電能質(zhì)量在線(xiàn)監測裝置在上海新昇半導體科技有限公司配電工程的應用

摘要：自20世紀90年代以來(lái)，半導體行業(yè)發(fā)展迅速，在國民經(jīng)濟中扮演著(zhù)重要角色。隨著(zhù)半導體芯片制造業(yè)的規模不斷zeng大，越來(lái)越多的電力電子設備被應用于配電系統中，電能質(zhì)量問(wèn)題也日益受到關(guān)注。半導體生產(chǎn)設備對電能質(zhì)量非常敏感，電壓暫降和諧波等問(wèn)題會(huì )導致生產(chǎn)停產(chǎn)和設備損壞，給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟損失。因此，越來(lái)越多的半導體公司需求電能質(zhì)量在線(xiàn)監測裝置對電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行監測，為電能質(zhì)量治理提供依據。

關(guān)鍵詞：半導體；電能質(zhì)量；電壓暫降；諧波

1 項目概況

上海新昇半導體科技有限公司成立于2014年6月，是上海硅產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司全資控股子公司，坐落于中國（上海）自由貿易試驗區臨港新片區，是商業(yè)化提供300mm半導體硅片的國內供應商。主要從事高品質(zhì)半導體硅片的研發(fā)，生產(chǎn)和銷(xiāo)售，從事貨物及技術(shù)的進(jìn)出口業(yè)務(wù)。是*一期目標致力于在我國研究、開(kāi)發(fā)適用于40-28nm節點(diǎn)的300mm硅單晶生長(cháng)、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300毫米半導體硅片的生產(chǎn)基地，實(shí)現300毫米半導體硅片的國產(chǎn)化，充分滿(mǎn)足我國ji大規模集成電路產(chǎn)業(yè)對硅襯底基礎材料的迫切要求。

本項目包含一個(gè)10kV開(kāi)閉所，4個(gè)分配電所，供電系統圖如圖1所示，該項目中的供電系統都采用兩進(jìn)線(xiàn)一母聯(lián)供電。需要在每個(gè)配電所的兩路進(jìn)線(xiàn)中裝一臺電能質(zhì)量在線(xiàn)監測裝置APView500對每一路進(jìn)線(xiàn)的電能質(zhì)量進(jìn)行監測。

半導體行業(yè)屬于高duan制造行業(yè)，使用了大量高精mi儀器設備，生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)中yang信息系統發(fā)出指令由機臺設備自動(dòng)運行。 但是這些高精mi生產(chǎn)機臺設備，如：刻蝕、氣相沉積、光刻、加熱、清洗、測量?jì)x器、自動(dòng)檢測等設備很容易受供電質(zhì)量的影響，半導體行業(yè)屬于連續性生產(chǎn)制程，一旦由于供電質(zhì)量造成生產(chǎn)暫停需要耗費ji大的停工成本，比如核心生產(chǎn)機臺（光刻機）暖機就需耗費24小時(shí)；半導體制造過(guò)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，一旦出現供電質(zhì)量問(wèn)題導致機臺設備宕機，制程中止就會(huì )造成廢料、設備損壞、甚至停產(chǎn)等嚴重事故發(fā)生。據統計，半導體行業(yè)每一次停機事 故所造成的直接和間接經(jīng)濟損失可高達上億元。因此，半導體行業(yè)對生產(chǎn)線(xiàn)供電質(zhì)量要求極為重視，配置電能質(zhì)量監測裝置對電力系統中的電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，可以及時(shí)發(fā)現問(wèn)題，解決問(wèn)題，為后續改善電能質(zhì)量提供依據，防止造成重大事故，避免經(jīng)濟損失。

圖1 配電系統一次系統圖

2 項目需求

本項目是上海新昇半導體科技有限公司的10/0.4kV供配電項目，包含一個(gè)開(kāi)閉所，四個(gè)分配電所，開(kāi)閉所進(jìn)線(xiàn)來(lái)自于35kV變電站出線(xiàn)，5-1-F1進(jìn)線(xiàn)來(lái)自開(kāi)閉所出線(xiàn)，5-3、5-4、5-1-F2進(jìn)線(xiàn)均來(lái)自5-1-F1出線(xiàn)。該半導體工廠(chǎng)在運行生產(chǎn)過(guò)程中主要存在以下電能質(zhì)量問(wèn)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(jiàn)的原因包括：自然災害（臺風(fēng)、暴雨、雷電），人為因素（施工破壞、偷搶盜竊、誤操 作、高峰限電），設備故障（老化、越級跳閘），外力因素（異物短路、重物倒壓）等。除了人為計劃停電外，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，持續時(shí)間在半個(gè)周期到1分鐘之間。導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)電力系統保護和自動(dòng)裝置動(dòng)作，或受大型施工機械違規進(jìn)入電力設施保護區引起放電等。在所有配電系統事故中，電壓暫降引起的事故占了70%-80%；而在輸電系統事故中，電壓暫降引起的事故所占的比例超過(guò)了90%。

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

2、諧波問(wèn)題

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，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 )引起其他回路的發(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。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。

因此，為了實(shí)時(shí)監測供電的電能質(zhì)量，在本項目的4個(gè)分配電所進(jìn)線(xiàn)柜都安裝了一臺能質(zhì)量在線(xiàn)監測裝置APView500，同時(shí)為了監測各回路電能，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(lèi)設備主要實(shí)現的功能如下：

3 系統需求

為實(shí)時(shí)監視整個(gè)供電系統運行以及數據采集，該項目配置一套AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺。AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺，實(shí)現了從35kV配電到0.4kV用電側的整體監控，提供電力監控，電能質(zhì)量，電氣安全，電能統計，能耗分析，環(huán)境監測等功能。對企業(yè)的用電管理起到的幫助。

1）電力監控：以配電一次圖的形式直觀(guān)顯示配電線(xiàn)路的運行狀態(tài)，可以實(shí)時(shí)監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動(dòng)態(tài)監視各配電回路斷路器、隔離開(kāi)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)參數進(jìn)行監測，同時(shí)包含各類(lèi)電力報表的輸出功能。

圖2 電力監控配電監測一次圖界面展示

圖3 電力監控變壓器監測展示

圖4 電力監控電力運行報表界面展示

2）電能質(zhì)量：提供電能質(zhì)量檢測儀的暫態(tài)數據合穩態(tài)穩態(tài)監測，諧波頻譜，穩態(tài)曲線(xiàn)，諧波曲線(xiàn)，負荷曲線(xiàn)，SOE事件，電能質(zhì)量分析，電能質(zhì)量治理等參數。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，消防設備電源監測等功能。

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

5）能耗分析：包含分類(lèi)分項類(lèi)能耗統計，能耗同環(huán)比分析，能耗趨勢分析，能源費用統計，能源流向圖等功能。

6）環(huán)境監測：配電室環(huán)境監測，機房環(huán)境監測，視頻環(huán)境監測。

4 現場(chǎng)安裝圖片

本項目各類(lèi)設備均就地安裝于開(kāi)關(guān)柜中，現場(chǎng)安裝圖片如下，目前裝置在現場(chǎng)運行正常。

圖6 裝置現場(chǎng)安裝圖片

5 現場(chǎng)運行情況

本項目自裝設電能質(zhì)量監測裝置起，對電力系統中出現的故障情況均可靠監測，在此過(guò)程中，在2023年5月28號出現1次電壓暫降事件，事件記錄如圖7-10。

5-1-F1開(kāi)閉所，暫降深度2933V、持續時(shí)間0.579s；

5-4分變電所，暫降深度2956V、持續時(shí)間0.485s；

5-3分變電所，暫降深度2978V、持續時(shí)間0.484s；

5-1-F2分變電所，暫降深度2932V、持續時(shí)間0.384s；

結合供電系統圖和暫降數據分析5-1-F1開(kāi)閉所上一ji發(fā)生電壓暫降，建議客戶(hù)持續跟進(jìn)并適當施加策略。

圖7 開(kāi)閉所進(jìn)線(xiàn)SWG-52-IN暫降記錄      

圖8 分變電所進(jìn)線(xiàn)SWG-58-IN暫降記錄

圖9 分變電所進(jìn)線(xiàn)SWG-56-IN暫降記錄

圖10 分變電所進(jìn)線(xiàn)SWG-54-IN暫降記錄

同時(shí)，當出現電壓暫降或中斷事件記錄時(shí)，電能質(zhì)量在線(xiàn)監測系統還會(huì )提供相應的ITIC（Information Technology Industry Council）和SEMI F47（半導體設備制造協(xié)會(huì )）容忍度分析曲線(xiàn)。

SEMI F47是一種針對半導體制造設備的電能質(zhì)量標準。該標準規定了電力設備在供電系統電壓暫降或中斷情況下的容忍度要求。曲線(xiàn)的形狀和范圍表示了設備在不同電壓暫降程度下的容忍程度。

如圖可見(jiàn)本次事件的電壓暫降情況超出了設備所能容忍的范圍，設備可能會(huì )受到明顯的影響?？赡艹霈F設備運行不穩定、工作中斷、數據丟失、產(chǎn)品質(zhì)量下降等問(wèn)題。

根據SEMI F47容忍度曲線(xiàn)的分析結果，可以預估此次電壓暫降事件對于電力設備的影響程度，進(jìn)而采取相應的措施進(jìn)行維護和修復，以保證設備的正常運行和生產(chǎn)線(xiàn)的穩定性。

圖11 開(kāi)閉所進(jìn)線(xiàn)SWG-52-IN容忍度曲線(xiàn)SEMI F47

圖12 分變電所進(jìn)線(xiàn)SWG-58-IN暫降記錄

圖13 分變電所進(jìn)線(xiàn)SWG-56-IN暫降記錄

圖14 分變電所進(jìn)線(xiàn)SWG-54-IN暫降記錄

6 結語(yǔ)

半導體行業(yè)對電能質(zhì)量的穩定性要求極為嚴格。穩定的電能質(zhì)量對于半導體設備的正常運行至關(guān)重要。任何電能質(zhì)量問(wèn)題都可能導致設備故障、損壞甚至生產(chǎn)線(xiàn)停工，給企業(yè)帶來(lái)嚴重的經(jīng)濟損失。

在電力電子技術(shù)的快速發(fā)展下，越來(lái)越多的非線(xiàn)性負載被引入到半導體生產(chǎn)過(guò)程中，如變頻器、整流器、電弧爐等。這些非線(xiàn)性負載會(huì )引入諧波，造成電網(wǎng)諧波污染。諧波會(huì )使得設備發(fā)熱、振動(dòng)、噪音、運行不穩定等問(wèn)題，同時(shí)也會(huì )加速設備的老化和損壞。

此外，供電系統的不穩定因素如閃電、暴雨、大風(fēng)、施工等都可能導致電壓暫降或中斷，產(chǎn)生負面影響。這些不穩定因素可能引發(fā)設備的工作中斷、數據丟失、產(chǎn)品質(zhì)量下降等問(wèn)題，對生產(chǎn)效率和企業(yè)形象都帶來(lái)嚴重影響。

因此，半導體行業(yè)須加強對電能質(zhì)量的監測與控制，采用電能質(zhì)量在線(xiàn)監測裝置能夠實(shí)時(shí)監測供電系統的電能質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現和解決問(wèn)題。通過(guò)優(yōu)化電能質(zhì)量，可以保障設備的穩定運行，提高生產(chǎn)效率，降低設備故障率和維修成本，從而為企業(yè)帶來(lái)更高的競爭優(yōu)勢和經(jīng)濟效益。

參考文獻

[1] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.6月版

[2] 安科瑞35kV以及下變電所智能配電系統設計與產(chǎn)品二次原理圖集.2020.10月版

[3] 安科瑞用戶(hù)變電站綜合自動(dòng)化與運維解決方案.2021.3月版

作者介紹

安科瑞 唐曉娟