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

未曉妃

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

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

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(mào)易試驗區(qū)臨港新片區(qū)，是商業(yè)化提供300mm半導體硅片的國內(nèi)供應商。主要從事高品質(zhì)半導體硅片的研發(fā)，生產(chǎn)和銷售，從事貨物及技術(shù)的進出口業(yè)務。是第一期目標致力于在我國研究、開發(fā)適用于40-28nm節(jié)點的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300毫米半導體硅片的生產(chǎn)基地，實現(xiàn)300毫米半導體硅片的國產(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。

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

半導體行業(yè)屬于制造行業(yè)，使用了大量高精密儀器設備，生產(chǎn)過程中通過信息系統(tǒng)發(fā)出指令由機臺設備自動運行。 但是這些高精密生產(chǎn)機臺設備，如：刻蝕、氣相沉積、光刻、加熱、清洗、測量儀器、自動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(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；半導體制造過程中，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)量問題導致機臺設備宕機，制程中止就會造成廢料、設備損壞、甚至停產(chǎn)等嚴重事故發(fā)生。據(jù)統(tǒng)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)量進行實時監(jiān)測，可以及時發(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)濟損失。

圖1 配電系統(tǒng)一次系統(tǒng)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，包含一個開閉所，四個分配電所，開閉所進線來自于35kV變電站出線，5-1-F1進線來自開閉所出線，5-3、5-4、5-1-F2進線均來自5-1-F1出線。該半導體工廠在運行生產(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：自然災害（臺風、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(xù)時間在半個周期到1分鐘之間。導致電壓暫降的原因有很多，主要受雷擊、大風舞動、絕緣污閃等自然環(huán)境因素影響，引發(fā)電力系統(tǒng)保護和自動裝置動作，或受大型施工機械違規(guī)進入電力設施保護區(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引起半導體生產(chǎn)設備宕機，而長時間的電壓中斷會直接造成整個產(chǎn)線停工，損失嚴重。發(fā)生宕機則會造成半導體產(chǎn)品硅片損壞和浪費、設備壽命縮短及損壞。重新啟動設備同時也需要花費時間成本、降低產(chǎn)品品質(zhì)、延誤生產(chǎn)等，因此半導體工廠非常注重供電連續(xù)性。

2、諧波問題

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產(chǎn)生大量的諧波，它們不但會造成機臺設備自身的壞機現(xiàn)象，回流進電網(wǎng)的諧波電流還會引起其他回路的發(fā)熱、電子開關(guān)誤動作、供電電壓不穩(wěn)，甚至引起生產(chǎn)線停線、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，為了實時監(jiān)測供電的電能質(zhì)量，在本項目的4個分配電所進線柜都安裝了一臺能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置APView500，同時為了監(jiān)測各回路電能，在每個高壓柜及低壓柜都配置了我司的多功能儀表。

各類設備主要實現(xiàn)的功能如下：

3 系統(tǒng)需求

為實時監(jiān)視整個供電系統(tǒng)運行以及數(shù)據(jù)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，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行狀態(tài)，可以實時監(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)。同時可以對變壓器及直流屏的相關(guān)參數(shù)進行監(jiān)測，同時包含各類電力報表的輸出功能。

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(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，電器接點測溫，消防設備電源監(jiān)測等功能。

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

5）能耗分析：包含分類分項類能耗統(tǒng)計，能耗同環(huán)比分析，能耗趨勢分析，能源費用統(tǒng)計，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

本項目各類設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)場運行正常。

圖6 裝置現(xiàn)場安裝圖片

5 現(xiàn)場運行情況

本項目自裝設電能質(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)時間0.579s；

5-4分變電所，暫降2956V、持續(xù)時間0.485s；

5-3分變電所，暫降2978V、持續(xù)時間0.484s；

5-1-F2分變電所，暫降2932V、持續(xù)時間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*級發(fā)生電壓暫降，建議客戶持續(xù)跟進并適當施加策略。

圖7 開閉所進線SWG-52-IN暫降記錄       

圖8 分變電所進線SWG-58-IN暫降記錄

圖9 分變電所進線SWG-56-IN暫降記錄

圖10 分變電所進線SWG-54-IN暫降記錄

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

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(guī)定了電力設備在供電系統(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備所能容忍的范圍，設備可能會受到明顯的影響?？赡艹霈F(xiàn)設備運行不穩(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，可以預估此次電壓暫降事件對于電力設備的影響程度，進而采取相應的措施進行維護和，以保證設備的正常運行和生產(chǎn)線的穩(wěn)定性。

圖11 開閉所進線SWG-52-IN容忍度曲線SEMI F47

圖12 分變電所進線SWG-58-IN暫降記錄

圖13 分變電所進線SWG-56-IN暫降記錄

圖14 分變電所進線SWG-54-IN暫降記錄

6 結(jié)語

半導體行業(yè)對電能質(zhì)量的穩(wěn)定性要求為嚴格。穩(wěn)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)量問題都可能導致設備故障、損壞甚至生產(chǎn)線停工，給企業(yè)帶來嚴重的經(jīng)濟損失。

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

此外，供電系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素如閃電、暴雨、風、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(wěn)定因素可能引發(fā)設備的工作中斷、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)形象都帶來嚴重影響。

因此，半導體行業(yè)加強對電能質(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監(jiān)測供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題。通過優(yōu)化電能質(zhì)量，可以保障設備的穩(wěn)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)帶來更高的競爭優(yōu)勢和經(jīng)濟效益。