電能質(zhì)量監測裝置在某半導體公司的應用

摘 要：半導體生產(chǎn)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。而半導體行業(yè)中大部分工藝設備對電能質(zhì)量比較敏感，電壓暫降、諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題會(huì )導致設備損壞、生產(chǎn)材料報廢等產(chǎn)生較大的經(jīng)濟損失。因此，需要對半導體行業(yè)裝設電能質(zhì)量監測裝置來(lái)監測供電的電能質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：半導體；電能質(zhì)量；電壓暫降；諧波 

 

       1 項目概況

       在國家政策的引導下，電子行業(yè)發(fā)展迅速，同時(shí)新建了大量電子行業(yè)工廠(chǎng)。工廠(chǎng)用電量大且大部分工藝需要不間斷運行，配電系統結構復雜，設備一旦意外斷電會(huì )導致重大損失，這就需要對供電可靠性要求非常高，對故障比較敏感；大部分工藝設備對電壓、電流比較敏感，電壓電流的變化會(huì )導致設備損壞、生產(chǎn)材料報廢等問(wèn)題；并且工廠(chǎng)電壓等級比較多，出于供電可靠性要求和工藝設備需要電壓等級不同，工廠(chǎng)配電電壓從110kV到66kV、35kV、10kV、0.48kV、0.4kV不等，涉及的各電壓等級變壓器數量非常多。針對以上情況，需要配置電能質(zhì)量監測裝置來(lái)監測用電電能質(zhì)量情況，為后續改善電能質(zhì)量提供依據。  

       某半導體有限公司成立于2018年05月29日，注冊地位于四川省成都高新區。經(jīng)營(yíng)范圍包括OLED等平板顯示屏材料、電子材料及其相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)、測試、生產(chǎn)、銷(xiāo)售、技術(shù)服務(wù)、技術(shù)咨詢(xún)及其售后服務(wù)；提供分撥、保稅倉儲（不含危險化學(xué)品）、保稅加工服務(wù)；國際貿易、轉口貿易、保稅區企業(yè)間貿易以及區內貿易代理；電子產(chǎn)品及其零部件、相關(guān)化工原料（不含危險化學(xué)品）的進(jìn)出口、批發(fā)及相關(guān)配套業(yè)務(wù)（國家禁止或涉及行政審批的貨物和技術(shù)進(jìn)出口除外）。

       2 項目需求

       本次項目為某半導體有限公司10/0.4KV用戶(hù)變電站項目，該變電站供電系統為單母線(xiàn)供電系統，共設一面高壓進(jìn)線(xiàn)柜、一面計量柜、一面母線(xiàn)PT柜和四面專(zhuān)變出線(xiàn)柜。由于該公司主要生產(chǎn)電子材料、芯片等半導體設備，而半導體芯片制造生產(chǎn)中主要存在以下電能質(zhì)量問(wèn)題：

       1、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。

       2、電壓暫降及中斷

       現代化的半導體生產(chǎn)設備對電力品質(zhì)問(wèn)題非常敏感，相對于傳統工業(yè)來(lái)說(shuō)，半導體、LCD制造對電壓暫降非常敏感，持續16ms的幅值為額定值85%-90%電壓暫降即可能導致設備停機。電壓暫降與短時(shí)中斷的差別在于短時(shí)中斷時(shí)負載一般與供電系統基本斷開(kāi)（幅值低于額定值的10%），而電壓暫降發(fā)生時(shí)負載仍與電源連接。對于半導體行業(yè)而言，兩者均會(huì )造成設備停機，產(chǎn)生的結果是相同的，但是電壓暫降發(fā)生的幾率遠高于短時(shí)中斷會(huì )發(fā)生的幾率。調查顯示：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%。

停機的概念在傳統產(chǎn)業(yè)中只是生產(chǎn)暫時(shí)的中斷，而對半導體、LCD生產(chǎn)來(lái)說(shuō)就是一次災難。因為半導體、LCD生產(chǎn)設備的停機會(huì )造成大量直接損失和間接損失。這些損失包括：

       1）直接損失：半導體產(chǎn)品硅片損壞和浪費、設備壽命縮短甚至損壞、清理產(chǎn)線(xiàn)的人工成本等。

       2）間接損失：重新啟動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)需要的時(shí)間、降低產(chǎn)品品質(zhì)、延誤交貨時(shí)間等。

       國家發(fā)改委經(jīng)濟調節運行局曾開(kāi)展了電能質(zhì)量經(jīng)濟性影響調查，經(jīng)過(guò)大量的調研與分析，都表明電壓暫降與短時(shí)中斷都是*為顯著(zhù)的電能質(zhì)量問(wèn)題，成為供用電雙方共同面臨的挑戰。其中半導體行業(yè)因電能質(zhì)量擾動(dòng)帶來(lái)的生產(chǎn)損失高居前位。

因此，為了實(shí)時(shí)監測供電的電能質(zhì)量，在本項目的高壓配電進(jìn)線(xiàn)柜處裝設一臺電能質(zhì)量監測裝置APView500，同時(shí)為了保證整個(gè)配電系統日常安全穩定運行，在每面高壓開(kāi)關(guān)柜裝設一臺AM5系列微機保護裝置和一臺ASD200智能操控裝置；為了監測各回路的電能，在每面高壓開(kāi)關(guān)柜和低壓柜均配置我司的多功能儀表。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)配電室的運行以及數據采集，該項目配置一套Acrel-2000Z電力監控系統，其可實(shí)現的功能如下：

       1）實(shí)時(shí)監測：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)。

圖1 10kV變電站配電監測界面

圖2 0.4kV配電室母線(xiàn)配電監測界面

       2）電參量查詢(xún)：在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細電參量，包括三相電流、三相電壓、總有功功率、總無(wú)功功率、總功率因數、正向有功電能等。

       3）運行報表： 查詢(xún)各回路或設備時(shí)間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無(wú)功功率、正向有功電能等，報表格式有日報表、月報表、年報表等。

圖3 0.4kV電參量查詢(xún)界面

       4）實(shí)時(shí)告警：能夠對配電回路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀分、合動(dòng)作等遙信變位，保護動(dòng)作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。

       5）歷史事件查詢(xún)：能夠對遙信變位，保護動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警信息進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。

       6）故障錄波：能夠在系統發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)準確地記錄故障前、后過(guò)程的各種電氣量的變化情況，通過(guò)對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動(dòng)作、提高電力系統安全運行水平有著(zhù)重要作用。

       7）事故追憶：能夠自動(dòng)記錄事故時(shí)刻前后一段時(shí)間的所有實(shí)時(shí)穩態(tài)信息，包括開(kāi)關(guān)位置、 保護動(dòng)作狀態(tài)、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

       8）曲線(xiàn)查詢(xún)：能夠查詢(xún)實(shí)時(shí)曲線(xiàn)和歷史曲線(xiàn)，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無(wú)功功率、功率因數等所有遙測量。

       9）用戶(hù)權限管理：設置了用戶(hù)權限管理功能，通過(guò)用戶(hù)權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）。系統可以定義不同操作權限的權限組（如管理員組、工程師組、操作員組等），在每個(gè)權限組里分配不同用戶(hù)，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

       10）網(wǎng)絡(luò )拓撲圖：支持實(shí)時(shí)監視接入系統的各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )結構；可在線(xiàn)診斷設備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò )異常時(shí)能自動(dòng)在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖4 網(wǎng)絡(luò )拓撲圖

       11）遙控功能：根據電力規程要求，可以對整個(gè)配電系統范圍內的設備進(jìn)行遠程遙控操作。

       12）通信管理：可以對整個(gè)配電系統范圍內的設備通信情況進(jìn)行管理、控制、數據的實(shí)時(shí)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，電力監控系統主機放置于高壓配電房值班室內中，現場(chǎng)安裝圖片如下。 

       

  

圖5 現場(chǎng)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，出現多次電壓暫降，事件記錄如圖6。去年2022年10月份由于限電，出現過(guò)一次電壓暫降，暫降深度為1380V，持續時(shí)間為0.039s，如圖7；2023年1月23日發(fā)生過(guò)一次電壓暫降，暫降深度為2999V，持續時(shí)間為0.620s，由于春節期間，用戶(hù)單位放假，所有設備均停運，故未造成損失，如圖8；圖9為2月9號電力系統發(fā)生故障造成的電壓暫降事故監測界面，暫降深度為3453V，持續時(shí)間為0.637s，造成現場(chǎng)所有變頻器均停機，且照明燈也出現閃變的現象，該事件記錄的時(shí)間和故障類(lèi)型均和電力公司反饋的情況吻合，得到用戶(hù)的認可。

             

圖6 電壓暫降事件記錄                    圖7  10月28日電壓暫降事件記錄

               

圖8  1月23日電壓暫降事件記錄          圖9  2月9日電壓暫降事件記錄

       6 結語(yǔ)

       半導體滲透到我們工作、生活的方方面面，隨著(zhù)生活水平的提高，我們對芯片制造需求也越來(lái)越多。但伴隨信息技術(shù)的飛速發(fā)展，基于計算機、微處理器的用電設備和各種電力電子設備在電力系統中大量投入使用，它們對系統干擾比機電設備更加敏感，對供電質(zhì)量的要求也更為苛刻，相對低劣的電能質(zhì)量嚴重影響了靈敏設備的安全運行。本文介紹的電能質(zhì)量監測裝置可以針對供電電能質(zhì)量起到監測作用，為電能質(zhì)量治理提供可靠依據。

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

[2] 安科瑞用戶(hù)變電站綜合自動(dòng)化與運維解決方案.2021.11月版