電子半導體行業(yè)電能質(zhì)量監測與治理系統解決方案
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王曉昭
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.
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A級準確度測量方法，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。
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。
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
設備名稱(chēng) | 產(chǎn)品型號 | 產(chǎn)品圖片 | 功能特性 | ||
電能質(zhì)量在線(xiàn)監測裝置 | APView500 |
| 電能質(zhì)量在線(xiàn)監測裝置，集諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監測、電壓不平衡度監測、事件記錄、測量控制等功能為一體，能夠滿(mǎn)足110kV及以下供電系統電能質(zhì)量監測的要求 | ||
APM系列 多功能網(wǎng)絡(luò )儀表 | APM830 |
| 全電參量測量（三相I、U、kW、kVar、kVA、Hz、cosφ）、電能統計（kWh、kVarh）、電能質(zhì)量分析（總諧波、奇/偶諧波、波形記錄、暫態(tài)記錄)及網(wǎng)絡(luò )通訊。 | ||
有源諧波治理系統 | AnSin *博客內容為網(wǎng)友個(gè)人發(fā)布，僅代表博主個(gè)人觀(guān)點(diǎn)，如有侵權請聯(lián)系工作人員刪除。 關(guān)鍵詞：
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