電子半導體行業電能質量監測與治理系統解決方案

摘要：在國家鼓勵半導體材料國產化的政策導向下，本土半導體材料廠商不斷提升半導體產品技術水平和研發能力，逐漸打破了國外半導體廠商的壟斷格局，推進中國半導體材料國產化進程，促進中國半導體行業的發展。半導體產品的制造使用到的設備如單晶爐、多晶爐等都是惡性的諧波源，這些設備產生的諧波會污染電力系統，影響系統的供電質量。因此這些生產半導體的電子廠房需要一套系統解決方案，有效解決其產生的電能質量問題。

關鍵詞：半導體行業；電能質量；電能質量監測與治理；系統解決方案安科瑞安躍強

1引言

半導體是許多工業整機設備的核心，普遍應用于計算機、通信、消費電子、汽車、工業/醫療、軍事/政府等核心領域。為鼓勵半導體材料產業發展，突破產業瓶頸，我國出臺等多項政策支持半導體行業發展，為半導體材料產業的發展提供良好的發展環境。半導體等電子廠房相較于其他工業類廠房，主要特殊之處在于其潔凈等級要求高，光刻機、等離子注入機等精密設備的電源質量和電壓等級要求高。生產半導體的廠房使用到的大部分電子產品采用了非線性的可控變流裝置、變頻調速裝置等負荷，其產生的諧波問題導致了公用電網電能品質降低。若不治理，不僅會影響設備的正常運行，嚴重時甚至會威脅患者的生命安全，因此對半導體廠房供配電系統電能質量治理的深入分析研究勢在必行。

2諧波源分析

半導體芯片加工電子廠房生產制造配電系統,主要諧波負載為主要諧波源為單晶爐、多晶爐、各類精密設備、照明及變頻通風設備、計算機及UPS等。

目前大多數單晶爐是采用中頻感應電源加熱的工作方式，中頻電源主電路包括整流電路、濾波電路、單相橋式逆變電路和并聯諧振電路。其中整流電路采用三相全控橋式整流電路，作用是將三相50Hz工頻交流電壓整流成波動的直流電壓。單晶爐的中頻電源產生諧波電流僅含(k=1,2,3…)次。

單晶爐、多晶爐、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生大量的諧波，他們不但會造成機臺設備自身的壞機現象，回流進電網的諧波電流還會引起其它回路的發熱，電子開關誤動作、供電電壓不穩，甚至生產線停線、半成品的報廢，其損失不可謂不大。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，更加重了用電環境的惡化。

3諧波影響

3.1對電網的影響

導致電網功率消耗增大、設備試用時間降低、接地保護功能和遙控功能出現異常、線路與設備熱量增大等，特別是三次諧波導致非常大的中性線電流，造成配電變壓器零線電流大于相線電流數值，致使設備不能平穩運行。因此，諧波還能引發造成諧振在電網中發生，則會將運行正常的供電停止、情況嚴重、電網解裂等情況發生。諧振造成變電站局部并聯與串聯，致使電壓互感器設施損壞；造成變電站系統當中的設備與元件生成附加的諧波損耗，導致電力變壓器、電力電纜、電動機等設備溫度上升，電容器損壞，進而促進了絕緣材料發生質變的速率。

3.2對用電安全造成的影響

第一，失火造成災害。有些意外失火狀況的起因多數跟電力諧波有聯系。現階段節能燈、調光器設施中關開電源很普及，最初為了節約能源，之后這些設施卻產生了諧波源，導致電網的危險系數增加,中性線電流增大，嚴重的超出線電流，造成失火的潛在安全風險。第二，有關設備損壞。電能質量會影響繼電保護、計算機系統與精細儀器和機械等，造成其不能平穩運轉和操控，減少設施利用期限，進而導致繼電保護錯誤操作出現可避免的意外損失，造成不同情況的干擾。第三，通信擾亂。其電網擾亂的主要因素為發生諧波，通過基本靜電感應和電磁感應，經過通信線路導致聲頻混亂。其諧波頻率提升，則會有雜音問題，通過通信線路上導致音頻混亂。

3.3 諧波對于電氣設備產生的影響

第一，電力電容器產生的影響。而電容器在電網無功配置容量中占有比重很大，其中少數電容器安排只參照無功補償量，不會參照裝置點電能質量現實存在的污染狀況。惡劣情況下會出現串聯并聯諧振，造成電容器諧波過電壓與過電流，導致電容器開裂；第二，變壓器產生影響。諧波電流在變壓器中發生，致使銅耗提高，造成局部過熱、震蕩、聲音增大、繞組附加過熱等；第三，同步發電機產生的影響。在系統里面的同步發電機中流入負序電流與諧波電流，造成多余的損耗，導致發電機局部過熱，絕緣力度降低。第四，自動控制器產生的影響。現如今，數字控制技術已投入到更加廣泛領域，諸多精細負載針對受電電能質量指標有更高要求。基于此，電能質量被沾上臟物則會導致設備的監測模塊中引發畸變量、擾亂一般分解計算、造成出錯的輸出結果的損害。

4電子半導體行業電能質量監測和治理系統解決方案

4.1行業特征

l 對電能質量要求高:

l 負載中含有多種諧波源，配電諧波含量較高

l 諧波主要以6N土1次諧波為主

l 存在大量變頻設備，變頻設備之間存在相互諧振風險.

4.2解決方案

半導體芯片制造業在國民經濟中起著舉足輕重的作用，相關企業的規模也越來越大，其供配電系統穩定、可靠的運維不僅是其安全生產的基本保證，還關系到產品質量和生產的順利進行。集成電路芯片制造關鍵設備多、工位器具多、工藝步驟繁多復雜。除供配電系統外，還需傳送系統、超純水凈化系統、真空系統、氣冷風冷系統、特殊氣體分配系統來保證生產過程的順利實施以及關鍵設備的安全運行。由于整個工廠的生產條件最終通過電能供給來實現，因此半導體芯片制造對供電質量要求特別高。

安科瑞電氣提出的電能質量監測與治理系統解決方案可滿足電力監控管理、運維與電能質量治理等方面的需求，致力于為高速公路行業用戶提供一站式的整體解決方案，從產品、系統、服務等不同方面來滿足用戶的需要，為用戶創造價值。

 4.3方案特點

l 電能質量監測與治理系統即可通過本地設備為用戶提供電能質量監測、治理與設備運維等功能，亦可通過接入AcrelEMS-SEMI電站廠房能效管理平臺，為用戶提供遠程在線服務；

l 符合GB/T17626.30-2012中A準確度測量方法，適用于要求準確測量電能質量指標參數的場合；

l 專業化的電能質量監測：電能質量實時在線監測，測量精度高、測得準，符合IEC61000-4-30標準；

l 電能質量監測與治理裝置信息互聯，通過統一平臺管理，方便用戶同時監測電網電能質量以及治理數據；

l 采用三電平電力電子驅動器件，通過更多的電平輸出更高品質的治理波形。

4.4方案效果

l 對電網電能質量高精度的實時監控，包括電壓偏差、頻率偏差、諧波、電壓波動、閃變、三相電壓不平衡等。同時可對故障事件進行記錄，對監測點負荷曲線及電壓電流、電壓偏差、不平衡度、閃變等進行趨勢分析，用戶可以通過系統查看發生告警的事件波形、趨勢分析，亦可根據監測點的電能質量情況統計分析生成電能質量診斷報告。

l 通過集中補償+就地補償的治理策略，更高效的補償整個數據中心的無功和諧波，提高數據中心內系統電能質量、用電設備供電效率，大幅度降低設備故障率，達到數據中心內自動化設備對電源質量的要求，可有效解決諧波的干擾及誤跳閘問題。

l 系統提供多維度的用電指標統計與電能數據分析工具，為配電系統運行管理優化和節能損耗提供指導。

5安科瑞電能質量監測與治理系統產品選型

5.1集中治理

電子廠房內會使用到如風機、空調等等電器，這些電器分布較為分散，且單一的設備產生的諧波量較少，且為確保無功功率因數達到國標要求值，避免罰款，在配電房處對這些負載產生的電能質量問題進行集中治理，同時也可對整個低壓供配電系統進行電能質量在線監測，其中包含諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監測等，其集中治理的產品選型見表1。

表1電能質量監測及集中治理產品選型表

5.2就地治理

電子廠房在生產半導體器件的過程中需要使用到可控變流裝置、變頻調速裝置等負荷，這些設備在運行過程中會產生大量的諧波污染電網，如果不從源頭治理會影響到電壓的畸變率，最終會造成其他負載的損壞。針對以上負載情況，建議在各重要設備的配電箱增加電能質量補償設備進行就地治理，達到終端治理諧波的目的，避免諧波影響到整個配電系統和其他用電設備。

表2 就地治理的產品選型

5.3電能質量監測與治理系統                                             

（1）平臺拓撲

電能質量監測與治理系統系統平臺主要由電能質量治理設備、物理網關、服務器及服務終端四部分組成，其中電能質量治理設備作為基礎實現對數據采集與電能質量補償等，物理網關實現設備與服務器間的數據傳輸以及對設備進行策略功能分配，數據經由服務器最終以服務終端為媒介為用戶提供可視化展示。

（2）平臺展示

電能質量監測與治理系統除作為本地終端為用戶提供電能質量監測、治理與設備運維等功能外，亦可通過接入AcrelEMS企業微電網能效管理平臺，為用戶提供遠程在線服務。

6江蘇某電子廠房項目電能質量治理項目案例

6.1項目背景

江蘇某電子廠房內除生產半導體的核心器件外，還有傳送系統，水凈化系統，風冷系統、空調系統等，對電能質量要求非常高。這些設備皆屬于非線性負載，在使用過程中會產生大量諧波并注入系統中;如果不進行諧波治理，對電網造成嚴重的污染，也影響電子廠房中其他敏感設備的誤動作、中斷甚至癱瘓，降低了配電系統的安全性、可靠性。

6.2治理方案

根據以往測量經驗進行諧波分析與估算，諧波主要由單晶爐、晶圓機和一些非線性負載產生，供電系統由2臺1200kVA變壓器，采用集中治理+就地治理的方案。

集中治理：電子廠房內空調、風機設備的分布很廣，因此在每臺變壓器下加裝400A有源諧波治理系統裝置，由兩臺150A模塊和一臺100A模塊并機實現，型號為整柜式AnSin400-G Ⅰ型，自動跟蹤補償負載產生的諧波電流，保證供電系統安全可靠運行。

就地治理：單晶爐是該中心最惡性的負載，因此需要在配電末端對其產生的諧波電流進行治理，避免干擾其他用電設備，因此在使用單晶爐的配電間安裝壁掛式ANAPF600-380/BBL有源電力濾波器，就地治理單晶爐產生的諧波污染。 

6.3治理效果

選取該廠房單晶爐出線端配電箱，對其前后波形數據進行對比，通過裝設壁掛式ANAPF600-380/BBL有源電力濾波器裝置后，電壓畸變率以A相為例從10.45%降值5.58%，電流畸變率從28.94%降值5.67%，提升了電網波形質量，具體效果及參數如下表所示。 

表3 治理前后波形數據對比

7 結論

半導體材料技術在國內的發展促使很多半導體加工設備投入使用，這些設備普遍采用了電力電子變流和控制器件。這些設備在工作的同時也會產生大量的諧波，它們不但會造成機臺設備自身的壞機現象，回流進電網的諧波電流還會引起其它回路的發熱、電子開關誤動作、供電電壓不穩，甚至引起生產線停線、半成品的報廢。因此，安科瑞為電子廠房行業提供了一套完整的電能治理監測與治理的系統解決方案，使電子廠房的電能質量問題得到了有效的治理。從成本、性能、可靠性等角度綜合考慮，該方法具有較高的性價比。

作者介紹：

安躍強，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為為智能電網供配電。