電能質量在線監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，半導體行業發展迅速，在國民經濟中扮演著重要角色。隨著半導體芯片制造業的規模不斷增*，越來越多的電力電子設備被應用于配電系統中，電能質量問題也日益受到關注。半導體生產設備對電能質量非常，電壓暫降和諧波等問題會導致生產停產和設備損壞，給企業帶來巨大的經濟損失。因此，越來越多的半導體公司需求電能質量在線監測裝置對電網中的電能質量問題進行監測，為電能質量治理提供依據。

 

關鍵詞：半導體；電能質量；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，是上海硅產業集團股份有限公司全資控股子公司，坐落于中國（上海）自由貿易試驗區臨港新片區，是商業化提供300mm半導體硅片的國內供應商。主要從事高品質半導體硅片的研發，生產和銷售，從事貨物及技術的進出口業務。是第一期目標致力于在我國研究、開發適用于40-28nm節點的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業化成套量產工藝；建設300毫米半導體硅片的生產基地，實現300毫米半導體硅片的國產化，充分滿足我國大規模集成電路產業對硅襯底基礎材料的迫切要求。

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

半導體行業屬于制造行業，使用了大量高精密儀器設備，生產過程中通過信息系統發出指令由機臺設備自動運行。 但是這些高精密生產機臺設備，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量的影響，半導體行業屬于連續性生產制程，一旦由于供電質量造成生產暫停需要耗費大的停工成本，比如核心生產機臺（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，一旦出現供電質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、甚至停產等嚴重事故發生。據統計，半導體行業每一次停機事 故所造成的直接和間接經濟損失可高達上億元。因此，半導體行業對生產線供電質量要求為重視，配置電能質量監測裝置對電力系統中的電能質量進行實時監測，可以及時發現問題，解決問題，為后續電能質量提供依據，防止造成重大事故，避免經濟損失。

 

 

 

 

 

圖1 配電系統一次系統圖

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過程中主要存在以下電能質量問題：

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RMS電壓值下降幅度介于額定電壓的10%至90%之間，持續時間在半個周期到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、絕緣污閃等自然環境因素影響，引發電力系統保護和自動裝置動作，或受大型施工機械違規進入電力設施保護區引起放電等。在所有配電系統事故中，電壓暫降引起的事故占了70%-80%；而在輸電系統事故中，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設備宕機，而長時間的電壓中斷會直接造成整個產線停工，損失嚴重。發生宕機則會造成半導體產品硅片損壞和浪費、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、降低產品品質、延誤生產等，因此半導體工廠非常注重供電連續性。

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他回路的發熱、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。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。

因此，為了實時監測供電的電能質量，在本項目的4個分配電所進線柜都安裝了一臺能質量在線監測裝置APView500，同時為了監測各回路電能，在每個高壓柜及低壓柜都配置了我司的多功能儀表。

各類設備主要實現的功能如下：

3 系統需求

為實時監視整個供電系統運行以及數據采集，該項目配置一套AcrelEMS企業微電網能效管理平臺。AcrelEMS企業微電網能效管理平臺，實現了從35kV配電到0.4kV用電側的整體監控，提供電力監控，電能質量，電氣安全，電能統計，能耗分析，環境監測等功能。對企業的用電管理起到的幫助。

1）電力監控：以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態，可以實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分閘狀態。同時可以對變壓器及直流屏的相關參數進行監測，同時包含各類電力報表的輸出功能。

 

圖2 電力監控配電監測一次圖界面展示

 

圖3 電力監控變壓器監測展示

 

圖4 電力監控電力運行報表界面展示

2）電能質量：提供電能質量檢測儀的暫態數據合穩態穩態監測，諧波頻譜，穩態曲線，諧波曲線，負荷曲線，SOE事件，電能質量分析，電能質量治理等參數。如圖5所示。

 

圖5 電力質量界面展示

3）電氣安全：電氣安全包括漏電檢測，電器接點測溫，消防設備電源監測等功能。

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

5）能耗分析：包含分類分項類能耗統計，能耗同環比分析，能耗趨勢分析，能源費用統計，能源流向圖等功能。

6）環境監測：配電室環境監測，機房環境監測，視頻環境監測。

4 現場安裝圖片

本項目各類設備均就地安裝于開關柜中，現場安裝圖片如下，目前裝置在現場運行正常。

 

 

圖6 裝置現場安裝圖片

5 現場運行情況

本項目自裝設電能質量監測裝置起，對電力系統中出現的故障情況均可靠監測，在此過程中，在2023年5月28號出現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、持續時間0.579s；

5-4分變電所，暫降2956V、持續時間0.485s；

5-3分變電所，暫降2978V、持續時間0.484s；

5-1-F2分變電所，暫降2932V、持續時間0.384s；

結合供電系統圖和暫降數據分析5-1-F1開閉所上*級發生電壓暫降，建議客戶持續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，當出現電壓暫降或中斷事件記錄時，電能質量在線監測系統還會提供相應的ITIC（Information Technology Industry Council）和SEMI F47（半導體設備制造協會）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量標準。該標準規定了電力設備在供電系統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。可能出現設備運行不穩定、工作中斷、數據丟失、產品質量下降等問題。

根據SEMI F47容忍度曲線的分析結果，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線的穩定性。

 

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 結語

半導體行業對電能質量的穩定性要求為嚴格。穩定的電能質量對于半導體設備的正常運行至關重要。任何電能質量問題都可能導致設備故障、損壞甚至生產線停工，給企業帶來嚴重的經濟損失。

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

此外，供電系統的不穩定因素如閃電、暴雨、風、施工等都可能導致電壓暫降或中斷，產生負面影響。這些不穩定因素可能引發設備的工作中斷、數據丟失、產品質量下降等問題，對生產效率和企業形象都帶來嚴重影響。

因此，半導體行業加強對電能質量的監測與控制，采用電能質量在線監測裝置能夠實時監測供電系統的電能質量，及時發現和解決問題。通過優化電能質量，可以保障設備的穩定運行，提高生產效率，降低設備故障率和維修成本，從而為企業帶來更高的競爭優勢和經濟效益。