【節(jié)能學(xué)院】電能質(zhì)量監(jiān)測裝置在某半導(dǎo)體公司的應(yīng)用

摘 要：半導(dǎo)體生產(chǎn)制造業(yè)在國民經(jīng)濟中起著舉足輕重的作用，相關(guān)企業(yè)的規(guī)模也越來越大。其供配電系統(tǒng)穩(wěn)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)的順利進行。而半導(dǎo)體行業(yè)中大部分工藝設(shè)備對電能質(zhì)量比較敏感，電壓暫降、諧波等電能質(zhì)量問題會導(dǎo)致設(shè)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(dǎo)體行業(yè)裝設(shè)電能質(zhì)量監(jiān)測裝置來監(jiān)測供電的電能質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體；電能質(zhì)量；電壓暫降；諧波。

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項目概況

在國家政策的引導(dǎo)下，電子行業(yè)發(fā)展迅速，同時新建了大量電子行業(yè)工廠。工廠用電量大且大部分工藝需要不間斷運行，配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備一旦意外斷電會導(dǎo)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(shè)備對電壓、電流比較敏感，電壓電流的變化會導(dǎo)致設(shè)備損壞、生產(chǎn)材料報廢等問題；并且工廠電壓等級比較多，出于供電可靠性要求和工藝設(shè)備需要電壓等級不同，工廠配電電壓從110kV到66kV、35kV、10kV、0.48kV、0.4kV不等，涉及的各電壓等級變壓器數(shù)量非常多。針對以上情況，需要配置電能質(zhì)量監(jiān)測裝置來監(jiān)測用電電能質(zhì)量情況，為后續(xù)改善電能質(zhì)量提供依據(jù)。

某半導(dǎo)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(qū)。經(jīng)營范圍包括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)、銷售、技術(shù)服務(wù)、技術(shù)咨詢及其售后服務(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(mào)易、轉(zhuǎn)口貿(mào)易、保稅區(qū)企業(yè)間貿(mào)易以及區(qū)內(nèi)貿(mào)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）的進出口、批發(fā)、傭金代理（拍賣除外）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)進出口除外）。

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項目需求

本次項目為某半導(dǎo)體有限公司10/0.4KV用戶變電站項目，該變電站供電系統(tǒng)為單母線供電系統(tǒng)，共設(shè)一面高壓進線柜、一面計量柜、一面母線PT柜和四面專變出線柜。由于該公司主要生產(chǎn)電子材料、芯片等半導(dǎo)體設(shè)備，而半導(dǎo)體芯片制造生產(chǎn)中主要存在以下電能質(zhì)量問題：

1、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(dǎo)體機臺都會產(chǎn)生大量的諧波，它們不但會造成機臺設(shè)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(shè)備如：外延設(shè)備、擴散設(shè)備、離子注入設(shè)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(xiàn)代化的半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備對電力品質(zhì)問題非常敏感，相對于傳統(tǒng)工業(yè)來說，半導(dǎo)體、LCD制造對電壓暫降非常敏感，持續(xù)16ms的幅值為額定值85%-90%電壓暫降即可能導(dǎo)致設(shè)備停機。電壓暫降與短時中斷的差別在于短時中斷時負載一般與供電系統(tǒng)基本斷開（幅值低于額定值的10%），而電壓暫降發(fā)生時負載仍與電源連接。對于半導(dǎo)體行業(yè)而言，兩者均會造成設(shè)備停機，產(chǎn)生的結(jié)果是相同的，但是電壓暫降發(fā)生的幾率遠高于短時中斷會發(fā)生的幾率。調(diào)查顯示：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%。

停機的概念在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中只是生產(chǎn)暫時的中斷，而對半導(dǎo)體、LCD生產(chǎn)來說就是一次災(zāi)難。因為半導(dǎo)體、LCD生產(chǎn)設(shè)備的停機會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(dǎo)體產(chǎn)品硅片損壞和浪費、設(shè)備壽命縮短甚至損壞、清理產(chǎn)線的人工成本等。

2）間接損失：重新啟動生產(chǎn)線需要的時間、降低產(chǎn)品品質(zhì)、延誤交貨時間等。

國家發(fā)改委經(jīng)濟調(diào)節(jié)運行局曾開展了電能質(zhì)量經(jīng)濟性影響調(diào)查，經(jīng)過大量的調(diào)研與分析，都表明電壓暫降與短時中斷都是顯著的電能質(zhì)量問題，成為供用電雙方共同面臨的挑戰(zhàn)。其中半導(dǎo)體行業(yè)因電能質(zhì)量擾動帶來的生產(chǎn)損失占據(jù)高位。

因此，為了實時監(jiān)測供電的電能質(zhì)量，在本項目的高壓配電進線柜處裝設(shè)一臺電能質(zhì)量監(jiān)測裝置APView500，同時為了保證整個配電系統(tǒng)日常安全穩(wěn)定運行，在每面高壓開關(guān)柜裝設(shè)一臺AM5系列微機保護裝置和一臺ASD200智能操控裝置；為了監(jiān)測各回路的電能，在每面高壓開關(guān)柜和低壓柜均配置我司的多功能儀表。各類設(shè)備主要實現(xiàn)的功能如下：

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系統(tǒng)需求

為實時監(jiān)視整個配電室的運行以及數(shù)據(jù)采集，該項目配置一套Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)，其可實現(xiàn)的功能如下：

1）實時監(jiān)測：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)。

圖1 10kV變電站配電監(jiān)測界面

圖2 0.4kV配電室母線配電監(jiān)測界面

1）電參量查詢：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、總無功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能等。

2）運行報表：查詢各回路或設(shè)備指定時間的運行參數(shù)，報表中顯示電參量信息應(yīng)包括：各相電流、三相電壓、總功率因數(shù)、總有功功率、總無功功率、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電參量查詢界面

4）實時告警：能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲鳌⒏綦x開關(guān)、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。

5）歷史事件查詢：能夠?qū)b信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警信息進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

6）故障錄波：能夠在系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動準(zhǔn)確地記錄故障前、后過程的各種電氣量的變化情況，通過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作、提高電力系統(tǒng)安全運行水平有著重要作用。

7）事故追憶：能夠自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時穩(wěn)態(tài)信息，包括開關(guān)位置、 保護動作狀態(tài)、遙測量等，形成事故分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

8）曲線查詢：能夠查詢實時曲線和歷史曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等所有遙測量。

9）用戶權(quán)限管理：設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能，通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）。系統(tǒng)可以定義不同操作權(quán)限的權(quán)限組（如管理員組、工程師組、操作員組等），在每個權(quán)限組里分配不同用戶，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

10）網(wǎng)絡(luò)拓撲圖：支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；可在線診斷設(shè)備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時能自動在界面上顯示故障設(shè)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(jù)電力規(guī)程要求，可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備進行遠程遙控操作。

12）通信管理：可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備通信情況進行管理、控制、數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。

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現(xiàn)場安裝圖片

本項目各類設(shè)備均就地安裝于開關(guān)柜中，電力監(jiān)控系統(tǒng)主機放置于高壓配電房值班室內(nèi)中，現(xiàn)場安裝圖片如下。

圖5 現(xiàn)場圖片

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現(xiàn)場運行情況

本項目自裝設(shè)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，出現(xiàn)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(xiàn)過一次電壓暫降，暫降深度為1380V，持續(xù)時間為0.039s，如圖7；2023年1月23日發(fā)生過一次電壓暫降，暫降深度為2999V，持續(xù)時間為0.620s，由于春節(jié)期間，用戶單位放假，所有設(shè)備均停運，故未造成損失，如圖8；圖9為2月9號電力系統(tǒng)發(fā)生故障造成的電壓暫降事故監(jiān)測界面，暫降深度為3453V，持續(xù)時間為0.637s，造成現(xiàn)場所有變頻器均停機，且照明燈也出現(xiàn)閃變的現(xiàn)象，該事件記錄的時間和故障類型均和電力公司反饋的情況吻合，得到用戶的認(rèn)可。

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結(jié)語

半導(dǎo)體滲透到我們工作、生活的方方面面，隨著生活水平的提高，我們對芯片制造需求也越來越多。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(shè)備和各種電力電子設(shè)備在電力系統(tǒng)中大量投入使用，它們對系統(tǒng)干擾比機電設(shè)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(yán)重影響了靈敏設(shè)備的安全運行。本文介紹的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置可以針對供電電能質(zhì)量起到監(jiān)測作用，為電能質(zhì)量治理提供可靠依據(jù)。