安科瑞 鮑靜君
半導體是許多工業整機設備的核心，普遍應用于計算機、通信、消費電子、汽車、工業/醫療、軍事/政府等核心領域。為鼓勵半導體材料產業發展，突破產業瓶頸，我國出臺等多項政策支持半導體行業發展，為半導體材料產業的發展提供良好的發展環境。為應對國外技術出口管制風險，多家中國半導體企業也增加了材料國產化率要求，加快了國產半導體材料研發進度。生產半導體的廠房使用到的大部分電子產品采用了非線性的可控變流裝置、變頻調速裝置等負荷，其產生的諧波問題導致了公用電網電能品質降低。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電能質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，根據負載諧振回路的不同，一般可分為并聯逆變式、串聯逆變式和串并聯混合逆變式。
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生大量的諧波，他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它回路的發熱，電子開關誤動作、供電電壓不穩，甚至生產線停線、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，更加重了用電環境的惡化。
02
諧波對配電系統的危害
2.1對電網的影響
首先，導致電網功率消耗增大、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值，致使設備不能平穩運行。
因此，諧波還能引發造成諧振在電網中發生，則會將運行正常的供電停止、情況嚴重、電網解裂等情況發生。
其次，諧振造成變電站局部并聯與串聯，致使電壓互感器設施損壞；造成變電站系統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生質變的速率；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電保護或主動裝置發生操縱失誤；
阻止了電子儀表與通信系統的正常化運行，減少通信質量；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跟電力諧波有聯系。現階段節能燈、調光器設施中關開電源很普及，最初為了節約能源，之后這些設施卻產生了諧波源，導致電網的危險系數增加。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。電能質量附著上臟物會帶給繼電保護、計算機系統與精細儀器和機械等，造成其不能平穩運轉和操控，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。其電網擾亂的主要因素為發生諧波，通過基本靜電感應和電磁感應，經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生的影響
第一，電力電容器產生的影響。而電容器在電網無功配置容量中占有比重很大，其中少數電容器安排只參照無功補償量，不會參照裝置點電能質量現實存在的污染狀況。至此，運行點電能質量標準過低，經常出現意外損失，比如：安裝不了補償裝置、分開電容器保護熔絲，惡劣情況下會出現串聯并聯諧振，造成電容器諧波過電壓與過電流，導致電容器開裂。
第二，變壓器產生影響。諧波電流在變壓器中發生，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，同步發電機產生的影響。在系統里面的同步發電機中流入負序電流與諧波電流，造成多余的損耗，導致發電機局部過熱，絕緣力度降低。由于多余諧波分量在輸出電壓波形產生，導致扭振現象在負載同步發電機轉子中發生，運用時間縮短。
第四，斷路器產生的影響。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生，導致斷路器觸頭斷開。
第五，自動控制器產生的影響。現如今，數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量指標有更高要求。基于此，電能質量被沾上臟物則會導致設備的監測模塊中引發畸變量、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
半導體芯片制造業在國民經濟中起著舉足輕重的作用，相關企業的規模也越來越大，其供配電系統穩定、可靠的運維不僅是其安全生產的基本保證，還關系到產品質量和生產的順利進行。集成電路芯片制造業屬于資金和技術高度密集的精密制造行業，在生產過程中大規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。除供配電系統外，還需傳送系統、超純水凈化系統、真空系統、氣冷風冷系統、特殊氣體分配系統來保證生產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條件最終通過電能供給來實現，因此半導體芯片制造對供電質量要求特別高。
安科瑞電氣提出的電能質量監測與治理系統解決方案可滿足電力監控管理、運維與電能質量治理等方面的需求，致力于為高速公路行業用戶提供一站式的整體解決方案，從產品、系統、服務等不同方面來滿足用戶的需要，為用戶創造價值。
3.2方案特點
01、電能質量監測與治理系統即可通過本地設備為用戶提供電能質量監測、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中準確度測量方法，適用于要求準確測量電能質量指標參數的場合；
03、專業化的電能質量監測：電能質量實時在線監測，測量精度高、測得準，符合IEC61000-4-30標準；
04、電能質量監測與治理裝置信息互聯，通過統一平臺管理，方便用戶同時監測電網電能質量以及治理數據；
05、采用三電平電力電子驅動器件，通過更多的電平輸出更高品質的治理波形。
3.3 方案效果
01對電網電能質量高精度的實時監控，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，用戶可以通過系統查看發生告警的事件波形、趨勢分析，亦可根據監測點的電能質量情況統計分析生成電能質量診斷報告。
02通過集中補償+就地補償的治理策略，更高效的補償整個數據中心的無功和諧波，提高數據中心內系統電能質量、用電設備供電效率，大幅度降低設備故障率，達到數據中心內自動化設備對電源質量的要求，可有效解決諧波的干擾及誤跳閘問題。
03系統提供多維度的用電指標統計與電能數據分析工具，為配電系統運行管理優化和節能損耗提供指導。
4安科瑞電能質量監測與治理產品選型
4.1 集中治理
電子廠房內會使用到如風機、空調等等電器，這些電器分布較為分散，且單一的設備產生的諧波量較少，且為確保無功功率因數達到國標要求值，避免罰款，在配電房處對這些負載產生的電能質量問題進行集中治理，同時也可對整個低壓供配電系統進行電能質量在線監測，其中包含諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監測等，
01電能質量在線監測裝置
110kV及以下供電系統諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監測、電壓不平衡度監測、事件記錄、測量控制等功能為一體
02APM系列多功能網絡儀表
全電量測量、電能統計、電能質量分析（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)、事件記錄功能及網絡通訊等功能，主要用于電網供電質量的綜合監控。
03有源諧波治理系統
采用DSP+FPGA全數字控制方式，并聯在系統中，兼補諧波和無功；
04有源無功補償系統
具備無功功率線性補償、三相電流平衡治理和穩定電壓的功能，同時可濾除5、7、11、13次以內的諧波；
05混合動態諧波無功補償系統
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定電壓的功能；
諧波補償次數：2-51次，可對2次～31次諧波電流進行全補償，或僅對諧波進行補償；
4.2 就地治理
電子廠房在生產半導體器件的過程中需要使用到可控變流裝置、變頻調速裝置等負荷，這些設備在運行過程中會產生大量的諧波污染電網，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和其他用電設備。
01有源無功補償系統裝置
具備無功功率線性補償、三相電流平衡治理和穩定電壓的功能，同時可濾除5、7、11、13次以內的諧波；
具備自動檢測運行、測量監視和定值設定功能
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的發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它回路的發熱、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。因此，安科瑞為電子廠房行業提供了一套完整的電能治理監測與治理的系統解決方案，使電子廠房的電能質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。
