治理理念。各种电压暂降治理方法都有其优缺点，结合实际案例，动态电压暂降补偿器是一种可保护深度电压暂降、免维护、经济有效的 电压暂降解决方案。电压暂降对先进制造业的影响及解决方案文 |王俊 付毓敏 杨艳丽代先进制造业工厂自动化程度和生产连续性越来越高，这大大地提高了生产效率。但自动化生产线上广泛采用 的可编程控制器、变频器、伺服驱动、机器人、各类控现制连锁及通讯装置等电力电子元器件，对电能质量的要求也更高。持续时间几十毫秒的电压瞬间跌落，对半导体、汽车、多晶硅、 制药、石油、化工、军工、电力、冶金、煤炭、水利、纺织、光纤、 造纸纸浆等连

2、续性行业企业及机场、地铁等大型枢纽公用交通设 施行业，就会导致敏感设备宕机，从而影响整条生产线的运转、 正常出行的延误，造成巨大的直接和间接经济损失。统计表明，电压暂降是目前最突出的电能质量问题，因电能质量问题导致工厂非计划停产停机的事件中，92% 是电压暂降 事件引起的。电压暂降的持续时间定义为 10ms 1min（典型为 10ms 500ms），下降幅度为降至标称电压的 90% 10%（IEEE）， 各地也将其称为电压骤降、电网晃动、晃电、闪络等等。电压暂降保护在先进汽车冲压生产线中的应用电压暂降的规律电压暂降产生的原因造成电压暂降事件的原因很复杂，有自然因素，也有人为因素， 有供电部门系

3、统保护的因素，也有用户系统内设施故障或误操作 的因素。如：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，而不是过电压；大功率设备全电 压启动时，启动电流为满载运行时的 5 10 倍，这一大电流流过 系统阻抗时，会引起电压突然下降；整个电网结构中某一处发生 短路故障，系统保护装置切除故障、重合闸的过程中，故障线路 上的用户和相邻出线用户都将遭受电压暂降，电压暂降在电网系 统中可传播上百公里。电压暂降的一般规律为了鉴别究竟是电压暂降问题，还是断电问题，美国半导体 行业 SEMI F47 标委会在美国硅谷地区 22 个站点进行了长期的电 压监测， 记录到的 1076 个电

4、压事件中绝大多数是电压暂降问题。 根据电压暂降的定义，我们将横轴定义为时间轴（单位：周波）， 纵轴定义为暂降深度（占额定电压的百分比），将监测结果整理电压暂降常见的误区和判断方法在实际生产中，当生产设备因电压暂降而突然意外宕机时， 设备维护人员无法找到设备宕机根原因，猜测可能是由于设备自 身问题导致，会浪费大量的猜测判断时间和精力。有经验的工程师找不到设备自身问题后，主观感知可能会 怀疑是电能质量问题导致的设备意外宕机，但并没有明确的概 念：导致非计划停产停机的原因是谐波问题，还是电压暂降的原 因？是电压暂降还是短时停电？是欠电压还是过电压？仅凭经验 判断很可能让我们的治理工作南辕北辙。为找到

5、故障根原因，需 要科学的监测数据支持。应在工厂高压进线侧、各变压器后端、 敏感设备侧安装具有瞬态事件捕捉能力的在线式电压质量监测仪I-Sense 进行长期在线监测，得到切实的监测数据、与生产事故吻合， 则各种猜测答案将迎刃而解。S特别策划为散点图，如图 1。详细分析中国各地先进制造业的电压暂降统计数据，1010 个电压事件中，有 601 个暂降深度为 75% 90%；210 个暂降深度为 60% 75%；190 个暂降深度为 10% 60%；9 个暂降深度为 10% 以下。实际生产中，60% 以下的深度电压暂降造成的经济损失最大。电压暂降造成的经济损失上述暂降统计应该是符合企业一般暂降规律的。

6、根据 2005 年 IEEE IAS 工业应用 40 周年年会上公布的电压暂降深度与经济损失 权重系数分析表示：假定短时断电造成的经济损失系数为 1，不 同幅度的暂降经济损失权重系数如表 1，60% 以下深度电压暂降经 济损失等于 0.85，75% 以上浅幅暂降经济损失值相当于 0.15。将 不同暂降深度的经济损失权重系数与对应的暂降事故次数相乘， 可以发现，虽然 75% 以上浅幅暂降次数多达 59.5%，但其经济损 失仅为 26.16%；而 60% 以下的深度电压暂降，虽然发生次数较少（18.81%），但其造成的经济损失却高达 46.86% 。图 1美国电科院美国硅谷半导体行业电压暂降统计数

7、据上海捷实科技自 2004 年至今，在中国各地多家先进制造业统计的 1010 个电压事件如图 2。表 1 电压暂降深度与经济损失权重系数将表 1 各暂降深度分布与经济损失权重计算结果转化为饼图形式如图 3：图 2 中国先进制造业电压暂降记录（By EPSolutions）根据上面两张中外统计的电压暂降数据，来分析电压暂降的规律，依然据其定义从持续时间和暂降深度两个方面来分析。（1）电压暂降的持续时间。从图 1 可看到，1076 个电压事件中，仅 3 个事件持续时间大于 120 周波（2s）。从图 2 可看到，1010 个电压事件中，仅 4 个事件持续时间大 于 100 周波（2s）；1006

8、个事件持续时间小于 2s，占全部事件的 99.6%；942 个事件持续时间小于 1s，占 93.3%；843 个事件持续时 间小于 250ms，占 83.5%。因此，先进制造业面临的主要问题，是 2s、甚至 0.5s 以内的 电压暂降问题，而并非电力中断问题。（2）电压暂降的深度（以剩余电压占额定电压百分比计）。图 3 电压暂降深度分布与经济损失权重以上研究结果也与我们在实际用户侧监测及了解的结果一致，60% 以下的深度电压暂降，往往会导致全厂设备大面积宕机，损 失巨大。设备的电压暂降耐受能力及各行业标准为什么深度电压暂降造成的损失巨大？不同元器件对电压暂降的耐受能力不同，如：典型变频器及 伺

9、服驱动器，当电压瞬间跌落到额定电压的 75% 以下，即有可能供用电 2014.0236DISTRIBUTION & UTILIZATIONSpecial Feature事故类别 （剩余电 压占比）经济损失权重 系数事故次数等同于短时中断 造成的经济损失 的权重短时中断 10%1.090.89%92.61%暂降幅值 10%60%0.8519018.81%161.546.86%暂降幅值 60%75%0.4021020.79%8424.37%暂降幅值 75%90%0.1560159.50%90.1526.16%合计1010100%344.65100%5电压暂降持续时间 /s/%设备额定电压占比特别策

10、划宕机甩负荷；开关电源一类的负载，在电压瞬间跌落到额定电压的 55% 以下时，即有可能断开或故障。不同元器件电压暂降耐受 能力如图 4。图 5 各行业电压暂降耐受曲线及典型企业电压暂降耐受标准电压暂降治理设备及选择动态电压暂降恢复装置（DVR）对于敏感负荷端，解决电压暂降问题的一个有效措施是在供 电电源与敏感负载之间串联 DVR，通过从电网侧提取能量来补偿 缺失的电压。DVR 设备一般为免维护产品，且较为适应工业设备 包括冲击性负载，并对运行环境要求不高。DVR 装置分为普通型 DVR 和改良型 DVR-DySC。DVR 设备重要的参数至少包含两个 方面：响应时间，暂降保护范围。（1）响应时间

11、。指从电压暂降发生到完成补偿的过程所需时 间，包含探测时间和动作时间。很多敏感元器件对电压的瞬间变 化非常敏感，如激光发生器，对大于 2ms 的电压抖动，就有可能 宕机。因此，选择暂降治理设备时，应根据自身设备敏感程度选 择合适的暂降治理设备。普通 DVR 的响应时间一般为 10ms 左右，一些特别敏感的元 器件仍无法忍受而会宕机。改良型 DVR-DySC 的响应时间在 2ms 以内。（2）暂降保护范围。普通型 DVR 采取注入变压器的形式来 提供缺失电压，但其补偿能力有限，典型的此类 DVR 设备可提 供三相电压跌落至额定电压的 60%，补偿到 100%，单相电压补偿 能力会略好。此类普通型

12、 DVR 的缺点在于，不能对 60% 以下的 深度电压暂降提供完美补偿，而 60% 以下的深度暂降往往是最需 保护的部分。 其保护范围如图 6。图 4 不同元器件电压暂降耐受能力因此，根据设备类型不同，均会有一定的电压暂降耐受能力， 当遭遇到浅幅暂降时，设备可跨越暂降不受影响。而当发生深度 电压暂降时，由于设备内部元器件无法持续工作，从而导致生产 设备停机，越是深度暂降，设备恢复时间越大、损害越严重。因此， 考虑对深度电压暂降保护是电压暂降治理项目中极其重要的方面。各行业电压暂降耐受曲线由于电压暂降对电气设备造成直接损害，一些对电压质量要 求较高的行业先后制定了行业电压暂降耐受曲线，如美国计算

13、机制 造商会提出的 ITIC 曲线、半导体行业的 SEMI F47 耐受曲线、IEC 61000-4-11、IEC61000-4-34 等，这些耐受曲线要求本行业相关生 产设备可以忍受该曲线上方的电压暂降影响并可成功跨越不停机， 免疫曲线如图 5。同时，将这些曲线与中国各地电压暂降记录散点图进行对比， 可发现，满足这些曲线要求的设备可避免大部分电压暂降的影响， 但对影响最大的深度电压暂降仍无力规避。国内外一些企业进行电压暂降治理改造过程中，参考以上标 准和自身电压暂降情况，以及自身设备的电压暂降耐受能力，会 制定企业自身的电压暂降耐受曲线，并根据该曲线来选择适合的 电压暂降治理产品。建议企业典

14、型敏感设备电压暂降耐受标准为：三相电压跌落 至 0，维持 50ms；三相电压跌落至 50%，维持 5s。该电压暂降耐受 曲线可避免敏感设备遭受的绝大部分电压暂降，包括深度电压暂降。一些电能质量特别糟糕的地区，如经常发生瞬间断电（跌落 至额定电压 10% 以下，持续时间较短），可根据自身暂降记录制 定保护范围更宽的电压暂降耐受曲线：三相电压跌落至 0，维持 200ms；三相电压跌落至 50%，维持 5s。图 5 紫色曲线即是按照上 述要求模拟的暂降耐受曲线。通过与灰色的暂降记录散点图对比， 可看到，该曲线可基本覆盖这些电压暂降事件。图 6 典型 DVR 电压暂降保护范围37DISTRIBUTIO

15、N & UTILIZATION 供用电Special Feature特别策划改良型 DVR（如 AB-DySC）可进行深度电压暂降补偿，即使三相电压降至 0 依然可以提供完美补偿，单相电压缺相运行可 长达 5s。其保护范围如图 7。压有问题时，可快速切换到另一路进线。关于响应速度，一般 SSTS 厂家设定的电压变化响应速度 为 10ms，但实际测试表明，SSTS 对电压暂降的响应速度大于 13ms，对一些特别敏感的负荷，无法满足其电压要求。因此， SSTS 是供电可靠性的选择，而非特别敏感的负荷电压暂降治理 的选项。自动切换开关（ATS）类似于上面介绍的 SSTS，ATS 需要工厂有两路或两路

16、以上 的进线；但与 SSTS 相比，其响应速度较慢，一般为 2.5s 或更长 时间切换。主要用于强调用电可靠性的应用。很多数据中心采用 ATS 加 UPS 的方式来维持机柜设备用电可靠性。但 ATS 在切换的瞬间可能导致短时断电或深度电压暂降， 因此， ATS 是供电可靠性要求较高用电设备的选择，而非电压 暂降治理项目的选项。电容器补偿线圈主要保护对象是接触器类元器件。当发生电压暂降时，采用 具有延时功能的控制模块，利用电容作用延缓电压的下降与上升 速率，将该延时模块安装在接触器侧面，与接触器构成双线圈结 构。这种保护装置需要针对单个接触器逐一进行改造，且只能用 于保护接触器元器件。而对于整个

17、电气系统的其他部分，如控制 回路，仍会因为电压暂降而中断工作，从而导致整台设备停机。 因此，这种保护装置对象和效果单一，无法彻底解决系统暂 降问题，在接触器控制线圈动作频繁的应用中，由于额外电容的接入会缩短接触器线圈的寿命、并可能导致可靠性问题。备用直流电源（DC-Bank）通过 DC-Bank 与变频器直流母线并联，当发生电压暂降时， 通过蓄电池为变频器直流母线提供支撑电压。DC-Bank 的储能 方式为电池或超级电容储能。DC-Bank 需要针对单台变频器逐一进行改造，安装较为复 杂。且由于无法对整台变频器设备周边及相关联敏感元器件提供 整体保护，该保护装置对象和效果单一，无法彻底解决系统

18、电压 暂降问题。DC-Bank 维护成本较高，需要定期对蓄电池（超级电容） 进行检测，多组储能元件中某一组储能单元故障可能会导致整个 DC-Bank 系统故障，无法提供暂降保护。工厂自身改造除以上需要加装额外的保护设备之外，工厂自身也可以进行 一些内部调整来降低电压暂降对自身运营的影响。（1）欠压脱扣装置的设定。很多工厂变压器主开关会安装 有欠压脱扣装置，一旦监测到电压低于某一设定值，即开关动作， 切断负载。欠压脱扣设备的功能主要是防止较长时间的持续欠压图 7 改良型 DVR-DySC 电压暂降保护范围选择合适的 DVR 产品，需要根据自身电压质量监测数据来进行分析。因此，采用 I-Sense

19、 等具有事件捕捉能力的仪表长期 在线监测是重要的手段。UPS 不间断电源UPS 是广为大家所知的一种设备，主要采取电池等化学能来 进行储能，当电网断电时，从化学能提取能量，支撑时间根据电 池不同从几分钟到半小时甚至更长。UPS 较适合 IT 设备等稳定性负载，在预防断电方面具有重 要作用，但是 UPS 如用来保护电压暂降有如下缺点：（1）不适合动态负载，特别是像机器人、电机、变频、伺 服驱动等此类冲击性负荷。否则很容易导致 UPS 电池损坏，从 而造成更大安全隐患。SEMI F47 国际半导体设备电压暂降耐受标 准明确声明：不建议采用 UPS 等电池类蓄能产品来进行电压暂 降保护。（2）在线式

20、 UPS 能耗较大，典型耗能为 8% 12%，运行 使用成本非常高。（3）较好的离线式 UPS 响应速度一般 10 20ms，无法为 敏感负荷提供及时保护响应。（4）UPS 的运行维护对设备维护人员要求较高，大大增加 运维人员工作量，如：需要定期对其电池进行充放电，定期检测 电池状态等。（5）UPS 每 2 3 年需要全部更换电池，费用不菲。（6）UPS 对运行环境要求较高，一般要求 26 摄氏度左右恒 温运行，且通风良好。增加了额外的制冷费用。（7）UPS 占地面积较大，不适合工厂电力改造工作。 固态高速切换开关（SSTS） 当工厂有两路或两路以上真正完全独立的进线时，为了预防断电影响，提高

21、供电可靠性，可在高压侧加装 SSTS，当一路电供用电 2014.0238DISTRIBUTION & UTILIZATIONSpecial Feature5特别策划导致的线路损害，针对电压暂降，可设定一定时间的脱扣延时，来避免大多数短时或瞬时的暂降事件。（2）增加能源储备设施。如：水塔、气罐等。可防止当发 生电压暂降时，由于厂务设施的原因导致生产线停产。此种自身 改造不需追加巨大额外投资，可取得一定成效，但仍无法避免敏 感设备受电压暂降直接影响而宕机。粒子注入、Track 等生产设备以及厂务排风系统、PCW 工艺水、UPW 超纯水系统故障。一个 12 英寸 FAB 工厂一次电压暂降可 造成几百

22、至上千万的经济损失。由于 UPS 含电池、需要定期维护、对环境要求苛刻，且能 源效率低，长期运行综合使用成本非常高，因此，半导体 FAB 工厂越来越倾向免维护的电压暂降治理产品。DySC 在食品饮料中的应用案例某饮料工厂位于河南省境内，历年来饱受电压扰动造成灌装 生产线停机的困扰，因不了解是电压暂降问题，曾采用稳压器对 灌装线进行保护，但没有任何效果。该 PET 饮料生产线产能为 36000 瓶 / 小时，每次电压暂降致使灌装机停机，造成宝贵的产 能损失和生产原料大量浪费，而重新启动恢复生产至少需要 6 8 个小时，因此电压暂降所造成的间接和直接损失非常巨大。上海捷实科技公司通过对该工厂 PE

23、T 饮料生产现场进行评 估和电能质量测试分析后，推荐选择美国罗克韦尔 AB DySC 动 态电压暂降补偿装置保护其关键灌装设备，拆除原设备稳压器。 在 DySC 安装后的第三天，就成功验证了三次电压暂降保护效果， 用户对此次电压暂降治理项目非常认可。 DySC 安装半年后已保 护 50 多次电压暂降，该工厂已回收其电压暂降治理的成本十倍DySC（改良型 DVR） 的成功行业应用DySC 在汽车制造行业的应用现代汽车制造工厂自动化程度越来越高，这大大地提高了生 产效率。但自动化生产线上广泛采用的变频器、伺服驱动、机器人、 各类控制及通讯装置等电力电子元器件，对电能质量的要求也更 高。持续时间几十

24、毫秒的电压瞬间跌落，就可导致敏感设备宕机， 从而影响整条生产线的运转，造成的直接和间接损失巨大。某汽车制造工厂位于上海开发区，属于当地纳税大户和政 府重点关照企业，该厂共有 1 条 35kV、2 条 110kV 电源专线专 供。自投产以来，该汽车工厂多次受电压暂降造成非计划停产， 停产时间少则几十分钟、多则几个小时，直接和间接损失高达几 百万、甚至几千万元。上海捷实科技公司自 2005 年起配合该工厂采用 DySC 分别 对油漆车间的喷涂机器人、电泳、烘房、通风系统、输送链及冲 压车间的各压机单元控制系统和自动化系统等关键敏感生产设备 进行电压暂降治理。由于 DySC 无电池免维护，以及拥有超

25、强的 电压暂降保护能力，因此深受用户的青睐。DySC 在半导体制造行业的应用半导体晶圆制造工艺制程复杂、工序繁多，工艺设备对用电 质量的要求极高。一般半导体工厂在建设阶段会有计划添加一些 UPS 不间断电源，及要求设备满足 SEMI F47 电压暂降耐受标准。 在供电系统上，一些半导体晶圆工厂采用独立双回路供电，其供 电可靠性可达 7 个九，即 99.99999%，所面临的主要问题不是断 电，而是 1/4 秒以内的电压暂降。电压暂降可造成光刻、蚀刻、以上。王俊，上海捷实科技有限公司 (EPSolutions) 总经理， 资深工业控制自动化专家，全国电压电流等级和频率标准化技术委员会、中国电源学会电能质量专业委员 会委员。付毓敏，上海捷实科技有限公司 (EPSolutions) 项目部 主管，从事电能质量监测与评估、电压暂降治理的研究。杨艳丽，上海捷实科技有限公司（EPSolutions）市场 部经理。39DISTRIBUTION & UTILIZATION 供用电Special Feature参考文献6 Lee G J，Albu M M，Heydt G TA power quality index