汽車工廠焊接車間供配電方案研究

凌 華

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

隨著我國汽車制造企業(yè)的迅速發(fā)展，汽車整車工廠的規(guī)模越來越大，制造工藝也越來越先進(jìn)，四大工藝對供配電系統(tǒng)的供電質(zhì)量、供電可靠性、系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性提出了更高的要求。四大工藝中尤其以焊接工藝對配電要求特別高，供電質(zhì)量差不僅會(huì)影響整車焊接質(zhì)量，而且焊接車間的負(fù)荷特殊性又會(huì)對電網(wǎng)造成較大沖擊，影響其他設(shè)備正常運(yùn)行。此外，如焊接車間的供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，將會(huì)造成企業(yè)投資增加、擴(kuò)建困難、運(yùn)行成本增加等。作為汽車企業(yè)的一名電氣工程師，筆者曾經(jīng)全程經(jīng)歷幾個(gè)產(chǎn)能30萬輛／年的汽車生產(chǎn)基地建設(shè)項(xiàng)目以及多條40JPH焊接線建設(shè)工程的設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試、達(dá)產(chǎn)全過程，積累了一些經(jīng)驗(yàn)，下面就汽車工廠焊接車間供配電系統(tǒng)方案的規(guī)劃設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題談一下個(gè)人的體會(huì)。

1 焊接車間供電系統(tǒng)總?cè)萘恳?guī)劃

焊接作為汽車整車工廠生產(chǎn)的四大工藝之一，不同于其他三大工藝，剛性強(qiáng)，多品種車型的通用性差，產(chǎn)品每一次更新?lián)Q代，都需要更新車間內(nèi)大量的專用設(shè)備和生產(chǎn)工藝，對于市場需求旺盛的產(chǎn)品，通常又會(huì)對該產(chǎn)品焊接線進(jìn)行產(chǎn)能提升改造，增加焊機(jī)設(shè)備的安裝容量。這樣就可能會(huì)出現(xiàn)用電設(shè)備總安裝容量大幅增加，導(dǎo)致供配電系統(tǒng)容量無法滿足工藝用電要求。而一般供配電系統(tǒng)生命周期約為20年，甚至更長，如工程投入使用后不久就因用電設(shè)備的大量增加而需要擴(kuò)容改造，將導(dǎo)致無謂的重復(fù)投資。但如果過度考慮用電設(shè)備的擴(kuò)張，又可能造成工程投運(yùn)后供配電系統(tǒng)負(fù)荷率長期過低的現(xiàn)象，其實(shí)亦是一種資源的浪費(fèi)。因此，在焊接車間供配電系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)時(shí)，應(yīng)與工藝規(guī)劃充分溝通，了解焊接車間的總體規(guī)模、運(yùn)行模式及最大產(chǎn)能，供配電系統(tǒng)容量既要保證當(dāng)時(shí)焊接生產(chǎn)線的用電需求，又要為將來的新產(chǎn)品焊接線和產(chǎn)能提升作適當(dāng)預(yù)留，但又不至于超容量設(shè)計(jì)導(dǎo)致企業(yè)投資增加。

例如某汽車工廠焊接車間建設(shè)規(guī)模為4條焊接主線（包括前車體、下車體、總拼、左側(cè)圍、右側(cè)圍），4條門蓋線，2條調(diào)整線，每條焊接線生產(chǎn)節(jié)拍均為40JPH。因受調(diào)整線的產(chǎn)能牽制，該焊接車間的最大生產(chǎn)節(jié)拍也僅能達(dá)到80JPH，最大運(yùn)行模式為任意2條焊接主線和任意2條門蓋線同時(shí)生產(chǎn)，因此，對于供配電系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)通常只需考慮2條焊接主線和2條門蓋線工藝設(shè)備的用電量，并適當(dāng)預(yù)留備用容量。

2 焊接車間的負(fù)荷組成及特性

焊接車間的工藝設(shè)備負(fù)荷80%以上是焊機(jī)，主要包括懸掛式點(diǎn)焊機(jī)、凸焊機(jī)、CO2保護(hù)焊機(jī)、螺桿焊機(jī)、機(jī)器人焊機(jī)等，其中90%為懸掛式點(diǎn)焊機(jī)，這類點(diǎn)焊機(jī)容量通常為150kVA、180kVA，單機(jī)容量大，且數(shù)量多，一般一條40JPH車身線配置200臺(tái)左右，電壓是單相380V，功率因數(shù)0．6，為電抗器感性負(fù)荷，工作時(shí)間50～200ms，是典型的非線性沖擊性負(fù)荷，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波及無功功率。

焊接車間其他負(fù)荷由包邊機(jī)、輸送設(shè)備及其控制系統(tǒng)，三坐標(biāo)、打碼機(jī)、涂膠機(jī)、機(jī)器人控制系統(tǒng)等工藝設(shè)備及空調(diào)、風(fēng)扇、照明等公用設(shè)備組成，這些設(shè)備極易受到電網(wǎng)質(zhì)量的影響，而由于點(diǎn)焊機(jī)焊接時(shí)產(chǎn)生較大的電壓波動(dòng)和閃變，會(huì)對以上設(shè)備產(chǎn)生較大影響，小則停機(jī)、停線、影響設(shè)備壽命，大則誤動(dòng)作造成事故。

3 焊接車間的負(fù)荷計(jì)算

3．1 點(diǎn)焊機(jī)暫載率（負(fù)荷持續(xù)率）的取值

焊接車間的負(fù)荷主要是焊機(jī)，故主要進(jìn)行焊機(jī)的負(fù)荷計(jì)算。焊接車間在進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算（變電所及干線）時(shí)，點(diǎn)焊機(jī)暫載率的取值是個(gè)焦點(diǎn)問題。根據(jù)焊接工藝，一般的薄板焊接約5～10個(gè)周波（0．1～0．2s），厚的板材約10～15個(gè)周波（0．2～0．3s），2次通電間隔約為2s，相當(dāng)于暫載率在8%～15%之間。而點(diǎn)焊機(jī)的額定暫載率標(biāo)稱為50%，兩者相差甚遠(yuǎn)，如果以額定暫載率進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，得出的結(jié)果與實(shí)際負(fù)荷必然出現(xiàn)極大的偏差，導(dǎo)致變壓器選擇過大。因此計(jì)算時(shí)可根據(jù)各工程情況，暫載率取值在10%～15%之間。

3．2 焊機(jī)類負(fù)荷需要系數(shù)的確定

在進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算時(shí)，對于焊機(jī)類設(shè)備需要系數(shù)的選擇，目前主要依據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊》，點(diǎn)焊機(jī)需要系數(shù)Kx取0．35。但是對于汽車工廠的焊接車間，不能盲目應(yīng)用該數(shù)據(jù)，還需要對生產(chǎn)工藝進(jìn)行了解和分析。我們知道，焊接線的負(fù)荷大小就在于多少臺(tái)焊機(jī)同時(shí)工作，其尖峰負(fù)荷也就是最大焊機(jī)工作數(shù)時(shí)的工作負(fù)荷。由于受到人員工作的熟練程度、前后工序的復(fù)雜程度、工件在工位之間的輸送方式等因素的影響，同時(shí)投入工作的焊機(jī)數(shù)量是不確定的。根據(jù)工程實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，采用傳統(tǒng)輸送方式即工位間人工電動(dòng)葫蘆輸送，焊機(jī)投入運(yùn)行的數(shù)量在時(shí)間上分布相對均勻；而采用自行小車統(tǒng)一輸送的方式，由于開始焊接的時(shí)間較為一致，焊接時(shí)間比較集中，焊機(jī)同時(shí)使用系數(shù)比較高，往往導(dǎo)致焊接的沖擊電流很大，就會(huì)造成焊接線負(fù)荷偏離平均值過大。因此，應(yīng)根據(jù)輸送方式的不同，考慮一定的負(fù)荷修正系數(shù)，得出焊接線的計(jì)算負(fù)荷，避免出現(xiàn)過負(fù)荷現(xiàn)象。

3．3 柔性焊接生產(chǎn)線的負(fù)荷計(jì)算

對于多產(chǎn)品混線的柔性焊接生產(chǎn)線的負(fù)荷計(jì)算，不能單純根據(jù)工藝提供的平面布置圖及設(shè)備清單進(jìn)行。應(yīng)與工藝溝通清楚，哪些為共用拼臺(tái)焊機(jī)，哪些為單一產(chǎn)品的專用拼臺(tái)焊機(jī)，因?yàn)閷Ｓ闷磁_(tái)焊機(jī)只有生產(chǎn)某一產(chǎn)品時(shí)才投入使用。表1為某柔性焊接線焊機(jī)設(shè)備清單。

表1 柔性焊接線焊機(jī)設(shè)備清單

可見，該柔性焊接線的總焊機(jī)數(shù)量共282臺(tái)，但實(shí)際上投入運(yùn)行的焊機(jī)最大數(shù)量為生產(chǎn)產(chǎn)品2時(shí)共183臺(tái)，如果按282臺(tái)焊機(jī)全部投入使用進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，將會(huì)造成配電系統(tǒng)容量過大，而實(shí)際的生產(chǎn)負(fù)荷遠(yuǎn)小于計(jì)算負(fù)荷。這樣不僅會(huì)帶來巨大的投資浪費(fèi)，而且加大了配電系統(tǒng)的損耗，增加了運(yùn)行成本。

4 變電所設(shè)計(jì)

4．1 合理設(shè)置變電所

根據(jù)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果選擇變壓器的容量與數(shù)量，為了便于控制，通常結(jié)合工藝規(guī)劃的分區(qū)設(shè)置變電所。變電所均采用組合式變電所，以節(jié)省空間，變壓器采用干式變壓器，并設(shè)置變電所鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)。

對于較易受到電網(wǎng)質(zhì)量影響的設(shè)備，如焊接機(jī)器人控制電源、輸送設(shè)備的PLC控制柜、三坐標(biāo)設(shè)備、照明及公用設(shè)備，可考慮設(shè)置一臺(tái)專用變壓器，以避免焊機(jī)引起的電壓波動(dòng)和諧波干擾。

4．2 變電所的選址

變電所選址是供配電設(shè)計(jì)是否合理的關(guān)鍵，如果低壓母線或電纜供電半徑過長，會(huì)導(dǎo)致線損嚴(yán)重，電壓降過大，影響供電質(zhì)量。為了減少低壓線路的損耗及投資，應(yīng)盡可能使變電所設(shè)置于負(fù)荷中心。焊接車間各工藝生產(chǎn)區(qū)域的連接是非常緊密的，因此在變電所選址時(shí)，應(yīng)結(jié)合焊接車間的生產(chǎn)線建設(shè)及管理實(shí)際，與生產(chǎn)線相配合。變電所一般選擇在擺放物料相對較少且工藝鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)高較低的生產(chǎn)線區(qū)域，如前車體或側(cè)圍線區(qū)域上方，這樣既節(jié)省空間，又能達(dá)到節(jié)省投資和節(jié)能的目的。

4．3 無功補(bǔ)償投切

為了提高低壓配電系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低線損，增加變壓器的負(fù)載能力，通常在配電變壓器低壓側(cè)采用低壓并聯(lián)電容器裝置進(jìn)行無功集中補(bǔ)償。

焊裝車間的大部分負(fù)荷由點(diǎn)焊機(jī)組成，為單相380V負(fù)荷，具有變化快、沖擊強(qiáng)、不對稱、諧波大的特點(diǎn)。傳統(tǒng)補(bǔ)償采用三相對稱靜態(tài)補(bǔ)償?shù)姆绞剑▓D1），即三相同時(shí)投切，同時(shí)補(bǔ)償，而焊機(jī)負(fù)荷需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率不同，這樣勢必造成某一相補(bǔ)償量不足或某一相過補(bǔ)償。此外，傳統(tǒng)的補(bǔ)償采用接觸器投切補(bǔ)償電容器，動(dòng)作速度慢，而點(diǎn)焊機(jī)一般工作周期在50～200ms，當(dāng)補(bǔ)償控制器檢測出要投切的電容器數(shù)量時(shí)，接觸器還未來得及動(dòng)作點(diǎn)焊機(jī)已結(jié)束工作，從而造成補(bǔ)償裝置投切不準(zhǔn)確，達(dá)不到正常的補(bǔ)償效果，影響產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。因此，焊接負(fù)荷的無功補(bǔ)償必須采用分相動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式（圖2）。分相動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置采用三相獨(dú)立控制技術(shù)，可根據(jù)負(fù)荷無功功率變化進(jìn)行分相檢測、分相補(bǔ)償、自動(dòng)投切，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間≤20ms。可采用自動(dòng)循環(huán)投切方式，全工況下功率因數(shù)不低于0．95。適用于各種不對稱沖擊性負(fù)荷，尤其適合焊接負(fù)荷的快速補(bǔ)償。

圖1 靜態(tài)補(bǔ)償一次系統(tǒng)圖

圖2 分相動(dòng)態(tài)補(bǔ)償一次系統(tǒng)圖

5 焊接車間的配電設(shè)計(jì)

5．1 母線布置

焊接車間配電方案一般采用干線式，干線采用插接母線，母線設(shè)置在負(fù)荷中心，一般可沿生產(chǎn)線工藝鋼結(jié)構(gòu)的邊梁敷設(shè)，這樣既可以縮短設(shè)備配電的出線，避免電壓降過大影響焊接質(zhì)量，又可以節(jié)省投資。對采用工藝吊架不合理的地方，可跨柱或沿梁敷設(shè)，但應(yīng)注意與結(jié)構(gòu)協(xié)商預(yù)留吊點(diǎn)。另外，母線布置應(yīng)避開輸送平臺(tái)，并與壓縮空氣管道、動(dòng)力管道統(tǒng)一匯總，避免相互干涉。

需要注意的是，容易受到電網(wǎng)質(zhì)量影響的設(shè)備，如焊接機(jī)器人、控制電源等，不能由焊接母線直接供電，焊接機(jī)器人所配的焊機(jī)可接至焊接母線。

5．2 點(diǎn)焊機(jī)配電

點(diǎn)焊機(jī)為單相380V，應(yīng)均勻分配到三相上，即接到AC、BC、CA相上，使各相的負(fù)荷盡量接近，達(dá)到三相平衡。

因點(diǎn)焊機(jī)為斷續(xù)工作制，點(diǎn)焊機(jī)的額定容量不能直接用于保護(hù)電器和導(dǎo)線的選擇，必須將其轉(zhuǎn)換為負(fù)載持續(xù)率ε＝100%時(shí)的有功功率，再進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。選擇配電導(dǎo)線和電纜時(shí)，既要考慮導(dǎo)體載流量與保護(hù)電器的配合，也要考慮電焊設(shè)備斷續(xù)工作制這一因素。因此，導(dǎo)線選擇時(shí)既要滿足導(dǎo)體允許持續(xù)載流量大于低壓斷路器的額定電流，又要滿足導(dǎo)體允許斷續(xù)載流量不小于用電設(shè)備在額定負(fù)載持續(xù)率下的額定電流。

5．3 輸送線設(shè)備配電

焊接車間輸送系統(tǒng)的主要設(shè)備包括自行小車、積放鏈、滑撬、自動(dòng)吊具等，焊接車間輸送系統(tǒng)大部分負(fù)荷由許多小電機(jī)組成，一般按工藝分區(qū)控制。常出現(xiàn)的問題是工藝所提用電需求為每個(gè)分區(qū)的總?cè)萘?，即把所有電機(jī)容量簡單相加，通常還乘以一個(gè)1．2～1．4的（預(yù)留）系數(shù)，而實(shí)際上輸送系統(tǒng)的很多電機(jī)是不同時(shí)使用的，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行電流比設(shè)計(jì)容量小很多。根據(jù)工程項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，某焊接線工藝所提出的自行小車PLC輸送控制柜的容量為250A，但實(shí)際運(yùn)行最大電流不超過50A，平均電流則更小，出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，顯然，這種負(fù)荷計(jì)算方式是不合理的。因此，輸送系統(tǒng)的配電設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)各工程情況考慮輸送設(shè)備的同時(shí)系數(shù)。

6 照明設(shè)計(jì)

6．1 燈具選型

焊接車間廠房屬于高大工業(yè)廠房，無特殊要求時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用金屬鹵化物燈為代表的高強(qiáng)度放電燈，因?yàn)榻饘冫u化物燈具有光效高、顯色性好、壽命長等特點(diǎn)，適用于大面積場所照明。焊接車間廠房一般為10～12m的單層廠房，常采用250W、400W2種光源。焊接生產(chǎn)線對照明的要求比較高，一般照度為300～500lx，而生產(chǎn)線工藝鋼結(jié)構(gòu)一般在5m高左右，考慮到踏臺(tái)高度，一般凈空為3～4m。因此，工位照明可采用高效節(jié)能型熒光燈，如T5、T8型熒光燈。生產(chǎn)時(shí)焊接線工藝鋼結(jié)構(gòu)有振動(dòng)，曾發(fā)生過燈管掉落事故，故應(yīng)考慮選用帶防護(hù)罩的燈具。

6．2 燈具布置

焊接車間生產(chǎn)線布置較緊湊，因此廠房布燈時(shí)宜采用廠房一般照明與通道照明、生產(chǎn)線照明相結(jié)合的混合照明方式，廠房的一般照明按通道布置。

6．3 照明控制

為了便于車間管理及節(jié)能，應(yīng)按工段或生產(chǎn)線工藝流程進(jìn)行照明分區(qū)控制，在每條焊接線區(qū)域設(shè)置一臺(tái)照明總配電箱，前車體、下車體、總拼、左側(cè)圍、右側(cè)圍分別設(shè)置1～2臺(tái)照明控制箱，每個(gè)開關(guān)控制一個(gè)工位的照明燈，控制箱要設(shè)置在便于工作人員操作的通道上。

7 結(jié)語

以上內(nèi)容均為個(gè)人參與多個(gè)焊接車間建設(shè)項(xiàng)目后對焊接車間供配電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的一些經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，希望能為同行提供借鑒。

［1］中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院．工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊．第3版．北京：中國電力出版社，2005