國(guó)內(nèi)制造車(chē)間主要供電缺陷

　　說(shuō)到制造車(chē)間供電質(zhì)量，傳統(tǒng)上認(rèn)為國(guó)內(nèi)三相AC400V供電存在著“電壓波動(dòng)大”和“諧波嚴(yán)重”的問(wèn)題，因此，這也是很多用戶(hù)給NC設(shè)備前端安裝穩(wěn)壓器的主要原因。但是，從目前實(shí)際來(lái)看，上述供電質(zhì)量問(wèn)題并不是目前CNC制造車(chē)間供電質(zhì)量的主要問(wèn)題，因此也不是影響CNC設(shè)備產(chǎn)生故障的主要原因。

　　從大量CNC制造車(chē)間的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際供電監(jiān)測(cè)情況來(lái)看（接入專(zhuān)業(yè)電網(wǎng)檢測(cè)分析儀器在線(xiàn)24h不間斷地監(jiān)測(cè)一段時(shí)間），只要車(chē)間內(nèi)沒(méi)有大的電感設(shè)備（如高頻感應(yīng)式熱處理設(shè)備）、“電壓波動(dòng)”、“系統(tǒng)諧波”及“頻率誤差”等問(wèn)題，一般還都是正常的或者說(shuō)并不嚴(yán)重，并不是主要問(wèn)題，而反映出來(lái)目前制造車(chē)間的三相AC400V供電系統(tǒng)的主要供電質(zhì)量缺陷是“電壓跌落”和“電壓瞬變”。

　　“電壓跌落”也稱(chēng)為“電壓驟降”、“電壓下跌”或者“電壓凹陷”。其是指供電電壓均方根值在短時(shí)間內(nèi)突然下降到額定電壓幅值的90%，甚至降到10%，典型持續(xù)時(shí)間為0.5～30個(gè)周波的一種現(xiàn)象。而“電壓瞬變”則是在短時(shí)間內(nèi)供電電壓幅值發(fā)生瞬時(shí)變化，不一定是電壓下降，還可能是電壓超高，或單相變化或三相都變化且不均衡。發(fā)生“電壓瞬變”時(shí)，不但變化的幅值大，且發(fā)生的頻次也很高，有時(shí)一天能有數(shù)百次之多。

　　“電壓跌落”和“電壓瞬變”與一般意義上的“電壓波動(dòng)”有很大的區(qū)別。一般所說(shuō)的“電壓波動(dòng)”是指電壓比較緩慢的變化（如數(shù)秒到數(shù)分鐘不等）且三相變化比較均衡，這種較為緩慢的電壓變化可以用普通電壓表進(jìn)行測(cè)量，由于現(xiàn)代CNC系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)都設(shè)計(jì)有較寬的電壓輸入范圍，所以這種緩慢但又是在范圍內(nèi)的變化實(shí)際上對(duì)CNC設(shè)備并無(wú)實(shí)質(zhì)性的影響。

　　而“電壓跌落”和“電壓瞬變”這兩種供電缺陷實(shí)際上對(duì)CNC設(shè)備的影響卻很大。它們都具有“幅值變化大，時(shí)間短促（數(shù)毫秒到數(shù)百毫秒），三相變化不均衡，可能伴隨相位跳變”等特點(diǎn)，并且上述兩種供電缺陷很難被察覺(jué)：由于時(shí)間非常短，人的感觀(guān)無(wú)法覺(jué)察，而使用如萬(wàn)用表之類(lèi)的一般測(cè)量?jī)x器根本無(wú)法捕捉到，只有專(zhuān)用儀器才可以識(shí)別（見(jiàn)圖1～圖3）。

圖1 三相電壓跌落的幅度

　　圖2 三相電壓瞬變的幅度

　　圖3 一天內(nèi)電壓瞬變的次數(shù)

　　而目前國(guó)內(nèi)針對(duì)這兩種供電缺陷的研究還非常缺乏，對(duì)于其產(chǎn)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)還停留在“雷擊”和“輸電線(xiàn)路短路故障”等，但實(shí)際在CNC制造車(chē)間頻繁出現(xiàn)這些供電缺陷的同時(shí)并沒(méi)有什么“雷擊”或者“短路故障”發(fā)生。既然沒(méi)有機(jī)理上的清晰認(rèn)識(shí)，則更談不上應(yīng)用于制造車(chē)間層級(jí)的解決方案。而國(guó)內(nèi)制造用戶(hù)對(duì)此供電缺陷或者根本不知，或者不予理睬，或者給CNC設(shè)備前端大量安裝穩(wěn)壓器，總體成本不菲。

　　值得注意的是，在發(fā)達(dá)的工業(yè)化國(guó)家中，“電壓跌落”和“電壓瞬變”引起70%～90%的電能質(zhì)量問(wèn)題。據(jù)報(bào)道：在歐洲，由此引起的用戶(hù)投訴占整個(gè)供電質(zhì)量問(wèn)題的80%以上，而由“諧波”引起的投訴不到20%。而就國(guó)內(nèi)很多CNC制造車(chē)間供電的監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，正好也反映了這種趨勢(shì)。這說(shuō)明，隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)化的進(jìn)程，與發(fā)達(dá)國(guó)家一樣，目前供電缺陷的實(shí)質(zhì)性因素在國(guó)內(nèi)很多場(chǎng)所已經(jīng)發(fā)生了根本性的變化。

電壓跌落和瞬變對(duì)CNC設(shè)備的影響

　　從實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，電壓跌落的幅值有時(shí)候是非常大的，例如：在某次監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)相電壓AC230V有時(shí)能跌落到只有20V左右，而電壓瞬變則可能瞬間電壓升得很高，例如標(biāo)準(zhǔn)相電壓AC230V有時(shí)能沖高到680V左右。值得慶幸的是，上述這樣大幅度的變化往往時(shí)間很短，只有幾個(gè)毫秒到十幾個(gè)毫秒。但是一旦此類(lèi)情況持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)（如幾十到數(shù)百毫秒），就會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

　　例如：數(shù)控系統(tǒng)的PCU或者NCU其實(shí)就是一臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)，通過(guò)一個(gè)交直電源和電網(wǎng)連接，其原理和普通PC類(lèi)似，當(dāng)輸入電壓下降到額定的70%以下并持續(xù)超過(guò)20ms，部分PC就很可能就無(wú)法工作，或者發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或者出錯(cuò)，造成CNC系統(tǒng)的報(bào)警、數(shù)據(jù)丟失及RAM紊亂等情況。

　　CNC機(jī)床普遍采用的交流伺服系統(tǒng)也會(huì)受到電壓跌落的影響。比較輕微的表現(xiàn)就是“跳閘”或者“電機(jī)速度波動(dòng)”，會(huì)影響CNC加工零件表面質(zhì)量。而如果由于電壓非均勻跌落導(dǎo)致三相相位的跳變，則比較嚴(yán)重，甚至能引起伺服驅(qū)動(dòng)電源部分的損壞。

　　而電壓瞬變則會(huì)瞬間產(chǎn)生超高的電壓，雖然時(shí)間很短，但是頻繁的超高壓可能會(huì)造成元器件的損傷，造成元器件的提前損壞。更嚴(yán)重地也可能會(huì)產(chǎn)生三相相位的錯(cuò)亂，造成電源整流器件IGBT的損壞。大量實(shí)際案例說(shuō)明此類(lèi)問(wèn)題有相當(dāng)比例。

車(chē)間配電系統(tǒng)的短路容量

　　在配電設(shè)計(jì)里，“系統(tǒng)故障級(jí)”（system faultlevel）是一個(gè)非常重要的配電設(shè)計(jì)指標(biāo)，但在實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，這個(gè)指標(biāo)往往被忽視。

　　“系統(tǒng)故障級(jí)”在國(guó)內(nèi)一般被稱(chēng)為“短路功率”或者“短路容量（short-circuitpower）”，為避免引起歧義，以下以“短路容量”名詞為準(zhǔn)。

　　表面上看，短路容量是配電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)保護(hù)器件（如熔斷器等）選擇的依據(jù)，并決定著其他連接設(shè)備的經(jīng)濟(jì)限度。但更深的含義是：短路容量直接影響著供電的質(zhì)量，影響著供電缺陷的程度和頻次，對(duì)于CNC機(jī)床的可靠運(yùn)行來(lái)說(shuō)非常重要。而現(xiàn)在普遍對(duì)于這一點(diǎn)是認(rèn)識(shí)不足的。

　　從供電專(zhuān)業(yè)角度講，當(dāng)一個(gè)電網(wǎng)足夠大時(shí)，電壓跌落、瞬變及諧波等供電缺陷就會(huì)自然消失。反之，如果電網(wǎng)容量太小，任何稍微大一__些負(fù)載的接入或斷開(kāi)就會(huì)比較明顯地影響到系統(tǒng)整體的電壓。這實(shí)際上就是電網(wǎng)越大越平穩(wěn)的原因。同樣地，對(duì)于某個(gè)低壓配電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)較低的短路容量導(dǎo)致的配電系統(tǒng)中電壓跌落和電壓瞬變這些供電缺陷比較多，也會(huì)伴隨著電壓波動(dòng)、諧波等其他問(wèn)題?！岸搪啡萘刻　睂?shí)際上是目前CNC制造車(chē)間供電質(zhì)量缺陷的主要原因。

　　從安全的角度講，短路容量比較高，當(dāng)發(fā)生接地短路故障時(shí)，由于短路電流較大，熔斷器（或斷路器）能盡快地熔斷（斷開(kāi)），起到保護(hù)作用。而短路容量比較低則增加了斷路器的反應(yīng)時(shí)間，可能導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間過(guò)電流，增加了火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。短路容量較大帶來(lái)的問(wèn)題就是短路電流較大，對(duì)熔斷器等保護(hù)器件設(shè)計(jì)要求提高，會(huì)增加相應(yīng)的成本。

　　由此看出，短路容量這個(gè)指標(biāo)非常重要，需要從降低供電質(zhì)量缺陷和降低短路電流沖擊的兩個(gè)不同的角度找到一個(gè)合理的平衡。

　　一個(gè)車(chē)間配電系統(tǒng)的短路容量與母排電阻和電抗有關(guān)，但主要取決于變壓器的特性。一般來(lái)講，工廠(chǎng)內(nèi)的架空線(xiàn)為AC10kV或者6kV，然后車(chē)間用降壓變壓器將其降低為AC400V供廠(chǎng)房?jī)?nèi)設(shè)備使用。如果一個(gè)廠(chǎng)房的配電全部來(lái)自于一個(gè)變壓器，則有大致的公式可以估算車(chē)間配電系統(tǒng)的短路容量S k=變壓器額定功率Pn÷變壓器的短路阻抗Uk

　　由此可知，短路容量和變壓器的額定功率成正比，和變壓器的短路阻抗成反比。同樣的短路阻抗情況下，額定功率越大，短路容量越大；同樣額定功率情況下，短路阻抗越小，短路容量越大。

　　只要有足夠的短路容量，在這個(gè)變壓器所供電的配電系統(tǒng)中供電質(zhì)量就基本上有保證，反之則會(huì)出現(xiàn)較多的問(wèn)題。而如果一個(gè)車(chē)間有若干個(gè)變壓器供電，則需要每個(gè)變壓器的短路容量都合適，否則那個(gè)不合適的變壓器所供電的配電系統(tǒng)中的供電就有問(wèn)題。

　　所以，從開(kāi)始配電設(shè)計(jì)就選擇合適的供電變壓器是最好、最根本的解決方案。給每臺(tái)CNC設(shè)備單獨(dú)安裝穩(wěn)壓器當(dāng)然也是一個(gè)解決方案，但是由于設(shè)備數(shù)量多，并且穩(wěn)壓器成本要比同功率的變壓器成本高得多，無(wú)疑總成本要高很多，并且這種辦法依舊不能解決總母線(xiàn)上的供電缺陷問(wèn)題。所以說(shuō)，選擇安裝合適的總供電變壓器而不再給每臺(tái)CNC設(shè)備安裝穩(wěn)壓器實(shí)際上成本更低，效果更全面。

　　需要指出的是：如果車(chē)間廠(chǎng)房剛開(kāi)始時(shí)設(shè)備不多，但是隨后不斷增加新的設(shè)備，而超出了原來(lái)的配電設(shè)計(jì)能力，也需要繼續(xù)增加變壓器數(shù)量或者更換更大功率的變壓器，以繼續(xù)維持足夠的短路容量。

CNC制造車(chē)間變壓器的選擇

　　一般地從傳統(tǒng)意義上講，配電變壓器選擇的依舊主要是考慮變壓器的負(fù)荷率。但是CNC制造車(chē)間的變壓器選擇出發(fā)點(diǎn)首先是“盡量保證供電質(zhì)量”。

　　從保證供電質(zhì)量出發(fā)，在不考慮其他負(fù)載的情況下，僅考慮CNC機(jī)床的交流伺服系統(tǒng)，則配電系統(tǒng)的短路容量應(yīng)該是各CNC機(jī)床伺服電源模塊額定功率總和的70倍以上，考慮“同時(shí)系數(shù)”，可以略有縮小，系數(shù)為0.73。

　　例如：車(chē)間有20臺(tái)CNC機(jī)床，全部是55kW的再生饋電式電源模塊，則總電源模塊功率是20×55=1 100（kW），則車(chē)間配電系統(tǒng)的最小短路功率：Sk=1 100×70×0.73=56 210（kVA）。如果選擇的變壓器的短路阻抗為4%，則變壓器的額定功率Pn=56 210×0.04=2 248（kVA）。如果考慮機(jī)床實(shí)際上還有少量其他一般性如液壓泵、排屑器等負(fù)載（例如總計(jì)為300kW左右），總數(shù)增加到2500kVA左右。而車(chē)間變電所單臺(tái)變壓器一般不超過(guò)1 250kVA，則此車(chē)間應(yīng)該至少使用2臺(tái)阻抗為4%的額定功率為1 250kVA的變壓器平均分配供電。

　　可見(jiàn)，對(duì)傳統(tǒng)車(chē)間僅考慮負(fù)荷率的方法是不適合CNC制造車(chē)間的。

　　對(duì)于CNC制造車(chē)間要把“考慮供電質(zhì)量”作為首先要考慮的，對(duì)此應(yīng)該有一個(gè)認(rèn)識(shí)上的突破。

變壓器的短路阻抗

　　從上述描述中可以知道，變壓器的短路阻抗Uk（也稱(chēng)為“阻抗電壓”或“短路電壓”）實(shí)際上是一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)，但很多配電設(shè)計(jì)人員經(jīng)常忽視這個(gè)指標(biāo)的重要性。

　　短路阻抗Uk是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。Uk越大，電壓壓降和電壓變化率越大，反映出來(lái)“電壓跌落”和“電壓瞬變”這些缺陷越多，供電質(zhì)量越差，那么對(duì)CNC設(shè)備的影響就越明顯，但是如果發(fā)生負(fù)載短路情況，變壓器所承受的短路電流沖擊也越小。反之，Uk越小，變壓器輸出電壓壓降和電壓變化率越小，反映出來(lái)“電壓跌落”和“電壓瞬變”這些缺陷越少，供電質(zhì)量越好，那么對(duì)CNC設(shè)備的影響就越小，但是如果發(fā)生負(fù)載短路情況，變壓器所承受的短路電流沖擊也越大。當(dāng)然這只是理論可能性，實(shí)際上是，車(chē)間設(shè)備故障所引發(fā)的短路情況一般都影響不到變壓器那里，前端若干級(jí)的斷路器早就起到了保護(hù)作用。

　　之所以說(shuō)短路阻抗Uk非常重要，是因?yàn)槠淇此粕倭繋讉€(gè)百分點(diǎn)的差別，但是造成系統(tǒng)短路功率差異數(shù)倍。例如：一個(gè)額定功率400kVA的變壓器，Uk=4%時(shí)，Sk=10 000kVA；而如果當(dāng)其Uk=8%時(shí)，Sk=5 000kVA，車(chē)間配電系統(tǒng)的短路功率相差一倍，帶來(lái)的供電質(zhì)量就有較大的差別。

　　所以，看上去額定功率相同的變壓器的實(shí)際使用效果不一定是相同的。

　　既然短路阻抗Uk小一些比較好，為什么會(huì)在實(shí)際中有大量阻抗比較大的變壓器在使用呢？變壓器的阻抗本質(zhì)上是漏磁通所生成，鐵心尺寸越大，漏磁通越小，阻抗就越小，但是鐵心尺寸越大變壓器尺寸越大，成本就越高，占地面積也越大。因此，阻抗指標(biāo)可能會(huì)被人為地放大以到達(dá)降低成本的目的。

　　根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1094，車(chē)間供電最常用的1 250kVA規(guī)格以下的變壓器的Uk范圍是4%和5%。但是由于阻抗指標(biāo)不被重視，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)?？梢钥吹綐?biāo)稱(chēng)阻抗已經(jīng)大幅度超出此范圍的變壓器在使用，更有甚者，某些變壓器銘牌上根本就沒(méi)有此指標(biāo)。

真正的三相五線(xiàn)制

　　如果配電系統(tǒng)的短路功率已經(jīng)足夠大，不再是問(wèn)題，那么接下來(lái)就主要是接地的問(wèn)題了。

　　只要車(chē)間供電采用了三相五線(xiàn)制（TN-S）就肯定比用三相四線(xiàn)制（TN-C）好嗎？從理論上來(lái)說(shuō)當(dāng)然如此，但是實(shí)際中卻不是這樣。大量的實(shí)踐證明，采用TN-S和TN-C與CNC設(shè)備的各種電器故障并沒(méi)有直接的關(guān)聯(lián)。那又是怎么回事？

　　問(wèn)題的根源在于“有些所謂的三相五線(xiàn)制根本就不是真正的三相五線(xiàn)制”。

　　在三相五線(xiàn)制“TN-S”的定義中：“T”表示電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分直接接地，“N”表示電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分與電源接地點(diǎn)有直接的電氣連接，而“S”表示中性線(xiàn)N和地線(xiàn)PE是分開(kāi)的。車(chē)間的“電源接地點(diǎn)”就是車(chē)間變壓器的中性點(diǎn)，而變壓器中性點(diǎn)在變壓器房間內(nèi)肯定是有良好接地的。簡(jiǎn)單地一句話(huà)：只有和中性點(diǎn)可靠連接的PE才是真正的PE。對(duì)于三相五線(xiàn)制而言，CNC設(shè)備電柜一般只接入L1/L2/L3和PE而不接入N，如果PE和變壓器中性點(diǎn)有直接可靠的連接，則L1/L2/L3的線(xiàn)電壓是相對(duì)平衡和穩(wěn)定的；而如果PE和變壓器中性點(diǎn)并沒(méi)有直接可靠的連接而只是通過(guò)大地導(dǎo)通，由于這種導(dǎo)通阻抗的不確定性，則L1/L2/L3的線(xiàn)電壓就有可能出現(xiàn)超高的情況。一旦瞬時(shí)超過(guò)元器件耐壓，絕緣氣隙的設(shè)計(jì)要求，就會(huì)造成驅(qū)動(dòng)電器元器件的損壞。

　　換句話(huà)說(shuō)，如果三相四線(xiàn)制的PEN做得比較好，不但和中性點(diǎn)有可靠的連接，接地電阻也很小，則三相四線(xiàn)制也可以保證CNC設(shè)備良好地運(yùn)行。GB14050《系統(tǒng)接地的型式及安全技術(shù)要求》規(guī)定了正確的TN-S接線(xiàn)方法，如圖4所示。可見(jiàn)，PE和N雖然在布線(xiàn)過(guò)程中是分開(kāi)的，但是最終在變壓器中性點(diǎn)處是連接在一起的（也就是說(shuō)“有直接的電氣連接”），并且在此做了可靠的接地。而IEC61000標(biāo)準(zhǔn)的圖片則更為清晰地顯示了這一點(diǎn)（見(jiàn)圖5）：它不但指出了PE和N最終在變壓器中性點(diǎn)連接在一起，而且PE在布線(xiàn)過(guò)程中還要多次做重復(fù)接地，以降低接地電阻并更為安全。

圖4 GB14050中規(guī)定的TN-S接線(xiàn)圖

圖5 真假TN-S

　　實(shí)際中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，用戶(hù)在CNC車(chē)間供電設(shè)計(jì)時(shí)，將PE接地和變壓器中性點(diǎn)接地分隔開(kāi)，PE雖然也接地（例如在地溝中，或者在設(shè)備附近的地基泥土里），但是此接地和變壓器中性點(diǎn)并不直接由金屬導(dǎo)體連通（只是通過(guò)大地連通）。這種情況下，就會(huì)缺乏中性點(diǎn)的抑制平衡作用，L1/L2/L3線(xiàn)電壓超高的概率大大增加，CNC設(shè)備故障也就隨之上升。

　　對(duì)此的對(duì)策就是：從車(chē)間配電設(shè)計(jì)階段就弄清楚概念，做真正的三相五線(xiàn)制。并且，PE在布線(xiàn)過(guò)程中要多次做重復(fù)接地，既可以降低接地電阻，對(duì)操作人員來(lái)說(shuō)也更為安全。

結(jié)語(yǔ)

　　對(duì)CNC制造車(chē)間配電設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)應(yīng)該是“減少供電缺陷”。

　　而配電系統(tǒng)的“短路容量大小”和“接地質(zhì)量是否良好”是保證供電質(zhì)量的最根本因素，只要抓住了最根本的因素，CNC車(chē)間的供電質(zhì)量就有保證，就可以大幅度減少由于供電缺陷引起的CNC設(shè)備故障。

作者單位：西門(mén)子工廠(chǎng)自動(dòng)化工程有限公司西安辦事處

　　本文發(fā)表于《金屬加工（冷加工）》2016年第9期第73-77頁(yè)，版權(quán)歸金屬加工雜志社所有，如轉(zhuǎn)載注明來(lái)源。

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