電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置在上海新昇半導(dǎo)體科技有限公司配電工程的應(yīng)用

未曉妃

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

自20世紀(jì)90年代以來，半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展迅速，在國民經(jīng)濟(jì)中扮演著重要角色。隨著半導(dǎo)體芯片制造業(yè)的規(guī)模不斷增*，越來越多的電力電子設(shè)備被應(yīng)用于配電系統(tǒng)中，電能質(zhì)量問題也日益受到關(guān)注。半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備對電能質(zhì)量非常，電壓暫降和諧波等問題會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)停產(chǎn)和設(shè)備損壞，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，越來越多的半導(dǎo)體公司需求電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置對電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問題進(jìn)行監(jiān)測，為電能質(zhì)量治理提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體；電能質(zhì)量；電壓暫降；諧波 

1 項(xiàng)目概況

上海新昇半導(dǎo)體科技有限公司成立于2014年6月，是上海硅產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司全資控股子公司，坐落于中國（上海）自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)臨港新片區(qū)，是商業(yè)化提供300mm半導(dǎo)體硅片的國內(nèi)供應(yīng)商。主要從事高品質(zhì)半導(dǎo)體硅片的研發(fā)，生產(chǎn)和銷售，從事貨物及技術(shù)的進(jìn)出口業(yè)務(wù)。是第一期目標(biāo)致力于在我國研究、開發(fā)適用于40-28nm節(jié)點(diǎn)的300mm硅單晶生長、硅片加工、外延片制備、硅片分析檢測等硅片產(chǎn)業(yè)化成套量產(chǎn)工藝；建設(shè)300毫米半導(dǎo)體硅片的生產(chǎn)基地，實(shí)現(xiàn)300毫米半導(dǎo)體硅片的國產(chǎn)化，充分滿足我國大規(guī)模集成電路產(chǎn)業(yè)對硅襯底基礎(chǔ)材料的迫切要求。

本項(xiàng)目包含一個(gè)10kV開閉所，4個(gè)分配電所，供電系統(tǒng)圖如圖1所示，該項(xiàng)目中的供電系統(tǒng)都采用兩進(jìn)線一母聯(lián)供電。需要在每個(gè)配電所的兩路進(jìn)線中裝一臺(tái)電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置APView500對每一路進(jìn)線的電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測。

半導(dǎo)體行業(yè)屬于制造行業(yè)，使用了大量高精密儀器設(shè)備，生產(chǎn)過程中通過信息系統(tǒng)發(fā)出指令由機(jī)臺(tái)設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行。 但是這些高精密生產(chǎn)機(jī)臺(tái)設(shè)備，如：刻蝕、氣相沉積、光刻、加熱、清洗、測量儀器、自動(dòng)檢測等設(shè)備很容易受供電質(zhì)量的影響，半導(dǎo)體行業(yè)屬于連續(xù)性生產(chǎn)制程，一旦由于供電質(zhì)量造成生產(chǎn)暫停需要耗費(fèi)大的停工成本，比如核心生產(chǎn)機(jī)臺(tái)（光刻機(jī)）暖機(jī)就需耗費(fèi)24小時(shí)；半導(dǎo)體制造過程中，微小的粉塵都可能造成晶體管短路燒毀，在濺射鍍膜等部分制程甚至需維持真空，一旦出現(xiàn)供電質(zhì)量問題導(dǎo)致機(jī)臺(tái)設(shè)備宕機(jī)，制程中止就會(huì)造成廢料、設(shè)備損壞、甚至停產(chǎn)等嚴(yán)重事故發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，半導(dǎo)體行業(yè)每一次停機(jī)事 故所造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失可高達(dá)上億元。因此，半導(dǎo)體行業(yè)對生產(chǎn)線供電質(zhì)量要求為重視，配置電能質(zhì)量監(jiān)測裝置對電力系統(tǒng)中的電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，為后續(xù)電能質(zhì)量提供依據(jù)，防止造成重大事故，避免經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 配電系統(tǒng)一次系統(tǒng)圖

2 項(xiàng)目需求

本項(xiàng)目是上海新昇半導(dǎo)體科技有限公司的10/0.4kV供配電項(xiàng)目，包含一個(gè)開閉所，四個(gè)分配電所，開閉所進(jìn)線來自于35kV變電站出線，5-1-F1進(jìn)線來自開閉所出線，5-3、5-4、5-1-F2進(jìn)線均來自5-1-F1出線。該半導(dǎo)體工廠在運(yùn)行生產(chǎn)過程中主要存在以下電能質(zhì)量問題：

1、電壓暫降/中斷

電壓中斷是指一相或多相供電電壓消失降為10%以下。電壓中斷的原因有很多，常見的原因包括：自然災(zāi)害（臺(tái)風(fēng)、暴雨、雷電），人為因素（施工破壞、偷搶盜竊、誤操 作、高峰限電），設(shè)備故障（老化、越級(jí)跳閘），外力因素（異物短路、重物倒壓）等。除了人為計(jì)劃停電外，其他原因都具有不確定性和不可抗性。

電壓暫降是指電壓暫降是指電網(wǎng)RMS電壓值下降幅度介于額定電壓的10%至90%之間，持續(xù)時(shí)間在半個(gè)周期到1分鐘之間。導(dǎo)致電壓暫降的原因有很多，主要受雷擊、大風(fēng)舞動(dòng)、絕緣污閃等自然環(huán)境因素影響，引發(fā)電力系統(tǒng)保護(hù)和自動(dòng)裝置動(dòng)作，或受大型施工機(jī)械違規(guī)進(jìn)入電力設(shè)施保護(hù)區(qū)引起放電等。在所有配電系統(tǒng)事故中，電壓暫降引起的事故占了70%-80%；而在輸電系統(tǒng)事故中，電壓暫降引起的事故所占的比例超過了90%。

電壓中斷和電壓暫降可能會(huì)引起半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備宕機(jī)，而長時(shí)間的電壓中斷會(huì)直接造成整個(gè)產(chǎn)線停工，損失嚴(yán)重。發(fā)生宕機(jī)則會(huì)造成半導(dǎo)體產(chǎn)品硅片損壞和浪費(fèi)、設(shè)備壽命縮短及損壞。重新啟動(dòng)設(shè)備同時(shí)也需要花費(fèi)時(shí)間成本、降低產(chǎn)品品質(zhì)、延誤生產(chǎn)等，因此半導(dǎo)體工廠非常注重供電連續(xù)性。

2、諧波問題

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，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)引起其他回路的發(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。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。

因此，為了實(shí)時(shí)監(jiān)測供電的電能質(zhì)量，在本項(xiàng)目的4個(gè)分配電所進(jìn)線柜都安裝了一臺(tái)能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置APView500，同時(shí)為了監(jiān)測各回路電能，在每個(gè)高壓柜及低壓柜都配置了我司的多功能儀表。

各類設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

3 系統(tǒng)需求

為實(shí)時(shí)監(jiān)視整個(gè)供電系統(tǒng)運(yùn)行以及數(shù)據(jù)采集，該項(xiàng)目配置一套AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺(tái)。AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了從35kV配電到0.4kV用電側(cè)的整體監(jiān)控，提供電力監(jiān)控，電能質(zhì)量，電氣安全，電能統(tǒng)計(jì)，能耗分析，環(huán)境監(jiān)測等功能。對企業(yè)的用電管理起到的幫助。

1）電力監(jiān)控：以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運(yùn)行狀態(tài)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動(dòng)態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關(guān)、地刀等合、分閘狀態(tài)。同時(shí)可以對變壓器及直流屏的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)包含各類電力報(bào)表的輸出功能。

圖2 電力監(jiān)控配電監(jiān)測一次圖界面展示

圖3 電力監(jiān)控變壓器監(jiān)測展示

圖4 電力監(jiān)控電力運(yùn)行報(bào)表界面展示

2）電能質(zhì)量：提供電能質(zhì)量檢測儀的暫態(tài)數(shù)據(jù)合穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)監(jiān)測，諧波頻譜，穩(wěn)態(tài)曲線，諧波曲線，負(fù)荷曲線，SOE事件，電能質(zhì)量分析，電能質(zhì)量治理等參數(shù)。如圖5所示。

圖5 電力質(zhì)量界面展示

3）電氣安全：電氣安全包括漏電檢測，電器接點(diǎn)測溫，消防設(shè)備電源監(jiān)測等功能。

4）電能統(tǒng)計(jì)：提供用電集抄，用電統(tǒng)計(jì)，分時(shí)段用電統(tǒng)計(jì)，用電同環(huán)比分析，分組用電統(tǒng)計(jì)等功能。

5）能耗分析：包含分類分項(xiàng)類能耗統(tǒng)計(jì)，能耗同環(huán)比分析，能耗趨勢分析，能源費(fèi)用統(tǒng)計(jì)，能源流向圖等功能。

6）環(huán)境監(jiān)測：配電室環(huán)境監(jiān)測，機(jī)房環(huán)境監(jiān)測，視頻環(huán)境監(jiān)測。

4 現(xiàn)場安裝圖片

本項(xiàng)目各類設(shè)備均就地安裝于開關(guān)柜中，現(xiàn)場安裝圖片如下，目前裝置在現(xiàn)場運(yùn)行正常。

圖6 裝置現(xiàn)場安裝圖片

5 現(xiàn)場運(yùn)行情況

本項(xiàng)目自裝設(shè)電能質(zhì)量監(jiān)測裝置起，對電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障情況均可靠監(jiān)測，在此過程中，在2023年5月28號(hào)出現(xiàn)1次電壓暫降事件，事件記錄如圖7-10。

5-1-F1開閉所，暫降2933V、持續(xù)時(shí)間0.579s；

5-4分變電所，暫降2956V、持續(xù)時(shí)間0.485s；

5-3分變電所，暫降2978V、持續(xù)時(shí)間0.484s；

5-1-F2分變電所，暫降2932V、持續(xù)時(shí)間0.384s；

結(jié)合供電系統(tǒng)圖和暫降數(shù)據(jù)分析5-1-F1開閉所上*級(jí)發(fā)生電壓暫降，建議客戶持續(xù)跟進(jìn)并適當(dāng)施加策略。

圖7 開閉所進(jìn)線SWG-52-IN暫降記錄       

圖8 分變電所進(jìn)線SWG-58-IN暫降記錄

圖9 分變電所進(jìn)線SWG-56-IN暫降記錄

圖10 分變電所進(jìn)線SWG-54-IN暫降記錄

同時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)電壓暫降或中斷事件記錄時(shí)，電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)還會(huì)提供相應(yīng)的ITIC（Information Technology Industry Council）和SEMI F47（半導(dǎo)體設(shè)備制造協(xié)會(huì)）容忍度分析曲線。

SEMI F47是一種針對半導(dǎo)體制造設(shè)備的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電力設(shè)備在供電系統(tǒng)電壓暫降或中斷情況下的容忍度要求。曲線的形狀和范圍表示了設(shè)備在不同電壓暫降程度下的容忍程度。

如圖可見本次事件的電壓暫降情況超出了設(shè)備所能容忍的范圍，設(shè)備可能會(huì)受到明顯的影響。可能出現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定、工作中斷、數(shù)據(jù)丟失、產(chǎn)品質(zhì)量下降等問題。

根據(jù)SEMI F47容忍度曲線的分析結(jié)果，可以預(yù)估此次電壓暫降事件對于電力設(shè)備的影響程度，進(jìn)而采取相應(yīng)的措施進(jìn)行維護(hù)和，以保證設(shè)備的正常運(yùn)行和生產(chǎn)線的穩(wěn)定性。

圖11 開閉所進(jìn)線SWG-52-IN容忍度曲線SEMI F47

圖12 分變電所進(jìn)線SWG-58-IN暫降記錄

圖13 分變電所進(jìn)線SWG-56-IN暫降記錄

圖14 分變電所進(jìn)線SWG-54-IN暫降記錄

6 結(jié)語

半導(dǎo)體行業(yè)對電能質(zhì)量的穩(wěn)定性要求為嚴(yán)格。穩(wěn)定的電能質(zhì)量對于半導(dǎo)體設(shè)備的正常運(yùn)行至關(guān)重要。任何電能質(zhì)量問題都可能導(dǎo)致設(shè)備故障、損壞甚至生產(chǎn)線停工，給企業(yè)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

在電力電子技術(shù)的快速發(fā)展下，越來越多的非線性負(fù)載被引入到半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中，如變頻器、整流器、電弧爐等。這些非線性負(fù)載會(huì)引入諧波，造成電網(wǎng)諧波污染。諧波會(huì)使得設(shè)備發(fā)熱、振動(dòng)、噪音、運(yùn)行不穩(wěn)定等問題，同時(shí)也會(huì)加速設(shè)備的老化和損壞。

此外，供電系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素如閃電、暴雨、風(fēng)、施工等都可能導(dǎo)致電壓暫降或中斷，產(chǎn)生負(fù)面影響。這些不穩(wěn)定因素可能引發(fā)設(shè)備的工作中斷、數(shù)據(jù)丟失、產(chǎn)品質(zhì)量下降等問題，對生產(chǎn)效率和企業(yè)形象都帶來嚴(yán)重影響。

因此，半導(dǎo)體行業(yè)加強(qiáng)對電能質(zhì)量的監(jiān)測與控制，采用電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題。通過優(yōu)化電能質(zhì)量，可以保障設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，提高生產(chǎn)效率，降低設(shè)備故障率和維修成本，從而為企業(yè)帶來更高的競爭優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)效益。