半导体行业谐波监测与治理系统解决方案

安科瑞徐赟杰18706165067

半导体是许多工业整机设备的核心，普遍应用于计算机、通信、消费电子、汽车、工业/医疗、军事/政府等核心领域。为鼓励半导体材料产业发展，突破产业瓶颈，我国出台等多项政策支持半导体行业发展，为半导体材料产业的发展提供良好的发展环境。为应对国外技术出口管制风险，多家中国半导体企业也增加了材料国产化率要求，加快了国产半导体材料研发进度。生产半导体的厂房使用到的大部分电子产品采用了非线性的可控变流装置、变频调速装置等负荷，其产生的谐波问题导致了公用电网电能品质降低。若不治理，不仅会影响设备的正常运行，严重时甚至会威胁患者的生命安全，因此对半导体厂房供配电系统电能质量治理的深入分析研究势在必行。

01主要谐波源

半导体芯片加工电子厂房主要谐波源为单晶炉、多晶炉。

目前大多数单晶炉是采用中频感应电源加热的工作方式，中频电源的主电路形式有很多种，根据负载谐振回路的不同，一般可分为并联逆变式、串联逆变式和串并联混合逆变式。

单晶炉、多晶炉、IC测试台、PLC控制的机械手、芯片制造用的晶圆机或变频控制的半导体机台都会产生大量的谐波，他们不但会造成机台设备自身的坏机现象，回流进电网的谐波电流还会引起其它回路的发热，电子开关误动作、供电电压不稳，甚至生产线停线、半成品的报废，其损失不可谓不大。而且高能设备如：外延设备、扩散设备、离子注入设备的频繁加卸载，更加重了用电环境的恶化。

02谐波对配电系统的危害

2.1对电网的影响

首先，导致电网功率消耗增大、设备试用时间降低、接地保护功能和遥控功能出现异常、线路与设备热量增大等。
特别是三次谐波导致非常大的中性线电流，造成配电变压器零线电流大于相线电流数值，致使设备不能平稳运行。
因此，谐波还能引发造成谐振在电网中发生，则会将运行正常的供电停止、情况严重、电网解裂等情况发生。
其次，谐振造成变电站局部并联与串联，致使电压互感器设施损坏；造成变电站系统当中的设备与元件生成附加的谐波损耗，导致电力变压器、电力电缆、电动机等设备温度上升，电容器损坏。
进而促进了绝缘材料发生质变的速率；造成断路器电弧熄灭时长变长，阻碍断路器正常开端功能；
导致电子元器件的继续电保护或主动装置发生操纵失误；
阻止了电子仪表与通信系统的正常化运行，减少通信质量；增加接近电磁振荡。

2.2对用电安全造成的影响

第一，失火造成灾害。有些意外失火状况的起因多数跟电力谐波有联系。现阶段节能灯、调光器设施中关开电源很普及，最初为了节约能源，之后这些设施却产生了谐波源，导致电网的危险系数增加。在相关测验之后，运用电器设施很多的酒店、写字楼、小区等，如果不做滤波等举措，最终中性线电流很强，严重的超出线电流，结果就会变成失火的潜在安全风险。

第二，有关设备损坏。电能质量附着上脏物会带给继电保护、计算机系统与精细仪器和机械等，造成其不能平稳运转和操控，减少设施利用期限，进而导致继电保护错误操作出现可避免的意外损失，造成不同情况的干扰。第三，通信扰乱。其电网扰乱的主要因素为发生谐波，通过基本静电感应和电磁感应，经过通信线路导致声频混乱。其谐波频率提升，则会有杂音问题，通过通信线路上导致音频混乱。之后采取遮蔽电缆通信，基本上可以消灭静电感应的作用，最终还是不可能消灭电磁感应的扰乱。

2.3 谐波对于电气设备产生的影响

第一，电力电容器产生的影响。而电容器在电网无功配置容量中占有比重很大，其中少数电容器安排只参照无功补偿量，不会参照装置点电能质量现实存在的污染状况。至此，运行点电能质量标准过低，经常出现意外损失，比如：安装不了补偿装置、分开电容器保护熔丝，恶劣情况下会出现串联并联谐振，造成电容器谐波过电压与过电流，导致电容器开裂。
第二，变压器产生影响。谐波电流在变压器中发生，致使铜耗提高，造成局部过热、震荡、声音增大、绕组附加过热等。其变压器中的谐波电流被励磁电流所包含，致使合闸涌流之后谐波电流提升，出现的谐波电流导致谐振问题，结果造成变压器的日常运行有风险。
第三，同步发电机产生的影响。在系统里面的同步发电机中流入负序电流与谐波电流，造成多余的损耗，导致发电机局部过热，绝缘力度降低。由于多余谐波分量在输出电压波形产生，导致扭振现象在负载同步发电机转子中发生，运用时间缩短。
第四，断路器产生的影响。局部断路器磁吹线圈不能正常运行是由谐波造成的，致使遮断能力降低，不能遮断波形畸变率大于一般控制的故障电流，导致中压断路器阻止电流，则会使谐频涌波电压与重燃情况发生，导致断路器触头断开。
第五，自动控制器产生的影响。现如今，数字控制技术已投入到更加广泛领域，诸多精细负载针对受电电能质量指标有更高要求。基于此，电能质量被沾上脏物则会导致设备的监测模块中引发畸变量、扰乱一般分解计算、造成出错的输出结果的损害。

03谐波治理和解决方案

3.1解决方案

半导体芯片制造业在国民经济中起着举足轻重的作用，相关企业的规模也越来越大，其供配电系统稳定、可靠的运维不仅是其安全生产的基本保证，还关系到产品质量和生产的顺利进行。集成电路芯片制造业属于资金和技术高度密集的精密制造行业，在生产过程中大规模使用电子器件和集成电路且自动化程度比较高。集成电路芯片制造关键设备多、工位器具多、工艺步骤繁多复杂。除供配电系统外，还需传送系统、超纯水净化系统、真空系统、气冷风冷系统、特殊气体分配系统来保证生产过程的顺利实施以及关键设备的安全运行。由于整个工厂的生产条件最终通过电能供给来实现，因此半导体芯片制造对供电质量要求特别高。

安科瑞电气提出的电能质量监测与治理系统解决方案可满足电力监控管理、运维与电能质量治理等方面的需求，致力于为高速公路行业用户提供一站式的整体解决方案，从产品、系统、服务等不同方面来满足用户的需要，为用户创造价值。

3.2方案特点

01、电能质量监测与治理系统即可通过本地设备为用户提供电能质量监测、治理与设备运维等功能，亦可通过接入AcrelEMS-SEMI电站厂房能效管理平台，为用户提供远程在线服务；

02、符合GB/T17626.30-2012中A级准确度测量方法，适用于要求准确测量电能质量指标参数的场合；

03、专业化的电能质量监测：电能质量实时在线监测，测量精度高、测得准，符合IEC61000-4-30标准；

04、电能质量监测与治理装置信息互联，通过统一平台管理，方便用户同时监测电网电能质量以及治理数据；

05、采用三电平电力电子驱动器件，通过更多的电平输出更高品质的治理波形。

3.3 方案效果

01对电网电能质量高精度的实时监控，包括电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动、闪变、三相电压不平衡等。同时可对故障事件进行记录，对监测点负荷曲线及电压电流、电压偏差、不平衡度、闪变等进行趋势分析，用户可以通过系统查看发生告警的事件波形、趋势分析，亦可根据监测点的电能质量情况统计分析生成电能质量诊断报告。

02通过集中补偿+就地补偿的治理策略，更高效的补偿整个数据中心的无功和谐波，提高数据中心内系统电能质量、用电设备供电效率，大幅度降低设备故障率，达到数据中心内自动化设备对电源质量的要求，可有效解决谐波的干扰及误跳闸问题。

03系统提供多维度的用电指标统计与电能数据分析工具，为配电系统运行管理优化和节能损耗提供指导。

04安科瑞电能质量监测与治理产品选型

4.1 集中治理

电子厂房内会使用到如风机、空调等等电器，这些电器分布较为分散，且单一的设备产生的谐波量较少，且为确保无功功率因数达到国标要求值，避免罚款，在配电房处对这些负载产生的电能质量问题进行集中治理，同时也可对整个低压供配电系统进行电能质量在线监测，其中包含谐波分析、波形采样、电压暂降/暂升/中断、闪变监测等，

01电能质量在线监测装置

110kV及以下供电系统谐波分析、波形采样、电压暂降/暂升/中断、闪变监测、电压不平衡度监测、事件记录、测量控制等功能为一体

02APM系列多功能网络仪表

全电量测量、电能统计、电能质量分析（包括谐波、间谐波、闪变）、故障录波功能(包括电压暂升暂降中断、冲击电流等记录)、事件记录功能及网络通讯等功能，主要用于电网供电质量的综合监控。

03有源谐波治理系统

采用DSP+FPGA全数字控制方式，并联在系统中，兼补谐波和无功；

04有源无功补偿系统

具备无功功率线性补偿、三相电流平衡治理和稳定电压的功能，同时可滤除5、7、11、13次以内的谐波；

05混合动态谐波无功补偿系统

同时具备谐波治理、无功功率线性补偿与三相电流平衡治理和稳定电压的功能；

谐波补偿次数：2-51次，可对2次～31次谐波电流进行全补偿，或仅对指定谐波进行补偿；

4.2 就地治理

电子厂房在生产半导体器件的过程中需要使用到可控变流装置、变频调速装置等负荷，这些设备在运行过程中会产生大量的谐波污染电网，如果不从源头治理会影响到电压的畸变率，最终会造成其他负载的损坏。同时如电子厂房

针对以上负载情况，建议在各重要设备的配电箱增加电能质量补偿设备进行就地治理，达到终端治理谐波的目的，避免谐波影响到整个配电系统和其他用电设备。

01有源无功补偿系统装置

具备无功功率线性补偿、三相电流平衡治理和稳定电压的功能，同时可滤除5、7、11、13次以内的谐波；

具备自动检测运行、测量监视和定值设定功能

02中线安防保护器

DSP+FPGA控制方式，响应时间短，全数字控制算法；

末端治理，可滤除中性线中由3N次谐波或三相不平衡造成的过大电流；

03谐波保护器

吸收3kHz~10MHz频率各种能量的谐波干扰；

消除高次谐波、高频噪声、脉冲尖峰、浪涌等干扰；

矫正电压、电流波形，克服由于高频谐波污染引起的干扰，保障设备的安全运行。

04有源谐波治理系统装置

壁挂式，可进行末端谐波治理；

功能设置：只补偿谐波、只补偿无功、既补偿谐波又补偿无功；

保护类型：直流过压保护、IGBT过流保护、装置过温保护、输出限幅保护等；

半导体材料技术在国内的发展促使很多半导体加工设备投入使用，这些设备普遍采用了电力电子变流和控制器件。这些设备在工作的同时也会产生大量的谐波，它们不但会造成机台设备自身的坏机现象，回流进电网的谐波电流还会引起其它回路的发热、电子开关误动作、供电电压不稳，甚至引起生产线停线、半成品的报废。因此，安科瑞为电子厂房行业提供了一套完整的电能治理监测与治理的系统解决方案，使电子厂房的电能质量问题得到了有效的治理。从成本、性能、可靠性等角度综合考虑，该方法具有较高的性价比。

审核编辑 黄宇