半導體行業(yè)諧波監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案

安科瑞徐赟杰18706165067

半導體是許多工業(yè)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(yè)/醫(yī)療、軍事/政府等核心領域。為鼓勵半導體材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，突破產(chǎn)業(yè)瓶頸，我國出臺等多項政策支持半導體行業(yè)發(fā)展，為半導體材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供良好的發(fā)展環(huán)境。為應對國外技術出口管制風險，多家中國半導體企業(yè)也增加了材料國產(chǎn)化率要求，加快了國產(chǎn)半導體材料研發(fā)進度。生產(chǎn)半導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)速裝置等負荷，其產(chǎn)生的諧波問題導致了公用電網(wǎng)電能品質(zhì)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(tǒng)電能質(zhì)量治理的深入分析研究勢在必行。

01主要諧波源

半導體芯片加工電子廠房主要諧波源為單晶爐、多晶爐。

目前大多數(shù)單晶爐是采用中頻感應電源加熱的工作方式，中頻電源的主電路形式有很多種，根據(jù)負載諧振回路的不同，一般可分為并聯(lián)逆變式、串聯(lián)逆變式和串并聯(lián)混合逆變式。

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(chǎn)生大量的諧波，他們不但會造成機臺設備自身的壞機現(xiàn)象，回流進電網(wǎng)的諧波電流還會引起其它回路的發(fā)熱，電子開關誤動作、供電電壓不穩(wěn)，甚至生產(chǎn)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(huán)境的惡化。

02諧波對配電系統(tǒng)的危害

2.1對電網(wǎng)的影響

首先，導致電網(wǎng)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(xiàn)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(shù)值，致使設備不能平穩(wěn)運行。
因此，諧波還能引發(fā)造成諧振在電網(wǎng)中發(fā)生，則會將運行正常的供電停止、情況嚴重、電網(wǎng)解裂等情況發(fā)生。
其次，諧振造成變電站局部并聯(lián)與串聯(lián)，致使電壓互感器設施損壞；造成變電站系統(tǒng)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(fā)生質(zhì)變的速率；造成斷路器電弧熄滅時長變長，阻礙斷路器正常開端功能；
導致電子元器件的繼續(xù)電保護或主動裝置發(fā)生操縱失誤；
阻止了電子儀表與通信系統(tǒng)的正?；\行，減少通信質(zhì)量；增加接近電磁振蕩。

2.2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(shù)跟電力諧波有聯(lián)系?，F(xiàn)階段節(jié)能燈、調(diào)光器設施中關開電源很普及，最初為了節(jié)約能源，之后這些設施卻產(chǎn)生了諧波源，導致電網(wǎng)的危險系數(shù)增加。在相關測驗之后，運用電器設施很多的酒店、寫字樓、小區(qū)等，如果不做濾波等舉措，最終中性線電流很強，嚴重的超出線電流，結果就會變成失火的潛在安全風險。

第二，有關設備損壞。電能質(zhì)量附著上臟物會帶給繼電保護、計算機系統(tǒng)與精細儀器和機械等，造成其不能平穩(wěn)運轉(zhuǎn)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(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，通過基本靜電感應和電磁感應，經(jīng)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。之后采取遮蔽電纜通信，基本上可以消滅靜電感應的作用，最終還是不可能消滅電磁感應的擾亂。

2.3 諧波對于電氣設備產(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償量，不會參照裝置點電能質(zhì)量現(xiàn)實存在的污染狀況。至此，運行點電能質(zhì)量標準過低，經(jīng)常出現(xiàn)意外損失，比如：安裝不了補償裝置、分開電容器保護熔絲，惡劣情況下會出現(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、聲音增大、繞組附加過熱等。其變壓器中的諧波電流被勵磁電流所包含，致使合閘涌流之后諧波電流提升，出現(xiàn)的諧波電流導致諧振問題，結果造成變壓器的日常運行有風險。
第三，同步發(fā)電機產(chǎn)生的影響。在系統(tǒng)里面的同步發(fā)電機中流入負序電流與諧波電流，造成多余的損耗，導致發(fā)電機局部過熱，絕緣力度降低。由于多余諧波分量在輸出電壓波形產(chǎn)生，導致扭振現(xiàn)象在負載同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子中發(fā)生，運用時間縮短。
第四，斷路器產(chǎn)生的影響。局部斷路器磁吹線圈不能正常運行是由諧波造成的，致使遮斷能力降低，不能遮斷波形畸變率大于一般控制的故障電流，導致中壓斷路器阻止電流，則會使諧頻涌波電壓與重燃情況發(fā)生，導致斷路器觸頭斷開。
第五，自動控制器產(chǎn)生的影響?，F(xiàn)如今，數(shù)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(zhì)量指標有更高要求。基于此，電能質(zhì)量被沾上臟物則會導致設備的監(jiān)測模塊中引發(fā)畸變量、擾亂一般分解計算、造成出錯的輸出結果的損害。

03諧波治理和解決方案

3.1解決方案

半導體芯片制造業(yè)在國民經(jīng)濟中起著舉足輕重的作用，相關企業(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，還關系到產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)的順利進行。集成電路芯片制造業(yè)屬于資金和技術高度密集的精密制造行業(yè)，在生產(chǎn)過程中大規(guī)模使用電子器件和集成電路且自動化程度比較高。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(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)過程的順利實施以及關鍵設備的安全運行。由于整個工廠的生產(chǎn)條件最終通過電能供給來實現(xiàn)，因此半導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)、服務等不同方面來滿足用戶的需要，為用戶創(chuàng)造價值。

3.2方案特點

01、電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)即可通過本地設備為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)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；

02、符合GB/T17626.30-2012中A級準確度測量方法，適用于要求準確測量電能質(zhì)量指標參數(shù)的場合；

03、專業(yè)化的電能質(zhì)量監(jiān)測：電能質(zhì)量實時在線監(jiān)測，測量精度高、測得準，符合IEC61000-4-30標準；

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

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

3.3 方案效果

01對電網(wǎng)電能質(zhì)量高精度的實時監(jiān)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(jiān)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(tǒng)查看發(fā)生告警的事件波形、趨勢分析，亦可根據(jù)監(jiān)測點的電能質(zhì)量情況統(tǒng)計分析生成電能質(zhì)量診斷報告。

02通過集中補償+就地補償?shù)闹卫聿呗?，更高效的補償整個數(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、用電設備供電效率，大幅度降低設備故障率，達到數(shù)據(jù)中心內(nèi)自動化設備對電源質(zhì)量的要求，可有效解決諧波的干擾及誤跳閘問題。

03系統(tǒng)提供多維度的用電指標統(tǒng)計與電能數(shù)據(jù)分析工具，為配電系統(tǒng)運行管理優(yōu)化和節(jié)能損耗提供指導。

04安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測與治理產(chǎn)品選型

4.1 集中治理

電子廠房內(nèi)會使用到如風機、空調(diào)等等電器，這些電器分布較為分散，且單一的設備產(chǎn)生的諧波量較少，且為確保無功功率因數(shù)達到國標要求值，避免罰款，在配電房處對這些負載產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題進行集中治理，同時也可對整個低壓供配電系統(tǒng)進行電能質(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，

01電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置

110kV及以下供電系統(tǒng)諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監(jiān)測、電壓不平衡度監(jiān)測、事件記錄、測量控制等功能為一體

02APM系列多功能網(wǎng)絡儀表

全電量測量、電能統(tǒng)計、電能質(zhì)量分析（包括諧波、間諧波、閃變）、故障錄波功能(包括電壓暫升暫降中斷、沖擊電流等記錄)、事件記錄功能及網(wǎng)絡通訊等功能，主要用于電網(wǎng)供電質(zhì)量的綜合監(jiān)控。

03有源諧波治理系統(tǒng)

采用DSP+FPGA全數(shù)字控制方式，并聯(lián)在系統(tǒng)中，兼補諧波和無功；

04有源無功補償系統(tǒng)

具備無功功率線性補償、三相電流平衡治理和穩(wěn)定電壓的功能，同時可濾除5、7、11、13次以內(nèi)的諧波；

05混合動態(tài)諧波無功補償系統(tǒng)

同時具備諧波治理、無功功率線性補償與三相電流平衡治理和穩(wěn)定電壓的功能；

諧波補償次數(shù)：2-51次，可對2次～31次諧波電流進行全補償，或僅對指定諧波進行補償；

4.2 就地治理

電子廠房在生產(chǎn)半導體器件的過程中需要使用到可控變流裝置、變頻調(diào)速裝置等負荷，這些設備在運行過程中會產(chǎn)生大量的諧波污染電網(wǎng)，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。同時如電子廠房

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(zhì)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(tǒng)和其他用電設備。

01有源無功補償系統(tǒng)裝置

具備無功功率線性補償、三相電流平衡治理和穩(wěn)定電壓的功能，同時可濾除5、7、11、13次以內(nèi)的諧波；

具備自動檢測運行、測量監(jiān)視和定值設定功能

02中線安防保護器

DSP+FPGA控制方式，響應時間短，全數(shù)字控制算法；

末端治理，可濾除中性線中由3N次諧波或三相不平衡造成的過大電流；

03諧波保護器

吸收3kHz~10MHz頻率各種能量的諧波干擾；

消除高次諧波、高頻噪聲、脈沖尖峰、浪涌等干擾；

矯正電壓、電流波形，克服由于高頻諧波污染引起的干擾，保障設備的安全運行。

04有源諧波治理系統(tǒng)裝置

壁掛式，可進行末端諧波治理；

功能設置：只補償諧波、只補償無功、既補償諧波又補償無功；

保護類型：直流過壓保護、IGBT過流保護、裝置過溫保護、輸出限幅保護等；

半導體材料技術在國內(nèi)的發(fā)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(chǎn)生大量的諧波，它們不但會造成機臺設備自身的壞機現(xiàn)象，回流進電網(wǎng)的諧波電流還會引起其它回路的發(fā)熱、電子開關誤動作、供電電壓不穩(wěn)，甚至引起生產(chǎn)線停線、半成品的報廢。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比。

審核編輯 黃宇