電子半導體行業(yè)電能質(zhì)量監測與治理系統解決方案

摘要：本土半導體材料廠(chǎng)商不斷提升半導體產(chǎn)品技術(shù)水平和研發(fā)能力，逐漸打破了國外半導體廠(chǎng)商的壟斷格局，推進(jìn)中國半導體材料國產(chǎn)化進(jìn)程，促進(jìn)中國半導體行業(yè)的發(fā)展。半導體產(chǎn)品的制造使用到的設備如單晶爐、多晶爐等都是惡性的諧波源，這些設備產(chǎn)生的諧波會(huì )污染電力系統，影響系統的供電質(zhì)量。因此這些生產(chǎn)半導體的電子廠(chǎng)房需要一套系統解決方案，有效解決其產(chǎn)生的電能質(zhì)量問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：半導體行業(yè)；電能質(zhì)量；電能質(zhì)量監測與治理；系統解決方案

1引言

半導體是許多工業(yè)整機設備的核心，普遍應用于計算機、通信、消費電子、汽車(chē)、工業(yè)/醫療、軍事等核心領(lǐng)域。為鼓勵半導體材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，突破產(chǎn)業(yè)瓶頸，我國出臺等多項政策支持半導體行業(yè)發(fā)展，為半導體材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供良好的發(fā)展環(huán)境。半導體等電子廠(chǎng)房相較于其他工業(yè)類(lèi)廠(chǎng)房，主要特殊之處在于其潔凈等級要求高，光刻機、等離子注入機等精密設備的電源質(zhì)量和電壓等級要求高。生產(chǎn)半導體的廠(chǎng)房使用到的大部分電子產(chǎn)品采用了非線(xiàn)性的可控變流裝置、變頻調速裝置等負荷，其產(chǎn)生的諧波問(wèn)題導致了公用電網(wǎng)電能品質(zhì)降低。若不治理，不僅會(huì )影響設備的正常運行，嚴重時(shí)甚至會(huì )威脅患者的生命安全，因此對半導體廠(chǎng)房供配電系統電能質(zhì)量治理的深入分析研究勢在必行。

2諧波源分析

半導體芯片加工電子廠(chǎng)房生產(chǎn)制造配電系統,主要諧波負載為主要諧波源為單晶爐、多晶爐、各類(lèi)精密設備、照明及變頻通風(fēng)設備、計算機及UPS等。

目前大多數單晶爐是采用中頻感應電源加熱的工作方式，中頻電源主電路包括整流電路、濾波電路、單相橋式逆變電路和并聯(lián)諧振電路。其中整流電路采用三相全控橋式整流電路，作用是將三相50Hz工頻交流電壓整流成波動(dòng)的直流電壓。單晶爐的中頻電源產(chǎn)生諧波電流僅含(k=1,2,3…)次。

單晶爐、多晶爐、IC測試臺、PLC控制的機械手、芯片制造用的晶圓機或變頻控制的半導體機臺都會(huì )產(chǎn)生大量的諧波，他們不但會(huì )造成機臺設備自身的壞機現象，回流進(jìn)電網(wǎng)的諧波電流還會(huì )引起其它回路的發(fā)熱，電子開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作、供電電壓不穩，甚至生產(chǎn)線(xiàn)停線(xiàn)、半成品的報廢，其損失不可謂不大。而且高能設備如：外延設備、擴散設備、離子注入設備的頻繁加卸載，更加重了用電環(huán)境的惡化。

3諧波影響

3.1對電網(wǎng)的影響

導致電網(wǎng)功率消耗變大、設備試用時(shí)間降低、接地保護功能和遙控功能出現異常、線(xiàn)路與設備熱量變大等，特別是三次諧波導致非常大的中性線(xiàn)電流，造成配電變壓器零線(xiàn)電流大于相線(xiàn)電流數值，致使設備不能平穩運行。因此，諧波還能引發(fā)造成諧振在電網(wǎng)中發(fā)生，則會(huì )將運行正常的供電停止、情況嚴重、電網(wǎng)解裂等情況發(fā)生。諧振造成變電站局部并聯(lián)與串聯(lián)，致使電壓互感器設施損壞；造成變電站系統當中的設備與元件生成附加的諧波損耗，導致電力變壓器、電力電纜、電動(dòng)機等設備溫度上升，電容器損壞，進(jìn)而促進(jìn)了絕緣材料發(fā)生質(zhì)變的速率。

3.2對用電安全造成的影響

第一，失火造成災害。有些意外失火狀況的起因多數跟電力諧波有聯(lián)系?，F階段節能燈、調光器設施中關(guān)開(kāi)電源很普及，*初為了節約能源，之后這些設施卻產(chǎn)生了諧波源，導致電網(wǎng)的危險系數增加,中性線(xiàn)電流變大，嚴重的超出線(xiàn)電流，造成失火的潛在安全風(fēng)險。第二，有關(guān)設備損壞。電能質(zhì)量會(huì )影響繼電保護、計算機系統與精細儀器和機械等，造成其不能平穩運轉和操控，減少設施利用期限，進(jìn)而導致繼電保護錯誤操作出現可避免的意外損失，造成不同情況的干擾。第三，通信擾亂。其電網(wǎng)擾亂的主要因素為發(fā)生諧波，通過(guò)基本靜電感應和電磁感應，經(jīng)過(guò)通信線(xiàn)路導致聲頻混亂。其諧波頻率提升，則會(huì )有雜音問(wèn)題，通過(guò)通信線(xiàn)路上導致音頻混亂。

3.3 諧波對于電氣設備產(chǎn)生的影響

第一，電力電容器產(chǎn)生的影響。而電容器在電網(wǎng)無(wú)功配置容量中占有比重很大，其中少數電容器安排只參照無(wú)功補償量，不會(huì )參照裝置點(diǎn)電能質(zhì)量現實(shí)存在的污染狀況。惡劣情況下會(huì )出現串聯(lián)并聯(lián)諧振，造成電容器諧波過(guò)電壓與過(guò)電流，導致電容器開(kāi)裂；第二，變壓器產(chǎn)生影響。諧波電流在變壓器中發(fā)生，致使銅耗提高，造成局部過(guò)熱、震蕩、聲音變大、繞組附加過(guò)熱等；第三，同步發(fā)電機產(chǎn)生的影響。在系統里面的同步發(fā)電機中流入負序電流與諧波電流，造成多余的損耗，導致發(fā)電機局部過(guò)熱，絕緣力度降低。第四，自動(dòng)控制器產(chǎn)生的影響?，F如今，數字控制技術(shù)已投入到更加廣泛領(lǐng)域，諸多精細負載針對受電電能質(zhì)量指標有更高要求?；诖?，電能質(zhì)量被沾上臟物則會(huì )導致設備的監測模塊中引發(fā)畸變量、擾亂一般分解計算、造成出錯的輸出結果的損害。

4電子半導體行業(yè)電能質(zhì)量監測和治理系統解決方案

4.1行業(yè)特征

• 對電能質(zhì)量要求高:

• 負載中含有多種諧波源，配電諧波含量較高

• 諧波主要以6N土1次諧波為主

• 存在大量變頻設備，變頻設備之間存在相互諧振風(fēng)險.

4.2解決方案

半導體芯片制造業(yè)在國民經(jīng)濟中起著(zhù)舉足輕重的作用，相關(guān)企業(yè)的規模也越來(lái)越大，其供配電系統穩定、可靠的運維不僅是其安全生產(chǎn)的基本保證，還關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)的順利進(jìn)行。集成電路芯片制造關(guān)鍵設備多、工位器具多、工藝步驟繁多復雜。除供配電系統外，還需傳送系統、超純水凈化系統、真空系統、氣冷風(fēng)冷系統、特殊氣體分配系統來(lái)保證生產(chǎn)過(guò)程的順利實(shí)施以及關(guān)鍵設備的安全運行。由于整個(gè)工廠(chǎng)的生產(chǎn)條件*終通過(guò)電能供給來(lái)實(shí)現，因此半導體芯片制造對供電質(zhì)量要求特別高。

安科瑞電氣提出的電能質(zhì)量監測與治理系統解決方案可滿(mǎn)足電力監控管理、運維與電能質(zhì)量治理等方面的需求，致力于為高速公路行業(yè)用戶(hù)提供一站式的整體解決方案，從產(chǎn)品、系統、服務(wù)等不同方面來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)的需要，為用戶(hù)創(chuàng )造價(jià)值。

4.3方案特點(diǎn)

• 電能質(zhì)量監測與治理系統即可通過(guò)本地設備為用戶(hù)提供電能質(zhì)量監測、治理與設備運維等功能，亦可通過(guò)接入AcrelEMS-SEMI電站廠(chǎng)房能效管理平臺，為用戶(hù)提供遠程在線(xiàn)服務(wù)；

• 符合GB/T17626.30-2012中準確度測量方法，適用于要求準確測量電能質(zhì)量指標參數的場(chǎng)合；

• 專(zhuān)業(yè)化的電能質(zhì)量監測：電能質(zhì)量實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測，測量精度高、測得準，符合IEC61000-4-30標準；

• 電能質(zhì)量監測與治理裝置信息互聯(lián)，通過(guò)統一平臺管理，方便用戶(hù)同時(shí)監測電網(wǎng)電能質(zhì)量以及治理數據；

• 采用三電平電力電子驅動(dòng)器件，通過(guò)更多的電平輸出更高品質(zhì)的治理波形。

4.4方案效果

• 對電網(wǎng)電能質(zhì)量高精度的實(shí)時(shí)監控，包括電壓偏差、頻率偏差、諧波、電壓波動(dòng)、閃變、三相電壓不平衡等。同時(shí)可對故障事件進(jìn)行記錄，對監測點(diǎn)負荷曲線(xiàn)及電壓電流、電壓偏差、不平衡度、閃變等進(jìn)行趨勢分析，用戶(hù)可以通過(guò)系統查看發(fā)生告警的事件波形、趨勢分析，亦可根據監測點(diǎn)的電能質(zhì)量情況統計分析生成電能質(zhì)量診斷報告。

• 通過(guò)集中補償+就地補償的治理策略，更高效的補償整個(gè)數據中心的無(wú)功和諧波，提高數據中心內系統電能質(zhì)量、用電設備供電效率，大幅度降低設備故障率，達到數據中心內自動(dòng)化設備對電源質(zhì)量的要求，可有效解決諧波的干擾及誤跳閘問(wèn)題。

• 系統提供多維度的用電指標統計與電能數據分析工具，為配電系統運行管理優(yōu)化和節能損耗提供指導。

5安科瑞電能質(zhì)量監測與治理系統產(chǎn)品選型

5.1集中治理

電子廠(chǎng)房?jì)葧?huì )使用到如風(fēng)機、空調等等電器，這些電器分布較為分散，且單一的設備產(chǎn)生的諧波量較少，且為確保無(wú)功功率因數達到國標要求值，避免罰款，在配電房處對這些負載產(chǎn)生的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行集中治理，同時(shí)也可對整個(gè)低壓供配電系統進(jìn)行電能質(zhì)量在線(xiàn)監測，其中包含諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監測等，其集中治理的產(chǎn)品選型見(jiàn)表1。

表1電能質(zhì)量監測及集中治理產(chǎn)品選型表

5.2就地治理

電子廠(chǎng)房在生產(chǎn)半導體器件的過(guò)程中需要使用到可控變流裝置、變頻調速裝置等負荷，這些設備在運行過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的諧波污染電網(wǎng)，如果不從源頭治理會(huì )影響到電壓的畸變率，*終會(huì )造成其他負載的損壞。針對以上負載情況，建議在各重要設備的配電箱增加電能質(zhì)量補償設備進(jìn)行就地治理，達到終端治理諧波的目的，避免諧波影響到整個(gè)配電系統和其他用電設備。

表2 就地治理的產(chǎn)品選型

5.3電能質(zhì)量監測與治理系統

（1）平臺拓撲

電能質(zhì)量監測與治理系統系統平臺主要由電能質(zhì)量治理設備、物理網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器及服務(wù)終端四部分組成，其中電能質(zhì)量治理設備作為基礎實(shí)現對數據采集與電能質(zhì)量補償等，物理網(wǎng)關(guān)實(shí)現設備與服務(wù)器間的數據傳輸以及對設備進(jìn)行策略功能分配，數據經(jīng)由服務(wù)器*終以服務(wù)終端為媒介為用戶(hù)提供可視化展示。

（2）平臺展示

電能質(zhì)量監測與治理系統除作為本地終端為用戶(hù)提供電能質(zhì)量監測、治理與設備運維等功能外，亦可通過(guò)接入AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺，為用戶(hù)提供遠程在線(xiàn)服務(wù)。

功能展示-可視化管理

• 項目站點(diǎn)信息

• 廠(chǎng)區概況

• 配電房信息

• 配電房設備補償運行狀態(tài)

• 語(yǔ)音報警

• 故障信息彈窗

效果對比-治理分析

• 負載側2-31次諧波柱狀圖

• 電網(wǎng)側2-31次諧波柱狀圖

• 負載側各相電壓及電流畸變率

• 電網(wǎng)側側各相電壓及電流畸變率

狀態(tài)展示-設備運行

• 設備補償情況實(shí)時(shí)監測

• 設備運行狀態(tài)

• 故障分析及描述

設備展示-運行狀態(tài)

• 電容數據實(shí)時(shí)監測

• 投切狀態(tài)

6江蘇某電子廠(chǎng)房項目電能質(zhì)量治理項目案例

6.1項目背景

江蘇某電子廠(chǎng)房?jì)瘸a(chǎn)半導體的核心器件外，還有傳送系統，水凈化系統，風(fēng)冷系統、空調系統等，對電能質(zhì)量要求非常高。這些設備皆屬于非線(xiàn)性負載，在使用過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量諧波并注入系統中;如果不進(jìn)行諧波治理，對電網(wǎng)造成嚴重的污染，也影響電子廠(chǎng)房中其他敏感設備的誤動(dòng)作、中斷甚至癱瘓，降低了配電系統的安全性、可靠性。

6.2治理方案

根據以往測量經(jīng)驗進(jìn)行諧波分析與估算，諧波主要由單晶爐、晶圓機和一些非線(xiàn)性負載產(chǎn)生，供電系統由2臺1200kVA變壓器，采用集中治理+就地治理的方案。

集中治理：電子廠(chǎng)房?jì)瓤照{、風(fēng)機設備的分布很廣，因此在每臺變壓器下加裝400A有源諧波治理系統裝置，由兩臺150A模塊和一臺100A模塊并機實(shí)現，型號為整柜式AnSin400-G Ⅰ型，自動(dòng)跟蹤補償負載產(chǎn)生的諧波電流，保證供電系統安全可靠運行。

就地治理：?jiǎn)尉t是該中心*惡性的負載，因此需要在配電末端對其產(chǎn)生的諧波電流進(jìn)行治理，避免干擾其他用電設備，因此在使用單晶爐的配電間安裝壁掛式ANAPF600-380/BBL有源電力濾波器，就地治理單晶爐產(chǎn)生的諧波污染。

6.3治理效果

選取該廠(chǎng)房單晶爐出線(xiàn)端配電箱，對其前后波形數據進(jìn)行對比，通過(guò)裝設壁掛式ANAPF600-380/BBL有源電力濾波器裝置后，電壓畸變率以A相為例從10.45%降值5.58%，電流畸變率從28.94%降值5.67%，提升了電網(wǎng)波形質(zhì)量，具體效果及參數如下表所示。

表3 治理前后波形數據對比

7 結論

半導體材料技術(shù)在國內的發(fā)展促使很多半導體加工設備投入使用，這些設備普遍采用了電力電子變流和控制器件。這些設備在工作的同時(shí)也會(huì )產(chǎn)生大量的諧波，它們不但會(huì )造成機臺設備自身的壞機現象，回流進(jìn)電網(wǎng)的諧波電流還會(huì )引起其它回路的發(fā)熱、電子開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作、供電電壓不穩，甚至引起生產(chǎn)線(xiàn)停線(xiàn)、半成品的報廢。因此，安科瑞為電子廠(chǎng)房行業(yè)提供了一套完整的電能治理監測與治理的系統解決方案，使電子廠(chǎng)房的電能質(zhì)量問(wèn)題得到了有效的治理。從成本、性能、可靠性等角度綜合考慮，該方法具有較高的性?xún)r(jià)比。