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电能质量在线监测装置在上海新昇半导体科技有限公司配电工程的应用
2023-11-6 阅读(835)
未晓妃
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
自20世纪90年代以来，半导体行业发展迅速，在国民经济中扮演着重要角色。随着半导体芯片制造业的规模不断增*，越来越多的电力电子设备被应用于配电系统中，电能质量问题也日益受到关注。半导体生产设备对电能质量非常，电压暂降和谐波等问题会导致生产停产和设备损坏，给企业带来巨大的经济损失。因此，越来越多的半导体公司需求电能质量在线监测装置对电网中的电能质量问题进行监测，为电能质量治理提供依据。
关键词：半导体；电能质量；电压暂降；谐波
1 项目概况
上海新昇半导体科技有限公司成立于2014年6月，是上海硅产业集团股份有限公司全资控股子公司，坐落于中国（上海）自由贸易试验区临港新片区，是商业化提供300mm半导体硅片的国内供应商。主要从事高品质半导体硅片的研发，生产和销售，从事货物及技术的进出口业务。是第一期目标致力于在我国研究、开发适用于40-28nm节点的300mm硅单晶生长、硅片加工、外延片制备、硅片分析检测等硅片产业化成套量产工艺；建设300毫米半导体硅片的生产基地，实现300毫米半导体硅片的国产化，充分满足我国大规模集成电路产业对硅衬底基础材料的迫切要求。
本项目包含一个10kV开闭所，4个分配电所，供电系统图如图1所示，该项目中的供电系统都采用两进线一母联供电。需要在每个配电所的两路进线中装一台电能质量在线监测装置APView500对每一路进线的电能质量进行监测。
半导体行业属于制造行业，使用了大量高精密仪器设备，生产过程中通过信息系统发出指令由机台设备自动运行。 但是这些高精密生产机台设备，如：刻蚀、气相沉积、光刻、加热、清洗、测量仪器、自动检测等设备很容易受供电质量的影响，半导体行业属于连续性生产制程，一旦由于供电质量造成生产暂停需要耗费大的停工成本，比如核心生产机台（光刻机）暖机就需耗费24小时；半导体制造过程中，微小的粉尘都可能造成晶体管短路烧毁，在溅射镀膜等部分制程甚至需维持真空，一旦出现供电质量问题导致机台设备宕机，制程中止就会造成废料、设备损坏、甚至停产等严重事故发生。据统计，半导体行业每一次停机事 故所造成的直接和间接经济损失可高达上亿元。因此，半导体行业对生产线供电质量要求为重视，配置电能质量监测装置对电力系统中的电能质量进行实时监测，可以及时发现问题，解决问题，为后续电能质量提供依据，防止造成重大事故，避免经济损失。
图1 配电系统一次系统图
2 项目需求
本项目是上海新昇半导体科技有限公司的10/0.4kV供配电项目，包含一个开闭所，四个分配电所，开闭所进线来自于35kV变电站出线，5-1-F1进线来自开闭所出线，5-3、5-4、5-1-F2进线均来自5-1-F1出线。该半导体工厂在运行生产过程中主要存在以下电能质量问题：
1、电压暂降/中断
电压中断是指一相或多相供电电压消失降为10%以下。电压中断的原因有很多，常见的原因包括：自然灾害（台风、暴雨、雷电），人为因素（施工破坏、偷抢盗窃、误操 作、高峰限电），设备故障（老化、越级跳闸），外力因素（异物短路、重物倒压）等。除了人为计划停电外，其他原因都具有不确定性和不可抗性。
电压暂降是指电压暂降是指电网RMS电压值下降幅度介于额定电压的10%至90%之间，持续时间在半个周期到1分钟之间。导致电压暂降的原因有很多，主要受雷击、大风舞动、绝缘污闪等自然环境因素影响，引发电力系统保护和自动装置动作，或受大型施工机械违规进入电力设施保护区引起放电等。在所有配电系统事故中，电压暂降引起的事故占了70%-80%；而在输电系统事故中，电压暂降引起的事故所占的比例超过了90%。
电压中断和电压暂降可能会引起半导体生产设备宕机，而长时间的电压中断会直接造成整个产线停工，损失严重。发生宕机则会造成半导体产品硅片损坏和浪费、设备寿命缩短及损坏。重新启动设备同时也需要花费时间成本、降低产品品质、延误生产等，因此半导体工厂非常注重供电连续性。
2、谐波问题
IC测试台、PLC控制的机械手、芯片制造用的晶圆机或变频控制的半导体机台都会产生大量的谐波，它们不但会造成机台设备自身的坏机现象，回流进电网的谐波电流还会引起其他回路的发热、电子开关误动作、供电电压不稳，甚至引起生产线停线、半成品的报废。而且高能设备如：外延设备、扩散设备、离子注入设备的频繁加卸载，更加重了用电环境的恶化。
因此，为了实时监测供电的电能质量，在本项目的4个分配电所进线柜都安装了一台能质量在线监测装置APView500，同时为了监测各回路电能，在每个高压柜及低压柜都配置了我司的多功能仪表。
各类设备主要实现的功能如下：
| 产品图片 | 产品型号 | 主要功能 |
|
| APView500 电能质量在线监测装置 | 稳态数据：电压、电流值；有功、无功、视在功率/电能、功率因数；电流、电压不平衡度；电压偏差；频率偏差；2-63次谐波；0.5-62.5次间谐波；高频次谐波、电压闪变（短闪变、长闪变）、电压波动 暂态数据：电压中断；电压暂降；电压暂升 瞬态数据：电压瞬态；电流瞬态 |
|
| AMC系列可编程智能电测仪表 | 电力参数的测量：单相或者三相的电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、频率、功率因数等；复费率电能计量、四象限电能计量、谐波分析以及电能监测和考核管理。多种外围接口功能：带有RS485/MODBUS-RTU协议；带开关量输入和继电器输出可实现断路器开关的“遥信”和“遥控”的功能。 |
3 系统需求
为实时监视整个供电系统运行以及数据采集，该项目配置一套AcrelEMS企业微电网能效管理平台。AcrelEMS企业微电网能效管理平台，实现了从35kV配电到0.4kV用电侧的整体监控，提供电力监控，电能质量，电气安全，电能统计，能耗分析，环境监测等功能。对企业的用电管理起到的帮助。
1）电力监控：以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，可以实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分闸状态。同时可以对变压器及直流屏的相关参数进行监测，同时包含各类电力报表的输出功能。
图2 电力监控配电监测一次图界面展示
图3 电力监控变压器监测展示
图4 电力监控电力运行报表界面展示
2）电能质量：提供电能质量检测仪的暂态数据合稳态稳态监测，谐波频谱，稳态曲线，谐波曲线，负荷曲线，SOE事件，电能质量分析，电能质量治理等参数。如图5所示。
图5 电力质量界面展示
3）电气安全：电气安全包括漏电检测，电器接点测温，消防设备电源监测等功能。
4）电能统计：提供用电集抄，用电统计，分时段用电统计，用电同环比分析，分组用电统计等功能。
5）能耗分析：包含分类分项类能耗统计，能耗同环比分析，能耗趋势分析，能源费用统计，能源流向图等功能。
6）环境监测：配电室环境监测，机房环境监测，视频环境监测。
4 现场安装图片
本项目各类设备均就地安装于开关柜中，现场安装图片如下，目前装置在现场运行正常。
图6 装置现场安装图片
5 现场运行情况
本项目自装设电能质量监测装置起，对电力系统中出现的故障情况均可靠监测，在此过程中，在2023年5月28号出现1次电压暂降事件，事件记录如图7-10。
5-1-F1开闭所，暂降2933V、持续时间0.579s；
5-4分变电所，暂降2956V、持续时间0.485s；
5-3分变电所，暂降2978V、持续时间0.484s；
5-1-F2分变电所，暂降2932V、持续时间0.384s；
结合供电系统图和暂降数据分析5-1-F1开闭所上*级发生电压暂降，建议客户持续跟进并适当施加策略。
图7 开闭所进线SWG-52-IN暂降记录
图8 分变电所进线SWG-58-IN暂降记录
图9 分变电所进线SWG-56-IN暂降记录
图10 分变电所进线SWG-54-IN暂降记录
同时，当出现电压暂降或中断事件记录时，电能质量在线监测系统还会提供相应的ITIC（Information Technology Industry Council）和SEMI F47（半导体设备制造协会）容忍度分析曲线。
SEMI F47是一种针对半导体制造设备的电能质量标准。该标准规定了电力设备在供电系统电压暂降或中断情况下的容忍度要求。曲线的形状和范围表示了设备在不同电压暂降程度下的容忍程度。
如图可见本次事件的电压暂降情况超出了设备所能容忍的范围，设备可能会受到明显的影响。可能出现设备运行不稳定、工作中断、数据丢失、产品质量下降等问题。
根据SEMI F47容忍度曲线的分析结果，可以预估此次电压暂降事件对于电力设备的影响程度，进而采取相应的措施进行维护和，以保证设备的正常运行和生产线的稳定性。
图11 开闭所进线SWG-52-IN容忍度曲线SEMI F47
图12 分变电所进线SWG-58-IN暂降记录
图13 分变电所进线SWG-56-IN暂降记录
图14 分变电所进线SWG-54-IN暂降记录
6 结语
半导体行业对电能质量的稳定性要求为严格。稳定的电能质量对于半导体设备的正常运行至关重要。任何电能质量问题都可能导致设备故障、损坏甚至生产线停工，给企业带来严重的经济损失。
在电力电子技术的快速发展下，越来越多的非线性负载被引入到半导体生产过程中，如变频器、整流器、电弧炉等。这些非线性负载会引入谐波，造成电网谐波污染。谐波会使得设备发热、振动、噪音、运行不稳定等问题，同时也会加速设备的老化和损坏。
此外，供电系统的不稳定因素如闪电、暴雨、风、施工等都可能导致电压暂降或中断，产生负面影响。这些不稳定因素可能引发设备的工作中断、数据丢失、产品质量下降等问题，对生产效率和企业形象都带来严重影响。
因此，半导体行业加强对电能质量的监测与控制，采用电能质量在线监测装置能够实时监测供电系统的电能质量，及时发现和解决问题。通过优化电能质量，可以保障设备的稳定运行，提高生产效率，降低设备故障率和维修成本，从而为企业带来更高的竞争优势和经济效益。
