1引言

半導(dǎo)體是許多工業(yè)整機(jī)設(shè)備的核心,，普遍應(yīng)用于計(jì)算機(jī),、通信、消費(fèi)電子,、汽車、工業(yè)/醫(yī)療,、軍事等核心領(lǐng)域,。為鼓勵(lì)半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，突破產(chǎn)業(yè)瓶頸,，我國出臺(tái)等多項(xiàng)政策支持半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展,，為半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供良好的發(fā)展環(huán)境。半導(dǎo)體等電子廠房相較于其他工業(yè)類廠房,，主要特殊之處在于其潔凈等級要求高,，光刻機(jī)、等離子注入機(jī)等精密設(shè)備的電源質(zhì)量和電壓等級要求高,。生產(chǎn)半導(dǎo)體的廠房使用到的大部分電子產(chǎn)品采用了非線性的可控變流裝置,、變頻調(diào)速裝置等負(fù)荷，其產(chǎn)生的諧波問題導(dǎo)致了公用電網(wǎng)電能品質(zhì)降低,。若不治理,，不僅會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí){患者的生命安全,，因此對半導(dǎo)體廠房供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量治理的深入分析研究勢在必行,。

2諧波源分析

半導(dǎo)體芯片加工電子廠房生產(chǎn)制造配電系統(tǒng),主要諧波負(fù)載為主要諧波源為單晶爐、多晶爐,、各類精密設(shè)備,、照明及變頻通風(fēng)設(shè)備、計(jì)算機(jī)及UPS等,。

目前大多數(shù)單晶爐是采用中頻感應(yīng)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(lián)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(dòng)的直流電壓,。單晶爐的中頻電源產(chǎn)生諧波電流僅含(k=1,2,3…)次,。

單晶爐、多晶爐,、IC測試臺(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，他們不但會(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)引起其它回路的發(fā)熱,，電子開關(guān)誤動(dòng)作、供電電壓不穩(wěn),，甚至生產(chǎn)線停線,、半成品的報(bào)廢，其損失不可謂不大,。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,。

3諧波影響

3.1對電網(wǎng)的影響

導(dǎo)致電網(wǎng)功率消耗變大、設(shè)備試用時(shí)間降低,、接地保護(hù)功能和遙控功能出現(xiàn)異常,、線路與設(shè)備熱量變大等，特別是三次諧波導(dǎo)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(shù)值,，致使設(shè)備不能平穩(wěn)運(yùn)行。因此,，諧波還能引發(fā)造成諧振在電網(wǎng)中發(fā)生,，則會(huì)將運(yùn)行正常的供電停止、情況嚴(yán)重,、電網(wǎng)解裂等情況發(fā)生,。諧振造成變電站局部并聯(lián)與串聯(lián)，致使電壓互感器設(shè)施損壞,；造成變電站系統(tǒng)當(dāng)中的設(shè)備與元件生成附加的諧波損耗,，導(dǎo)致電力變壓器、電力電纜,、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備溫度上升,，電容器損壞，進(jìn)而促進(jìn)了絕緣材料發(fā)生質(zhì)變的速率,。

3.2對用電安全造成的影響

第一,，失火造成災(zāi)害。有些意外失火狀況的起因多數(shù)跟電力諧波有聯(lián)系?，F(xiàn)階段節(jié)能燈,、調(diào)光器設(shè)施中關(guān)開電源很普及，*初為了節(jié)約能源，之后這些設(shè)施卻產(chǎn)生了諧波源,，導(dǎo)致電網(wǎng)的危險(xiǎn)系數(shù)增加,中性線電流變大,，嚴(yán)重的超出線電流，造成失火的潛在安全風(fēng)險(xiǎn),。第二,，有關(guān)設(shè)備損壞。電能質(zhì)量會(huì)影響繼電保護(hù),、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與精細(xì)儀器和機(jī)械等,，造成其不能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)和操控，減少設(shè)施利用期限,，進(jìn)而導(dǎo)致繼電保護(hù)錯(cuò)誤操作出現(xiàn)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(wǎng)擾亂的主要因素為發(fā)生諧波,，通過基本靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng),，經(jīng)過通信線路導(dǎo)致聲頻混亂。其諧波頻率提升,，則會(huì)有雜音問題,，通過通信線路上導(dǎo)致音頻混亂。

3.3 諧波對于電氣設(shè)備產(chǎn)生的影響

第一,，電力電容器產(chǎn)生的影響,。而電容器在電網(wǎng)無功配置容量中占有比重很大，其中少數(shù)電容器安排只參照無功補(bǔ)償量,，不會(huì)參照裝置點(diǎn)電能質(zhì)量現(xiàn)實(shí)存在的污染狀況,。惡劣情況下會(huì)出現(xiàn)串聯(lián)并聯(lián)諧振，造成電容器諧波過電壓與過電流,，導(dǎo)致電容器開裂,；第二，變壓器產(chǎn)生影響,。諧波電流在變壓器中發(fā)生,，致使銅耗提高，造成局部過熱,、震蕩,、聲音變大、繞組附加過熱等,；第三,，同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的影響。在系統(tǒng)里面的同步發(fā)電機(jī)中流入負(fù)序電流與諧波電流，造成多余的損耗,，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)局部過熱,，絕緣力度降低。第四,，自動(dòng)控制器產(chǎn)生的影響?，F(xiàn)如今，數(shù)字控制技術(shù)已投入到更加廣泛領(lǐng)域,，諸多精細(xì)負(fù)載針對受電電能質(zhì)量指標(biāo)有更高要求,。基于此,，電能質(zhì)量被沾上臟物則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的監(jiān)測模塊中引發(fā)畸變量,、擾亂一般分解計(jì)算、造成出錯(cuò)的輸出結(jié)果的損害,。

4電子半導(dǎo)體行業(yè)電能質(zhì)量監(jiān)測和治理系統(tǒng)解決方案

4.1行業(yè)特征

·       對電能質(zhì)量要求高:

·       負(fù)載中含有多種諧波源,，配電諧波含量較高

·       諧波主要以6N土1次諧波為主

·       存在大量變頻設(shè)備，變頻設(shè)備之間存在相互諧振風(fēng)險(xiǎn).

4.2解決方案

半導(dǎo)體芯片制造業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)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(yùn)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(jìn)行,。集成電路芯片制造關(guān)鍵設(shè)備多、工位器具多,、工藝步驟繁多復(fù)雜,。除供配電系統(tǒng)外，還需傳送系統(tǒng),、超純水凈化系統(tǒng),、真空系統(tǒng)、氣冷風(fēng)冷系統(tǒng),、特殊氣體分配系統(tǒng)來保證生產(chǎn)過程的順利實(shí)施以及關(guān)鍵設(shè)備的安全運(yùn)行,。由于整個(gè)工廠的生產(chǎn)條件*終通過電能供給來實(shí)現(xiàn)，因此半導(dǎo)體芯片制造對供電質(zhì)量要求特別高,。

安科瑞電氣提出的電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案可滿足電力監(jiān)控管理,、運(yùn)維與電能質(zhì)量治理等方面的需求，致力于為高速公路行業(yè)用戶提供一站式的整體解決方案,，從產(chǎn)品,、系統(tǒng)、服務(wù)等不同方面來滿足用戶的需要,，為用戶創(chuàng)造價(jià)值,。

4.3方案特點(diǎn)

·       電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)即可通過本地設(shè)備為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測,、治理與設(shè)備運(yùn)維等功能，亦可通過接入AcrelEMS-SEMI電站廠房能效管理平臺(tái),，為用戶提供遠(yuǎn)程在線服務(wù),；

·       符合GB/T17626.30-2012中準(zhǔn)確度測量方法，適用于要求準(zhǔn)確測量電能質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)的場合,；

·       專業(yè)化的電能質(zhì)量監(jiān)測：電能質(zhì)量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測,，測量精度高、測得準(zhǔn),，符合IEC61000-4-30標(biāo)準(zhǔn),；

·       電能質(zhì)量監(jiān)測與治理裝置信息互聯(lián)，通過統(tǒng)一平臺(tái)管理,，方便用戶同時(shí)監(jiān)測電網(wǎng)電能質(zhì)量以及治理數(shù)據(jù),；

·       采用三電平電力電子驅(qū)動(dòng)器件，通過更多的電平輸出更高品質(zhì)的治理波形,。

4.4方案效果

·       對電網(wǎng)電能質(zhì)量高精度的實(shí)時(shí)監(jiān)控,，包括電壓偏差、頻率偏差,、諧波,、電壓波動(dòng)、閃變,、三相電壓不平衡等,。同時(shí)可對故障事件進(jìn)行記錄,，對監(jiān)測點(diǎn)負(fù)荷曲線及電壓電流,、電壓偏差、不平衡度,、閃變等進(jìn)行趨勢分析,，用戶可以通過系統(tǒng)查看發(fā)生告警的事件波形、趨勢分析,，亦可根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)的電能質(zhì)量情況統(tǒng)計(jì)分析生成電能質(zhì)量診斷報(bào)告,。

·       通過集中補(bǔ)償+就地補(bǔ)償?shù)闹卫聿呗裕咝У难a(bǔ)償整個(gè)數(shù)據(jù)中心的無功和諧波,，提高數(shù)據(jù)中心內(nèi)系統(tǒng)電能質(zhì)量,、用電設(shè)備供電效率，大幅度降低設(shè)備故障率,，達(dá)到數(shù)據(jù)中心內(nèi)自動(dòng)化設(shè)備對電源質(zhì)量的要求,，可有效解決諧波的干擾及誤跳閘問題。

·       系統(tǒng)提供多維度的用電指標(biāo)統(tǒng)計(jì)與電能數(shù)據(jù)分析工具,，為配電系統(tǒng)運(yùn)行管理優(yōu)化和節(jié)能損耗提供指導(dǎo),。

5安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)產(chǎn)品選型

5.1集中治理

電子廠房內(nèi)會(huì)使用到如風(fēng)機(jī),、空調(diào)等等電器，這些電器分布較為分散,，且單一的設(shè)備產(chǎn)生的諧波量較少,，且為確保無功功率因數(shù)達(dá)到國標(biāo)要求值，避免罰款,，在配電房處對這些負(fù)載產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題進(jìn)行集中治理,，同時(shí)也可對整個(gè)低壓供配電系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量在線監(jiān)測，其中包含諧波分析,、波形采樣,、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監(jiān)測等,，其集中治理的產(chǎn)品選型見表1,。

表1電能質(zhì)量監(jiān)測及集中治理產(chǎn)品選型表

5.2就地治理

電子廠房在生產(chǎn)半導(dǎo)體器件的過程中需要使用到可控變流裝置,、變頻調(diào)速裝置等負(fù)荷,，這些設(shè)備在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的諧波污染電網(wǎng)，如果不從源頭治理會(huì)影響到電壓的畸變率,，*終會(huì)造成其他負(fù)載的損壞,。針對以上負(fù)載情況，建議在各重要設(shè)備的配電箱增加電能質(zhì)量補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行就地治理,，達(dá)到終端治理諧波的目的,，避免諧波影響到整個(gè)配電系統(tǒng)和其他用電設(shè)備。

表2 就地治理的產(chǎn)品選型

5.3電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)

（1）平臺(tái)拓?fù)?/span>

電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)系統(tǒng)平臺(tái)主要由電能質(zhì)量治理設(shè)備,、物理網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器及服務(wù)終端四部分組成,，其中電能質(zhì)量治理設(shè)備作為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集與電能質(zhì)量補(bǔ)償?shù)?，物理網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)設(shè)備與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳輸以及對設(shè)備進(jìn)行策略功能分配，數(shù)據(jù)經(jīng)由服務(wù)器*終以服務(wù)終端為媒介為用戶提供可視化展示,。

（2）平臺(tái)展示

電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)除作為本地終端為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測,、治理與設(shè)備運(yùn)維等功能外，亦可通過接入AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺(tái),，為用戶提供遠(yuǎn)程在線服務(wù),。

功能展示-可視化管理

·       項(xiàng)目站點(diǎn)信息

·       廠區(qū)概況

·       配電房信息

·       配電房設(shè)備補(bǔ)償運(yùn)行狀態(tài)

·       語音報(bào)警

·       故障信息彈窗

效果對比-治理分析

·       負(fù)載側(cè)2-31次諧波柱狀圖

·       電網(wǎng)側(cè)2-31次諧波柱狀圖

·       負(fù)載側(cè)各相電壓及電流畸變率

·       電網(wǎng)側(cè)側(cè)各相電壓及電流畸變率

狀態(tài)展示-設(shè)備運(yùn)行

·       設(shè)備補(bǔ)償情況實(shí)時(shí)監(jiān)測

·       設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)

·       故障分析及描述

設(shè)備展示-運(yùn)行狀態(tài)

·       電容數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測

·       投切狀態(tài)

6江蘇某電子廠房項(xiàng)目電能質(zhì)量治理項(xiàng)目案例

6.1項(xiàng)目背景

江蘇某電子廠房內(nèi)除生產(chǎn)半導(dǎo)體的核心器件外，還有傳送系統(tǒng),，水凈化系統(tǒng)，風(fēng)冷系統(tǒng),、空調(diào)系統(tǒng)等,，對電能質(zhì)量要求非常高,。這些設(shè)備皆屬于非線性負(fù)載，在使用過程中會(huì)產(chǎn)生大量諧波并注入系統(tǒng)中;如果不進(jìn)行諧波治理,，對電網(wǎng)造成嚴(yán)重的污染,，也影響電子廠房中其他敏感設(shè)備的誤動(dòng)作、中斷甚至癱瘓,，降低了配電系統(tǒng)的安全性,、可靠性。

6.2治理方案

根據(jù)以往測量經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行諧波分析與估算,，諧波主要由單晶爐,、晶圓機(jī)和一些非線性負(fù)載產(chǎn)生，供電系統(tǒng)由2臺(tái)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(nèi)空調(diào)、風(fēng)機(jī)設(shè)備的分布很廣,，因此在每臺(tái)變壓器下加裝400A有源諧波治理系統(tǒng)裝置,，由兩臺(tái)150A模塊和一臺(tái)100A模塊并機(jī)實(shí)現(xiàn)，型號為整柜式AnSin400-G Ⅰ型,，自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流,，保證供電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

就地治理：單晶爐是該中心*惡性的負(fù)載,，因此需要在配電末端對其產(chǎn)生的諧波電流進(jìn)行治理,，避免干擾其他用電設(shè)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(chǎn)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(shù)據(jù)進(jìn)行對比,，通過裝設(shè)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(wǎng)波形質(zhì)量,，具體效果及參數(shù)如下表所示。

表3 治理前后波形數(shù)據(jù)對比

7 結(jié)論

半導(dǎo)體材料技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展促使很多半導(dǎo)體加工設(shè)備投入使用,，這些設(shè)備普遍采用了電力電子變流和控制器件。這些設(shè)備在工作的同時(shí)也會(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)引起其它回路的發(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。因此,，安科瑞為電子廠房行業(yè)提供了一套完整的電能治理監(jiān)測與治理的系統(tǒng)解決方案,，使電子廠房的電能質(zhì)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(jià)比,。