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

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。

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，***、等離子注入機(jī)等精密設(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、各類精密設(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對電網(wǎng)的影響

導(dǎo)致電網(wǎng)功率消耗增大、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)備熱量增大等，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對用電安全造成的影響

第一，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?，F(xiàn)階段節(jié)能燈、調(diào)光器設(shè)施中關(guān)開電源很普及，最初為了節(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,中性線電流增大，嚴(yán)重的超出線電流，造成失火的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。第二，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。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 諧波對于電氣設(shè)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；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，造成局部過熱、震蕩、聲音增大、繞組附加過熱等；第三，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)載針對受電電能質(zhì)量指標(biāo)有更高要求?；诖?，電能質(zhì)量被沾上臟物則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的監(jiān)測模塊中引發(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)測和治理系統(tǒng)解決方案

4.1行業(yè)特征

l對電能質(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)條件最終通過電能供給來實(shí)現(xiàn)，因此半導(dǎo)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(jiān)測與治理系統(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、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A準(zhǔn)確度測量方法，適用于要求準(zhǔn)確測量電能質(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：電能質(zhì)量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，測量精度高、測得準(zhǔn)，符合IEC61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)；

l電能質(zhì)量監(jiān)測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)可對故障事件進(jìn)行記錄，對監(jiān)測點(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、趨勢分析，亦可根據(jù)監(jiān)測點(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?，更高效的補(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)也可對整個(gè)低壓供配電系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量在線監(jiān)測，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，最終會(huì)造成其他負(fù)載的損壞。針對以上負(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)測與治理系統(tǒng)

（1）平臺(tái)拓?fù)?/strong>