電子半導(dǎo)體行業(yè)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)解決方案

安科瑞 陳聰

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

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體行業(yè)；電能質(zhì)量；電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理；系統(tǒng)解決方案

1引言

半導(dǎo)體是許多工業(yè)整機(jī)設(shè)備的核心，普遍應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)電子、汽車、工業(yè)/醫(yī)療、軍事/政府等核心領(lǐng)域。為鼓勵(lì)半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，突破產(chǎn)業(yè)瓶頸，我國出臺(tái)等多項(xiàng)政策支持半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展，為半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供良好的發(fā)展環(huán)境。半導(dǎo)體等電子廠房相較于其他工業(yè)類廠房，主要特殊之處在于其潔凈等級(jí)要求高，光刻機(jī)、等離子注入機(jī)等設(shè)備的電源質(zhì)量和電壓等級(jí)要求高。生產(chǎn)半導(dǎo)體的廠房使用到的大部分電子產(chǎn)品采用了非線性的可控變流裝置、變頻調(diào)速裝置等負(fù)荷，其產(chǎn)生的諧波問題導(dǎo)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(shè)備的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí){患者的生命安全，因此對(duì)半導(dǎo)體廠房供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量治理的深入分析研究勢(shì)在必行。

2諧波源分析

半導(dǎo)體芯片加工電子廠房生產(chǎn)制造配電系統(tǒng),主要諧波負(fù)載為主要諧波源為單晶爐、多晶爐、各類設(shè)備、照明及變頻通風(fēng)設(shè)備、計(jì)算機(jī)及UPS等。

目前大多數(shù)單晶爐是采用中頻感應(yīng)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(cè)試臺(tái)、PLC控制的機(jī)械手、芯片制造用的晶圓機(jī)或變頻控制的半導(dǎo)體機(jī)臺(tái)都會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，他們不但會(huì)造成機(jī)臺(tái)設(shè)備自身的壞機(jī)現(xiàn)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，電子開關(guān)誤動(dòng)作、供電電壓不穩(wěn)，甚至生產(chǎn)線停線、半成品的報(bào)廢，其損失不可謂不大。而且高能設(shè)備如：外延設(shè)備、擴(kuò)散設(shè)備、離子注入設(shè)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(duì)電網(wǎng)的影響

導(dǎo)致電網(wǎng)功率消耗變大、設(shè)備試用時(shí)間降低、接地保護(hù)功能和遙控功能出現(xiàn)異常、線路與設(shè)備熱量變大等，特別是三次諧波導(dǎo)致非常大的中性線電流，造成配電變壓器零線電流大于相線電流數(shù)值，致使設(shè)備不能平穩(wěn)運(yùn)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(yùn)行正常的供電停止、情況嚴(yán)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(shè)施損壞；造成變電站系統(tǒng)當(dāng)中的設(shè)備與元件生成附加的諧波損耗，導(dǎo)致電力變壓器、電力電纜、電動(dòng)機(jī)等設(shè)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(duì)用電安全造成的影響

一，失火造成災(zāi)害。有些意外失火狀況的起因多數(shù)跟電力諧波有聯(lián)系。現(xiàn)階段節(jié)能燈、調(diào)光器設(shè)施中關(guān)開電源很普及，開始為了節(jié)約能源，之后這些設(shè)施卻產(chǎn)生了諧波源，導(dǎo)致電網(wǎng)的危險(xiǎn)系數(shù)增加,中性線電流變大，嚴(yán)重的超出線電流，造成失火的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。二，有關(guān)設(shè)備損壞。電能質(zhì)量會(huì)影響繼電保護(hù)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與精細(xì)儀器和機(jī)械等，造成其不能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)和操控，減少設(shè)施利用期限，進(jìn)而導(dǎo)致繼電保護(hù)錯(cuò)誤操作出現(xiàn)可避免的意外損失，造成不同情況的干擾。三，通信擾亂。其電網(wǎng)擾亂的主要因素為發(fā)生諧波，通過基本靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)，經(jīng)過通信線路導(dǎo)致聲頻混亂。其諧波頻率提升，則會(huì)有雜音問題，通過通信線路上導(dǎo)致音頻混亂。

3.3 諧波對(duì)于電氣設(shè)備產(chǎn)生的影響

一，電力電容器產(chǎn)生的影響。而電容器在電網(wǎng)無功配置容量中占有比重很大，其中少數(shù)電容器安排只參照無功補(bǔ)償量，不會(huì)參照裝置點(diǎn)電能質(zhì)量現(xiàn)實(shí)存在的污染狀況。惡劣情況下會(huì)出現(xiàn)串聯(lián)并聯(lián)諧振，造成電容器諧波過電壓與過電流，導(dǎo)致電容器開裂；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，造成局部過熱、震蕩、聲音變大、繞組附加過熱等；三，同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的影響。在系統(tǒng)里面的同步發(fā)電機(jī)中流入負(fù)序電流與諧波電流，造成多余的損耗，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)局部過熱，絕緣力度降低。第四，自動(dòng)控制器產(chǎn)生的影響。現(xiàn)如今，數(shù)字控制技術(shù)已投入到更加廣泛領(lǐng)域，諸多精細(xì)負(fù)載針對(duì)受電電能質(zhì)量指標(biāo)有更高要求?；诖耍娔苜|(zhì)量被沾上臟物則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的監(jiān)測(cè)模塊中引發(fā)畸變量、擾亂一般分解計(jì)算、造成出錯(cuò)的輸出結(jié)果的損害。

4電子半導(dǎo)體行業(yè)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)和治理系統(tǒng)解決方案

4.1行業(yè)特征

l 對(duì)電能質(zhì)量要求高:

l 負(fù)載中含有多種諧波源，配電諧波含量較高

l 諧波主要以6N土1次諧波為主

l 存在大量變頻設(shè)備，變頻設(shè)備之間存在相互諧振風(fēng)險(xiǎn).

4.2解決方案

半導(dǎo)體芯片制造業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中起著舉足輕重的作用，相關(guān)企業(yè)的規(guī)模也越來越大，其供配電系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的運(yùn)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(shè)備多、工位器具多、工藝步驟繁多復(fù)雜。除供配電系統(tǒng)外，還需傳送系統(tǒng)、超純水凈化系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、氣冷風(fēng)冷系統(tǒng)、特殊氣體分配系統(tǒng)來保證生產(chǎn)過程的順利實(shí)施以及關(guān)鍵設(shè)備的安全運(yùn)行。由于整個(gè)工廠的生產(chǎn)條件通過電能供給來實(shí)現(xiàn)，因此半導(dǎo)體芯片制造對(duì)供電質(zhì)量要求特別高。

安科瑞電氣提出的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)解決方案可滿足電力監(jiān)控管理、運(yùn)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)用戶提供一站式的整體解決方案，從產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務(wù)等不同方面來滿足用戶的需要，為用戶創(chuàng)造價(jià)值。

 4.3方案特點(diǎn)

l 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)即可通過本地設(shè)備為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、治理與設(shè)備運(yùn)維等功能，亦可通過接入AcrelEMS-SEMI電站廠房能效管理平臺(tái)，為用戶提供遠(yuǎn)程在線服務(wù)；

l 符合GB/T17626.30-2012中準(zhǔn)確度測(cè)量方法，適用于要求準(zhǔn)確測(cè)量電能質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)的場合；

l 專業(yè)化的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)：電能質(zhì)量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，測(cè)量精度高、測(cè)得準(zhǔn)，符合IEC61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)；

l 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理裝置信息互聯(lián)，通過統(tǒng)一平臺(tái)管理，方便用戶同時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電能質(zhì)量以及治理數(shù)據(jù)；

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

4.4方案效果

l 對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量高精度的實(shí)時(shí)監(jiān)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(duì)故障事件進(jìn)行記錄，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)負(fù)荷曲線及電壓電流、電壓偏差、不平衡度、閃變等進(jìn)行趨勢(shì)分析，用戶可以通過系統(tǒng)查看發(fā)生告警的事件波形、趨勢(shì)分析，亦可根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電能質(zhì)量情況統(tǒng)計(jì)分析生成電能質(zhì)量診斷報(bào)告。

l 通過集中補(bǔ)償+就地補(bǔ)償?shù)闹卫聿呗裕a(bǔ)償整個(gè)數(shù)據(jù)中心的無功和諧波，提高數(shù)據(jù)中心內(nèi)系統(tǒng)電能質(zhì)量、用電設(shè)備供電效率，大幅度降低設(shè)備故障率，達(dá)到數(shù)據(jù)中心內(nèi)自動(dòng)化設(shè)備對(duì)電源質(zhì)量的要求，可有效解決諧波的干擾及誤跳閘問題。

l 系統(tǒng)提供多維度的用電指標(biāo)統(tǒng)計(jì)與電能數(shù)據(jù)分析工具，為配電系統(tǒng)運(yùn)行管理優(yōu)化和節(jié)能損耗提供指導(dǎo)。

5安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)產(chǎn)品選型

5.1集中治理

電子廠房內(nèi)會(huì)使用到如風(fēng)機(jī)、空調(diào)等等電器，這些電器分布較為分散，且單一的設(shè)備產(chǎn)生的諧波量較少，且為確保無功功率因數(shù)達(dá)到國標(biāo)要求值，避免罰款，在配電房處對(duì)這些負(fù)載產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題進(jìn)行集中治理，同時(shí)也可對(duì)整個(gè)低壓供配電系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)，其中包含諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監(jiān)測(cè)等，其集中治理的產(chǎn)品選型見表1。

表1電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)及集中治理產(chǎn)品選型表

5.2就地治理

電子廠房在生產(chǎn)半導(dǎo)體器件的過程中需要使用到可控變流裝置、變頻調(diào)速裝置等負(fù)荷，這些設(shè)備在運(yùn)行過程中會(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，會(huì)造成其他負(fù)載的損壞。針對(duì)以上負(fù)載情況，建議在各重要設(shè)備的配電箱增加電能質(zhì)量補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行就地治理，達(dá)到終端治理諧波的目的，避免諧波影響到整個(gè)配電系統(tǒng)和其他用電設(shè)備。

表2 就地治理的產(chǎn)品選型

5.3電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)                                             

（1）平臺(tái)拓?fù)?/span>

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)系統(tǒng)平臺(tái)主要由電能質(zhì)量治理設(shè)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(shè)備作為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集與電能質(zhì)量補(bǔ)償?shù)?，物理網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)設(shè)備與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳輸以及對(duì)設(shè)備進(jìn)行策略功能分配，數(shù)據(jù)經(jīng)由服務(wù)器以服務(wù)終端為媒介為用戶提供可視化展示。

（2）平臺(tái)展示

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)除作為本地終端為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、治理與設(shè)備運(yùn)維等功能外，亦可通過接入AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺(tái)，為用戶提供遠(yuǎn)程在線服務(wù)。

?

6江蘇某電子廠房項(xiàng)目電能質(zhì)量治理項(xiàng)目案例

6.1項(xiàng)目背景

江蘇某電子廠房內(nèi)除生產(chǎn)半導(dǎo)體的核心器件外，還有傳送系統(tǒng)，水凈化系統(tǒng)，風(fēng)冷系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等，對(duì)電能質(zhì)量要求非常高。這些設(shè)備皆屬于非線性負(fù)載，在使用過程中會(huì)產(chǎn)生大量諧波并注入系統(tǒng)中;如果不進(jìn)行諧波治理，對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的污染，也影響電子廠房中其他敏感設(shè)備的誤動(dòng)作、中斷甚至癱瘓，降低了配電系統(tǒng)的安全性、可靠性。

6.2治理方案

根據(jù)以往測(cè)量經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行諧波分析與估算，諧波主要由單晶爐、晶圓機(jī)和一些非線性負(fù)載產(chǎn)生，供電系統(tǒng)由2臺(tái)1200kVA變壓器，采用集中治理+就地治理的方案。

集中治理：電子廠房內(nèi)空調(diào)、風(fēng)機(jī)設(shè)備的分布很廣，因此在每臺(tái)變壓器下加裝400A有源諧波治理系統(tǒng)裝置，由兩臺(tái)150A模塊和一臺(tái)100A模塊并機(jī)實(shí)現(xiàn)，型號(hào)為整柜式AnSin400-G Ⅰ型，自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流，保證供電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

就地治理：單晶爐是該中心惡性的負(fù)載，因此需要在配電末端對(duì)其產(chǎn)生的諧波電流進(jìn)行治理，避免干擾其他用電設(shè)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

選取該廠房單晶爐出線端配電箱，對(duì)其前后波形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過裝設(shè)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(shù)如下表所示。

表3 治理前后波形數(shù)據(jù)對(duì)比

7 結(jié)論

半導(dǎo)體材料技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展促使很多半導(dǎo)體加工設(shè)備投入使用，這些設(shè)備普遍采用了電力電子變流和控制器件。這些設(shè)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(jī)臺(tái)設(shè)備自身的壞機(jī)現(xiàn)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、電子開關(guān)誤動(dòng)作、供電電壓不穩(wěn)，甚至引起生產(chǎn)線停線、半成品的報(bào)廢。因此，安科瑞為電子廠房行業(yè)提供了一套完整的電能治理監(jiān)測(cè)與治理的系統(tǒng)解決方案，使電子廠房的電能質(zhì)量問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價(jià)比。