未曉妃
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
自20世紀(jì)90年代以來(lái),半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展迅速,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中扮演著重要角色。隨著半導(dǎo)體芯片制造業(yè)的規(guī)模不斷增*,越來(lái)越多的電力電子設(shè)備被應(yīng)用于配電系統(tǒng)中,電能質(zhì)量問(wèn)題也日益受到關(guān)注。半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量非常,電壓暫降和諧波等問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)停產(chǎn)和設(shè)備損壞,給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此,越來(lái)越多的半導(dǎo)體公司需求電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置對(duì)電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行監(jiān)測(cè),為電能質(zhì)量治理提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞:半導(dǎo)體;電能質(zhì)量;電壓暫降;諧波
1 項(xiàng)目概況
上海新昇半導(dǎo)體科技有限公司成立于2014年6月,是上海硅產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司全資控股子公司,坐落于中國(guó)(上海)自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)臨港新片區(qū),是商業(yè)化提供300mm半導(dǎo)體硅片的國(guó)內(nèi)供應(yīng)商。主要從事高品質(zhì)半導(dǎo)體硅片的研發(fā),生產(chǎn)和銷售,從事貨物及技術(shù)的進(jìn)出口業(yè)務(wù)。是第一期目標(biāo)致力于在我國(guó)研究、開發(fā)適用于40-28nm節(jié)點(diǎn)的300mm硅單晶生長(zhǎng)、硅片加工、外延片制備、硅片分析檢測(cè)等硅片產(chǎn)業(yè)化成套量產(chǎn)工藝;建設(shè)300毫米半導(dǎo)體硅片的生產(chǎn)基地,實(shí)現(xiàn)300毫米半導(dǎo)體硅片的國(guó)產(chǎn)化,充分滿足我國(guó)大規(guī)模集成電路產(chǎn)業(yè)對(duì)硅襯底基礎(chǔ)材料的迫切要求。
本項(xiàng)目包含一個(gè)10kV開閉所,4個(gè)分配電所,供電系統(tǒng)圖如圖1所示,該項(xiàng)目中的供電系統(tǒng)都采用兩進(jìn)線一母聯(lián)供電。需要在每個(gè)配電所的兩路進(jìn)線中裝一臺(tái)電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置APView500對(duì)每一路進(jìn)線的電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
半導(dǎo)體行業(yè)屬于制造行業(yè),使用了大量高精密儀器設(shè)備,生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)信息系統(tǒng)發(fā)出指令由機(jī)臺(tái)設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行。 但是這些高精密生產(chǎn)機(jī)臺(tái)設(shè)備,如:刻蝕、氣相沉積、光刻、加熱、清洗、測(cè)量?jī)x器、自動(dòng)檢測(cè)等設(shè)備很容易受供電質(zhì)量的影響,半導(dǎo)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(fèi)大的停工成本,比如核心生產(chǎn)機(jī)臺(tái)(光刻機(jī))暖機(jī)就需耗費(fèi)24小時(shí);半導(dǎo)體制造過(guò)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(wèn)題導(dǎo)致機(jī)臺(tái)設(shè)備宕機(jī),制程中止就會(huì)造成廢料、設(shè)備損壞、甚至停產(chǎn)等嚴(yán)重事故發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì),半導(dǎo)體行業(yè)每一次停機(jī)事 故所造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失可高達(dá)上億元。因此,半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)生產(chǎn)線供電質(zhì)量要求為重視,配置電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置對(duì)電力系統(tǒng)中的電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,解決問(wèn)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(jì)損失。
圖1 配電系統(tǒng)一次系統(tǒng)圖
2 項(xiàng)目需求
本項(xiàng)目是上海新昇半導(dǎo)體科技有限公司的10/0.4kV供配電項(xiàng)目,包含一個(gè)開閉所,四個(gè)分配電所,開閉所進(jìn)線來(lái)自于35kV變電站出線,5-1-F1進(jìn)線來(lái)自開閉所出線,5-3、5-4、5-1-F2進(jìn)線均來(lái)自5-1-F1出線。該半導(dǎo)體工廠在運(yùn)行生產(chǎn)過(guò)程中主要存在以下電能質(zhì)量問(wèn)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(zāi)害(臺(tái)風(fēng)、暴雨、雷電),人為因素(施工破壞、偷搶盜竊、誤操 作、高峰限電),設(shè)備故障(老化、越級(jí)跳閘),外力因素(異物短路、重物倒壓)等。除了人為計(jì)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(shí)間在半個(gè)周期到1分鐘之間。導(dǎo)致電壓暫降的原因有很多,主要受雷擊、大風(fēng)舞動(dòng)、絕緣污閃等自然環(huán)境因素影響,引發(fā)電力系統(tǒng)保護(hù)和自動(dòng)裝置動(dòng)作,或受大型施工機(jī)械違規(guī)進(jìn)入電力設(shè)施保護(hù)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(guò)了90%。
電壓中斷和電壓暫降可能會(huì)引起半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備宕機(jī),而長(zhǎng)時(shí)間的電壓中斷會(huì)直接造成整個(gè)產(chǎn)線停工,損失嚴(yán)重。發(fā)生宕機(jī)則會(huì)造成半導(dǎo)體產(chǎn)品硅片損壞和浪費(fèi)、設(shè)備壽命縮短及損壞。重新啟動(dòng)設(shè)備同時(shí)也需要花費(fèi)時(shí)間成本、降低產(chǎn)品品質(zhì)、延誤生產(chǎn)等,因此半導(dǎo)體工廠非常注重供電連續(xù)性。
2、諧波問(wèn)題
IC測(cè)試臺(tái)、PLC控制的機(jī)械手、芯片制造用的晶圓機(jī)或變頻控制的半導(dǎo)體機(jī)臺(tái)都會(huì)產(chǎn)生大量的諧波,它們不但會(huì)造成機(jī)臺(tái)設(shè)備自身的壞機(jī)現(xiàn)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、電子開關(guān)誤動(dòng)作、供電電壓不穩(wěn),甚至引起生產(chǎn)線停線、半成品的報(bào)廢。而且高能設(shè)備如:外延設(shè)備、擴(kuò)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。
因此,為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供電的電能質(zhì)量,在本項(xiàng)目的4個(gè)分配電所進(jìn)線柜都安裝了一臺(tái)能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置APView500,同時(shí)為了監(jiān)測(cè)各回路電能,在每個(gè)高壓柜及低壓柜都配置了我司的多功能儀表。
各類設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)的功能如下:
產(chǎn)品圖片 | 產(chǎn)品型號(hào) | 主要功能 |
| APView500 電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置 | 穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù):電壓、電流值;有功、無(wú)功、視在功率/電能、功率因數(shù);電流、電壓不平衡度;電壓偏差;頻率偏差;2-63次諧波;0.5-62.5次間諧波;高頻次諧波、電壓閃變(短閃變、長(zhǎng)閃變)、電壓波動(dòng) 暫態(tài)數(shù)據(jù):電壓中斷;電壓暫降;電壓暫升 瞬態(tài)數(shù)據(jù):電壓瞬態(tài);電流瞬態(tài) |
| AMC系列可編程智能電測(cè)儀表 | 電力參數(shù)的測(cè)量:?jiǎn)蜗嗷蛘呷嗟碾娏?、電壓、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、頻率、功率因數(shù)等;復(fù)費(fèi)率電能計(jì)量、四象限電能計(jì)量、諧波分析以及電能監(jiān)測(cè)和考核管理。多種外圍接口功能:帶有RS485/MODBUS-RTU協(xié)議;帶開關(guān)量輸入和繼電器輸出可實(shí)現(xiàn)斷路器開關(guān)的“遙信”和“遙控”的功能。 |
3 系統(tǒng)需求
為實(shí)時(shí)監(jiān)視整個(gè)供電系統(tǒng)運(yùn)行以及數(shù)據(jù)采集,該項(xiàng)目配置一套AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺(tái)。AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺(tái),實(shí)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(jì),能耗分析,環(huán)境監(jiān)測(cè)等功能。對(duì)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(yùn)行狀態(tài),可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息,動(dòng)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(shí)可以對(duì)變壓器及直流屏的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),同時(shí)包含各類電力報(bào)表的輸出功能。
圖2 電力監(jiān)控配電監(jiān)測(cè)一次圖界面展示
圖3 電力監(jiān)控變壓器監(jiān)測(cè)展示
圖4 電力監(jiān)控電力運(yùn)行報(bào)表界面展示
2)電能質(zhì)量:提供電能質(zhì)量檢測(cè)儀的暫態(tài)數(shù)據(jù)合穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)監(jiān)測(cè),諧波頻譜,穩(wěn)態(tài)曲線,諧波曲線,負(fù)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(cè),電器接點(diǎn)測(cè)溫,消防設(shè)備電源監(jiān)測(cè)等功能。
4)電能統(tǒng)計(jì):提供用電集抄,用電統(tǒng)計(jì),分時(shí)段用電統(tǒng)計(jì),用電同環(huán)比分析,分組用電統(tǒng)計(jì)等功能。
5)能耗分析:包含分類分項(xiàng)類能耗統(tǒng)計(jì),能耗同環(huán)比分析,能耗趨勢(shì)分析,能源費(fèi)用統(tǒng)計(jì),能源流向圖等功能。
6)環(huán)境監(jiān)測(cè):配電室環(huán)境監(jiān)測(cè),機(jī)房環(huán)境監(jiān)測(cè),視頻環(huán)境監(jiān)測(cè)。
4 現(xiàn)場(chǎng)安裝圖片
本項(xiàng)目各類設(shè)備均就地安裝于開關(guān)柜中,現(xiàn)場(chǎng)安裝圖片如下,目前裝置在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行正常。
圖6 裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝圖片
5 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況
本項(xiàng)目自裝設(shè)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置起,對(duì)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障情況均可靠監(jiān)測(cè),在此過(guò)程中,在2023年5月28號(hào)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(shí)間0.579s;
5-4分變電所,暫降2956V、持續(xù)時(shí)間0.485s;
5-3分變電所,暫降2978V、持續(xù)時(shí)間0.484s;
5-1-F2分變電所,暫降2932V、持續(xù)時(shí)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(jí)發(fā)生電壓暫降,建議客戶持續(xù)跟進(jìn)并適當(dāng)施加策略。
圖7 開閉所進(jìn)線SWG-52-IN暫降記錄
圖8 分變電所進(jìn)線SWG-58-IN暫降記錄
圖9 分變電所進(jìn)線SWG-56-IN暫降記錄
圖10 分變電所進(jìn)線SWG-54-IN暫降記錄
同時(shí),當(dāng)出現(xiàn)電壓暫降或中斷事件記錄時(shí),電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還會(huì)提供相應(yīng)的ITIC(Information Technology Industry Council)和SEMI F47(半導(dǎo)體設(shè)備制造協(xié)會(huì))容忍度分析曲線。
SEMI F47是一種針對(duì)半導(dǎo)體制造設(shè)備的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電力設(shè)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(shè)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(shè)備所能容忍的范圍,設(shè)備可能會(huì)受到明顯的影響??赡艹霈F(xiàn)設(shè)備運(yùn)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(wèn)題。
根據(jù)SEMI F47容忍度曲線的分析結(jié)果,可以預(yù)估此次電壓暫降事件對(duì)于電力設(shè)備的影響程度,進(jìn)而采取相應(yīng)的措施進(jìn)行維護(hù)和,以保證設(shè)備的正常運(yùn)行和生產(chǎn)線的穩(wěn)定性。
圖11 開閉所進(jìn)線SWG-52-IN容忍度曲線SEMI F47
圖12 分變電所進(jìn)線SWG-58-IN暫降記錄
圖13 分變電所進(jìn)線SWG-56-IN暫降記錄
圖14 分變電所進(jìn)線SWG-54-IN暫降記錄
6 結(jié)語(yǔ)
半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)電能質(zhì)量的穩(wěn)定性要求為嚴(yán)格。穩(wěn)定的電能質(zhì)量對(duì)于半導(dǎo)體設(shè)備的正常運(yùn)行至關(guān)重要。任何電能質(zhì)量問(wèn)題都可能導(dǎo)致設(shè)備故障、損壞甚至生產(chǎn)線停工,給企業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。
在電力電子技術(shù)的快速發(fā)展下,越來(lái)越多的非線性負(fù)載被引入到半導(dǎo)體生產(chǎn)過(guò)程中,如變頻器、整流器、電弧爐等。這些非線性負(fù)載會(huì)引入諧波,造成電網(wǎng)諧波污染。諧波會(huì)使得設(shè)備發(fā)熱、振動(dòng)、噪音、運(yùn)行不穩(wěn)定等問(wèn)題,同時(shí)也會(huì)加速設(shè)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(fēng)、施工等都可能導(dǎo)致電壓暫降或中斷,產(chǎn)生負(fù)面影響。這些不穩(wěn)定因素可能引發(fā)設(shè)備的工作中斷、數(shù)據(jù)丟失、產(chǎn)品質(zhì)量下降等問(wèn)題,對(duì)生產(chǎn)效率和企業(yè)形象都帶來(lái)嚴(yán)重影響。
因此,半導(dǎo)體行業(yè)加強(qiáng)對(duì)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)與控制,采用電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題。通過(guò)優(yōu)化電能質(zhì)量,可以保障設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行,提高生產(chǎn)效率,降低設(shè)備故障率和維修成本,從而為企業(yè)帶來(lái)更高的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益。
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