摘要：半导体制造业对供电可靠性及电能质量有着极为严苛的要求。电压暂降、谐波等电能质量问题轻则导致设备误动作，重则造成生产线停线、硅片报废，带来巨大的直接与间接经济损失。本文以某半导体公司10/0.4kV用户变电站项目为背景，分析了半导体行业面临的主要电能质量问题，介绍了电能质量监测装置及电力监控系统的配置方案与功能实现，并结合现场实际运行数据，验证了监测方案的有效性与准确性，为半导体行业电能质量管理与治理提供了可借鉴的工程实践参考。

关键词：半导体；电能质量；电压暂降；谐波；在线监测

一、项目概况与电能质量挑战

1.1 项目基本情况

某半导体有限公司成立于2018年，位于四川省成都高新区，主要从事OLED等平板显示屏材料、电子材料及相关产品的研发、测试、生产与销售。本次项目为其10/0.4kV用户变电站，供电系统采用单母线接线，共设一面高压进线柜、一面计量柜、一面母线PT柜和四面专变出线柜。

该工厂用电量大，大部分工艺需不间断运行，配电系统结构复杂。工厂配电电压等级涵盖110kV、66kV、35kV、10kV、0.48kV、0.4kV等多个层级，涉及变压器数量众多。设备一旦意外断电将导致重大损失，对供电可靠性和电能质量提出了极高要求。

1.2 主要电能质量问题

（1）谐波问题

IC测试台、PLC控制的机械手、芯片制造用晶圆机及变频控制的半导体机台等设备在运行中会产生大量谐波。这些谐波不仅会造成机台设备自身故障，回流至电网的谐波电流还会引起其他回路发热、电子开关误动作、供电电压不稳，甚至导致生产线停线、半成品报废。此外，外延设备、扩散设备、离子注入设备等高能设备的频繁加卸载，进一步加剧了用电环境的恶化。

（2）电压暂降及中断

现代化半导体生产设备对电力品质极为敏感。对于半导体、LCD制造而言，持续仅16ms、幅值为额定值85%~90%的电压暂降即可能导致设备停机。电压暂降与短时中断的主要区别在于：短时中断时负载与供电系统基本断开（幅值低于额定值的10%），而电压暂降发生时负载仍与电源连接。但对半导体行业而言，两者均会造成设备停机，后果相同，而电压暂降的发生概率远高于短时中断。

调查数据显示：在所有配电系统事故中，电压暂降引起的事故占70%~80%；在输电系统事故中，这一比例超过90%。半导体、LCD生产设备停机造成的损失包括：

直接损失：硅片损坏和浪费、设备寿命缩短甚至损坏、清理产线的人工成本等；

间接损失：重新启动生产线所需时间、产品品质降低、交货延误等。

国家发改委经济调节运行局开展的电能质量经济性影响调查表明，电压暂降与短时中断是最为显著的电能质量问题，已成为供用电双方共同面临的挑战，其中半导体行业因电能质量扰动带来的生产损失高居位。

二、监测方案与设备配置

为实时监测供电电能质量，在本项目高压配电进线柜处装设一台APView500电能质量在线监测装置。同时，为保证整个配电系统日常安全稳定运行，在每面高压开关柜装设一台AM5系列微机保护装置和一台ASD200智能操控装置；为监测各回路电能，在每面高压开关柜和低压柜均配置多功能仪表。

2.1 主要设备及功能

2.2 电力监控系统

为实时监视整个配电室运行状态及数据采集，该项目配置一套Acrel-2000Z电力监控系统，主要功能如下：

实时监测：以配电一次图形式直观显示配电线路运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参量，动态监视断路器、隔离开关、地刀等合分闸状态。

图1 10kV变电站配电监测界面

图2 0.4kV配电室母线配电监测界面

电参量查询：在配电一次图中可直接查看回路详细电参量，包括三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、正向有功电能等。

运行报表：查询各回路或设备指定时间的运行参数，支持日报表、月报表、年报表等格式。

图3 0.4kV电参量查询界面

实时告警：对断路器、隔离开关、接地刀分合动作等遥信变位，以及保护动作、事故跳闸等事件发出告警。

历史事件查询：对遥信变位、保护动作、事故跳闸及电压、电流、功率、功率因数越限等事件进行存储和管理，支持历史追溯、查询统计与事故分析。

故障录波：系统发生故障时自动准确记录故障前后各种电气量变化情况，为分析处理事故、判断保护动作是否正确提供依据。

事故追忆：自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时稳态信息，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等。

曲线查询：支持实时曲线和历史曲线查询，涵盖三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数等所有遥测量。

用户权限管理：设置用户权限管理功能，定义不同操作权限的权限组（管理员组、工程师组、操作员组等），防止未经授权的操作。

网络拓扑图：实时监视接入系统各设备的通讯状态，完整显示系统网络结构，在线诊断设备通讯状态，网络异常时自动显示故障设备或元件及其故障部位。

图4 网络拓扑图

遥控功能：根据电力规程要求，对整个配电系统范围内的设备进行远程遥控操作。

通信管理：对整个配电系统范围内设备的通信情况进行管理、控制与数据实时监测。

四、现场运行情况

本项目各类设备均就地安装于开关柜中，电力监控系统主机放置于高压配电房值班室内。自装设电能质量监测装置以来，系统对电力系统中出现的故障情况均实现了可靠监测。

图5 现场安装图

四、结语

半导体渗透到工作与生活的方方面面，随着生活水平提高，芯片制造需求日益增长。伴随信息技术的飞速发展，基于计算机、微处理器的用电设备和各种电力电子设备在电力系统中大量投入使用，它们对系统干扰比机电设备更加敏感，对供电质量的要求也更为苛刻，相对低劣的电能质量严重影响灵敏设备的安全运行。

本文介绍的电能质量监测装置及配套电力监控系统，能够针对供电电能质量起到有效的监测作用，准确记录电压暂降、谐波等电能质量事件，为电能质量治理提供可靠依据。该方案在某半导体公司的成功应用表明，通过合理的监测设备配置与系统集成，可以显著提升半导体工厂供电可靠性与电能质量管理水平，为行业类似项目提供有益参考。

原创作者：安科瑞电气股份有限公司