电子企业的电压暂降分析与对策

电子企业的电压暂降分析与对策

苗竹梅1，王冲2，刘伟1，盛勇1，江涛1，贺明2，王林娜2

(1. 国网陕西省电力公司，陕西省西安市 710048；

2. 国网陕西省电力公司西安供电公司，陕西省西安市 710032）

Voltage Sag Analysis and Strategy for Electronic Enterprise MIAO Zhumei1, WANG Chong2, LIU Wei1, SHENG Yong1, JIANG Tao1, HE Ming2, WANG Linna2

(1. State Grid Shaanxi Electric Power Company, Xi'an 710048, Shaanxi Province, China;

2. State Grid Corporation of Shaanxi Province, Xi'an Power Supply Company, Xi'an 710032, Shaanxi Province, China)

ABSTRACT: Voltage sag is related to power quality problems. It is a short-duration (typically 0.5 to 30 cycles) reduction in RMS voltage caused by power system faults and the starting of high-power equipments. Power supply enterprises have been faced with rising numbers of complaints about the quality of power due to voltage sags, for the continuous growth of industrial loads and especially the sensitive equipments in electronics manufacturing industry. An international large-scale electronic enterprise has sited its manufacturing factory at Xi’an. The production substation of the enterprise has experienced several voltage sags since starting operation in 2013, which raises deep concern and discussion from both supply and demand sides. The sags monitored are thoroughly analyzed in the paper from the view of characteristic parameters and influence degree respectively. Specific requirements for solutions and suggestions for effective implementation in the next phase are proposed.

KEY WORDS: voltage sag; sensitive loads; power quality

摘要：电压暂降属于电能质量范畴，是指由于电力系统故障、大功率设备启动导致供电电压均方根值在短时间内(通常为0.5~30个工频周期)的下降。随着工业负荷，尤其是电子制造业中敏感设备的持续增长，供电企业面对越来越多电压暂降引起的电能质量问题。某大型国际电子企业将其生产工厂设址于西安，其生产专用变自2013年投产以来经历过数次电压暂降，引起供电方和用户的高度关注和深入探讨。该文针对监测到的电压暂降，就其特征参数、影响程度进行全面分析，对治理措施提出明确要求，对下阶段如何有效开展提出建议。

关键词：电能暂降；敏感负荷；电能质量

0 引言

电压暂降(Voltage Sag)是电网运行中一种常见的电能质量暂态扰动。国际电气与电子工程师协会(IEEE)将电压暂降定义为供电电压有效值快速下降到额定值的90%~10%(国际电工委员会IEC规定为90%~1%)，并在随后10 ms~1 min的短暂持续时间后恢复正常[1]。当输配电系统中发生短路故障，大容量感应电机启动、雷击、开关操作、变压器以及电容器投切等事件时，均会引起电压暂降。

电压暂降属于电能质量(Power Quality)的范畴，是指保持电气设备正常运行的电压、电流或频率状况。随着现代工业中电力电子装置、计算机控制设备、精密仪器等敏感设备的大量应用，电压暂降对用户侧带来的危害日益增长[2-3]。根据美国电科院(EPRI)的统计，90%以上的电能质量问题是由电压暂降和电压突升(Voltage Swell)造成的，其中电压暂降是主要原因。

某国际电子企业(文后简称“电子企业”)落户西安高新区，其生产项目属于信息技术工业，对电压暂降较一般机电设备更为敏感。本文就其生产专用110 kV变电站投运后经历的电压暂降情况深入分析，探讨原因及应对措施，并对我国电能质量管理方面提出相关建议。

1 某电子企业电压暂降分析

本文研究对象“电子企业”以研发、生产行业领先水平存储芯片为主，采用最领先的半导体技术，生产10纳米级的Nand Flash存储芯片。其流水线设备属于典型的敏感负荷，对供电质量的稳定1172 苗竹梅等：电子企业的电压暂降分析与对策V ol. 4 No. 12

性和精度要求极高。若因电能质量问题造成非计划停产、减产，将导致数目巨大的经济损失和难以估量的社会影响。

“电子企业”生产专用110 kV变电站为双母线双分段式接线(见图1)，由330 kV新盛变电站110 kV盛电Ⅰ、Ⅱ线路和330 kV星城变电站110 kV星电Ⅰ、Ⅱ线路对其供电，总供电容量600 000 kVA。正常方式下4112、3111母联开关处于热备用位置，2111、4113母联开关处于运行状态，110 kV备自投装置投入。电子企业在其110 kV 和10 kV侧高压进线柜内均安装有Schneider ION7650电压检测仪。

图1 “电子企业”专用变接线方式

Fig. 1 Interconnection of electronic enterprise substation 根据“电子企业”装设电压检测仪的数据，2014年至2015年之间，共监测到多次电压暂降，其中数次直接或间接影响到生产流水线运行。经供电企业调查，确定这些电压暂降是由于线路遭受鸟害、恶劣天气、外力破坏，变电设备偶发性故障等情况，保护装置动作切除、隔离故障时全网系统波动引起的[4]。现从暂降幅度(Sag Magnitude)和持续时间(Duration Time)两个常用表征电压暂降特性的参数展开分析。

1.1 电压暂降持续时间分析

由图2可见，86%的电压暂降持续时间都小于200 ms(许多甚至小于100 ms)，仅有少数几次大于200 ms，甚至达到500 ms以上。

图2暂降持续时间分类

Fig. 2 Classification by sag duration time

电压暂降持续时间与保护装置、重合闸动作时间直接相关。西安地区330 kV、110 kV输电线路广泛采用光纤差动保护，目前已是切除故障时间最短的保护配置方式(从保护动作到断路器跳闸仅需70~80 ms)。若线路上发生永久性故障，考虑到重合闸后加速动作，暂降持续时间可能超过500 ms。

1.2 电压暂降幅度分析

由图3可见，71%的电压暂降幅度小于20%，只有5%的电压暂降幅度大于50%。电压暂降幅度与“电子企业”专用变离故障处的电气距离直接相关：电气连续越紧密，暂降幅度越大。3次幅度较大(降幅分别为42%、46%、63%)的电压暂降均是因为“电子企业”专用变的两个上级电源点—330 kV 变电站的110 kV线路发生故障。

图3暂降幅度分类

Fig. 3 Classification by sag magnitude

1.3 设备敏感性分析

设备因其负荷类型、控制装置、运行情况的不同，在遭遇电压暂降时表现出不同的敏感性，因此很难量化描述一次直接影响设备运行的电压暂降。对用户而言，设备的电压暂降穿越能力是至关重要的因素。CBEMA(后更名为ITI，见图4)曲线用于表征典型负荷的电压暂降穿越能力，曲线下方区域的电压暂降往往导致设备停机。

图4典型负荷电压暂降穿越能力

Fig. 4 Typical equipment voltage sag ride-through

capability curve

第4卷 第12期 智 能 电 网

1173

根据对电子企业专用变的走访了解，用户在其关键流程设备处加装了UPS 、DVR 等装置，这些敏感设备在经历所有电压暂降时均未受到影响；但在3次暂降幅度较大或持续时间较长的电压暂降过程中，未加装补偿装置的部分设备生产受到一定影响。

2 设备的电压暂降耐受能力分析

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，如美国计算机制造商会提出的ITIC 曲线、半导体行业提出的SEMI F47耐受曲线、IEC61000-4-11、IEC61000-4-34等。这些耐受标准要求本行业相关生产设备可以承受一定的电压暂降影响并成功穿越不停机。

SEMI 全称semiconductor equipment materials international ，是一个服务据点遍布全球，拥有2000余个会员的世界性贸易组织。SEMI 针对半导程相关设备，制定了对于电力系统电压暂降应变能力的规范，供半导体设备制造商遵守[5]。以Semi F47耐受曲线(见图5)为例，其规定的电压暂降幅度与耐受时间如表1所示：

图5 Semi F47耐受曲线

Fig. 5 Semi F47 voltage sag ride-through capability curve

表1 Semi F47电压暂降幅度与耐受时间 Tab. 1 Semi F47 sag magnitude and

ride-through capability

持续时间/s

持续时间/周期(50 Hz)

幅值

<0.05 <2.5 无规定

0.05～0.2 2.5～10 50%

0.2～0.5 10～25 70% 0.5～1 25～50 80%

相比于ITIC 曲线，SEMI F47要求更为严格，依次标准生产的半导程设备耐受能力更高。若“电子企业”整程设备按照SEMI F47标准购

置，则已监测到的电压暂降均能可靠规避。

3 电压暂降治理措施

目前国际行业标准(国际电工委员会IEC 、电气与电子工程师协会IEEE)和国家标准均明确表示：电压暂降情况是电网运行中发生的一种正常现象，无论怎样提高供电可靠性都无法避免。根据电压暂降问题的原因、监测及对用电设备的影响，电网和用户双方应共同开展减少、抑制电压暂降的措施[6]。 3.1 电网方面

1）深入开展电能质量实时监测分析工作。 应用相关测量、网络和通信技术构建电能质量监测平台，实现了电能质量各项参数的实时监测、分析和处理，为治理措施提供数据支持。

2）积极开展相关电网的运维工作。

针对电子企业电压暂降，细化落实防止外力破坏的各项措施；持续开展架空线路走廊综合治理和电缆沟道隐患排查，保障线路安全运行。

3）开展电网技术改造。

逐步将重要线路架空线全部落地，降低恶劣天气和外力破坏引起故障的几率；结合线路迁改计划，将重要负荷与经常故障的线路或干扰源隔离。 3.2 用户方面

1）安装不间断电源(UPS)。

采用不间断电源(uninterruptible power system ，UPS)是解决供电中断的有效方法，同时也能抑制电压暂降。当UPS 采用在线方式时，电压暂降可从本质上得到抑制；采用后备方式时，如采用快速固态开

关(SSTS)，切换时间可控制在10 ms 之内，电压暂降不会对生产、设备造成影响。

2）安装电压补偿装置。

动态电压调节器(dynamic voltage regulator ，DVR)是一种非常有效的串联补偿装置，它通过串联变压器在馈线上以电压方式向配电系统注入补偿电压，可以在几毫秒以内消除电压骤降对负荷的不良影响。

3）提高用电设备抗扰能力。

建议“电子企业”在新购入设备时参考Semi

F47-0200，提出抗电压暂降能力的要求，合理安排生产计划，降低设备对电压暂降的敏感度，使较轻或持续时间很短的电压暂降发生时设备不跳闸或停机，从而减少电暂降降的影响。

4 结论

针对某电子生产企业(包含有敏感负荷)监测到的电压暂降事件，供用双方认真探讨并形成一致意见：1）电网运行中系统得电压暂降事件在客观上是不能完全避免的，但在用户侧采用有效措施后可防止此事件对正常生产运行的影响。

2）建议新上电子企业时，电子企业要在其关键流程设备处加装了UPS、DVR等装置，电网企业要严格审查。

3）建议完善量化电压暂降相关标准，对供电企业、电力用户、电力设备制造业发挥指导和规范作用。

参考文献

[1] IEEE．Recommended practice for monitoring electric power quality：

IEEE Std 1159-1995[S]．Piscataway，New Jersey：1995．

[2] AngeloBaggini．电能质量手册[M]．北京：中国电力出版社，2010．

[3] 陶顺．现代电力系统电能质量评估体系研究[D]．北京：华北电力

大学，2008．

[4] BOLLEN M H J．Understanding power quality problems：voltage sags

and interruptions[M]．New Jersey：John Wiley & Sons，Inc，2000：1-34．

[5] Semiconductor equipment and material international(SEMI)．SEMI

F47-0200，specification for semiconductor processing equipment voltage say immunity[S]．Washington，DC：Semiconductor Equipment and Materials Council，2000．

[6] IEEE．IEEE recommended practice for the design of reliable industrial

and commercial systems：IEEE Std 493-2007 (Revision of IEEE Std．493-1997)[S]．Piscataway，New Jersey：2007．

收稿日期：2016-06-11。

作者简介：

苗竹梅(19)，女，高级工程师，长期从事无功电压及电能质量工作，zhumeimiao@163.com；

王冲(1987)，男，硕士，工程师，主要从事电压无功及电能质量专业管理方面的工作，374282116@qq.com。

(编辑龚玉敏)