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半导体电子厂房能效管理解决方案

2024/2/29 13:01:26

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  概述

  科技发展离不开大规模集成电路技术的进步,特别是半导体相关的技术。近几年受国际环境影响,国内外很多行业受到芯片供应的影响。在国家政策引导下,半导体行业发展比较快,新建了较多半导体工厂。半导体工厂用电量大,而且大部分工艺需要24/7不间断运行,对供电可靠性要求非常高,在工厂建设的时候如何设计工厂能效管理系统也是非常重要的。

  半导体工厂用电量比较大,更重要的是为了提高供电质量,降低电网干扰,一般采用110kV或更高电压等级供电。每个工厂工艺生产用电量与公用工程用电量比例不尽相同,通常工艺生产比公用工程用电量略低,但大致可以认为比例为 1:1的关系,即各占全厂总负荷的 50% 。植入、光刻、刻蚀生产过程中的机台设备、泵、高温炉及其它一些机械设备是工艺生产过程中的主要用电设备,而公用工程直接参与工艺生产的超纯水、工艺生产的冷却水、氮气及间接参与生产的建筑冷却的冷冻水、清洁干燥的空气是主要的用电大户。

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  用户需求

  用户痛点

  ① 电子半导体厂房用电量非常大,对供电可靠性要求非常高,对故障比较敏感,一旦意外断电会导致重大损失,配电系统结构复杂;

  ② 大部分工艺设备对电能质量比较敏感,电压暂降会导致设备损坏、生产材料报废等产生较大的经济损失;

  ③ 生产机台设备内部有大量的电子器件如晶闸管,它们不仅对谐波电压和电压波动非常敏感,承受较差电能质量的能力不是很高,同时也是主要的谐波源。

  ④ 工厂电压等级比较多,出于供电可靠性要求和工艺设备需要电压等级不同,工厂配电电压从110kV到10kV、0.48kV、0.4kV、0.208kV不等,涉及的各电压等级变压器数量非常多;

  用户需求

  ① 通过EMS系统实时显示工厂高中压柜、低压柜、直流屏、UPS 及电池监控系统、发电机系统、母线测温系统、光伏发电系统、配电盘柜系统相关设备应设置直观的画面进行展示;

  ② 对工厂供配电系统进行实时监控,包括变电站、柴油发电机运行状态、油箱油位、变压器、自动切换开关、静态UPS、中低开关柜电气参数等;

  ③ 记录日月年负荷和电能消耗报表;

  ④ 监测配电回路接点温度,包括断路器触头或触臂、母排、线缆连接处等;

  ⑤ 对低压配电回路漏电电流、线缆温度进行监测和异常报警;

  ⑥ 对静态UPS运行状态、蓄电池温度、电压、电流、内阻、进行监测,对蓄电池室可燃气体浓度监测和报警并启动排风;

  ⑦ 监测密集型母线槽接点温度、电流、电压等电气参数;

  ⑧ 监测建筑进线电能质量,读取波形文件并进行分析,定期自动出具分析报告,异常及时告警;

  ⑨ 对工厂消防设备电源回路进行监测和异常报警;

  ⑩ 消防疏散通道、安全出口有明显的指示灯具,并可以通过不同应急预案控制疏散方案;

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  方案设计

  半导体制造工厂电源可分为三类即:公共电网电源、柴油发电机备用电源和 UPS 电源。国内企业通常会分别简称为:市电、E 电和 U 电。关于 UPS 电源,除了集中式大容量UPS电源外,还会有供机台设备的 IT和控制用的 UPS,这种UPS 通常为小容量分布式 UPS。

  工艺生产负荷按其对于电源可靠性要求的重要性可分为3个等级:1级关键负荷、2 级关键负荷及3级关键负荷,重要性是逐步升高的,这里负荷等级划分与国家标准GB50052-2009《供配电系统设计规范》中负荷分级定义不同。

  根据用户要求,配置AcrelEMS-SEMI电子厂房能效管理系统,为厂房提供监测和控制,主要功能有:

  变电站综合自动化

  ① 实时监控高低压供配电系统开关柜、变压器微机保护测控装置、发电机控制柜、ATS/STS、UPS,包括、遥信、遥测、遥调、事故报警及记录等;

  ② 监测各进线回路电能质量,包括电压暂降、谐波畸变、闪变等数据波形记录,进而判断配电系统扰动方向;

  ③ 对中高压回路进行故障录波、事件顺序记录等功能,协助分析故障原因并改进;

  ④ 完成多路电源的自动切换逻辑;

  ⑤ 对中压开关柜母排设置弧光保护装置,探测到故障性弧光快速跳闸并报警;

  电气安全

  ① 对0.4kV和0.208kV侧进行电能质量治理,包括谐波治理和无功补偿;

  ② 实时监测0.48kV、0.4kV和0.208kV馈线漏电电流,异常时报警;

  ③ 监测各电气接点、母排、密集型母线槽温度并实时预警;

  ④ 实时监测消防设备的电源状态,发生异常时报警;

  ⑤ 实时监测厂房内防火门、安全门状态,发生异常时及时报警;

  ⑥ 监测厂区内消防应急照明和疏散指示灯具工作状态,在发生火灾时提供疏散应急预案,灯具有异常时报警;

  ⑦ 对UPS电池间电池温度、电流、电压、内阻进行监测;

  能耗分析

  ① 按照建筑栋别或用户要求的区域采集厂区内建筑的能耗数据,包括电、水、气、汽、压缩空气、冷热量等,并进行折标煤计算和CO2排放趋势统计;

  ② 采集厂内冰机系统、冷却塔系统、热水系统、PCW 系统、MAU 系统、排气系统、FFU 系统、纯水系统、废水系统、纯水抛光系统、空压机系统、气体纯化系统、气站、照明办公系统、IT 数据中心系统、工艺机台等,展示画面形式包括饼图、折线图、柱状图等,可对历史数据、实时数据、累计电量、功率、分时段(年、月、周、日)电量及功率进行展示对比分析;

  ③ 按照照明插座、空调、工艺设备、特殊用电对厂内用电进行分项统计,并通过饼图方式展现;

  ④ 分析厂内单位产量能耗数据,并可按照建筑或区域产线进行统计;

  照明管理

  ① 对厂区内照明进行集中管理,包括厂房内和厂区道路、停车库照明;

  ② 通过系统实现集中控制、定时控制、光照度感应控制、人体感应控制、区域控制等;

  ③ 对光照度有要求的特定区域实现调光控制;

  ④ 对厂区道路照明实现基于经纬度和日落日出时间的定时控制;

  ⑤ 对停车库实现雷达感应控制;

  新能源管理

  ① 接入厂区分布式光伏电站发电数据,采集光伏逆变器、并网柜数据,并进行日、月、年、累计收益分析和减排分析;

  ② 对光伏系统异常及时预警;

  ③ 接入储能系统和BMS数据,根据负荷曲线制定储能充放电使用策略;

  ④ 对厂区内电动汽车和电瓶车充电桩进行状态监测和充电交易管理;

  职工宿舍管理

  ① 对厂区内职工宿舍进行负载管理,包括恶性负载识别管理、负载阈值管理;

  ② 对员工宿舍进行水电收费管理,支持微信、支付宝等缴费方式;

  ③ 采集职工宿舍能耗数据;

  厂区环境管理

  ① 对厂内特定区域进行空调漏水、温湿度、空气质量、粉尘含量等监测;

  ② 对特定区域如UPS电池间氢气浓度进行监测,在浓度超标时可自动启动排风。

  监测点位设计

  AcrelEMS-SEMI针对厂区配电系统采集数据并通过画面显示和告警,采集数据点位如下表所示:

  变电站综合自动化

  变电站综合自动化系统主要针对110kV变电站、10kV变电所和10kV柴油发电机部分,在变电站设置Acrel-1000变电站综合自动化系统子站,实现本地遥测、遥信、、报警、报表等功能,并把数据上传至AcrelEMS-SEMI能效管理平台,实现集中监测和报警。

综自系统保护配置清单

  (1)实时监控

  实时监控高低压供配电系统开关柜、变压器微机保护测控装置、发电机控制柜、ATS/STS、UPS,包括、遥信、遥测、遥调、事故报警及记录等;

  综合自动化监控系统可以直观显示一次系统图,并实时显示各电压等级各回路的遥测量、遥信量和报警信号等。

  遥测量包括电压、电流、功率、功率、电能等电参量,高低压柜内电气节点温度值等;

  变电站运行监视

  遥信量包括中压开关柜内路断路器、手车、隔离开关、负荷开关、地刀开关的分合状态,柜内弧光探头的链路状态、断路器弹簧储能状态及远方就地控制状态;

  报警信号包括微机保护装置的告警信号、保护跳闸信号及装置异常信号\线路弧光保护动作信号、节点温度告警及设备通信异常告警,异常信号可以通过声光报警。

  监视光字牌

  变电站综合自动化子系统主机设置在变电站,同时数据上传至AcrelEMS-SEMI能效管理平台,在平台统一显示和报警。

  变电站运行监视

  变压器运行监视

  事件顺序记录

  故障录波分析

  (2)电能质量监测

  AcrelEMS-SEMI能效管理系统监测各进线回路电能质量,包括电压暂降、暂态、稳态数据波形记录,并提供电能质量分析报告。

  稳态监测数据

  间谐波分析

  电压、电流、电能质量分析报告

  (3)接点测温

  系统监测断路器、母排、线缆接头、密集型母线槽接点温度并实时预警。

  无线测温

  (4)装置功能介绍

  ① 电能质量监测装置

  10kV进线电能质量监测装置采用APview500,采用了高性能多核平台和嵌入式操作系统,遵照IEC61000-4-30《测试和测量技术-电能质量测量方法》中规定的各电能质量指标的测量方法进行测量,集谐波分析、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。装置在电能质量指标参数测量方法的标准化和指标参数的测量精度以及时钟同步、事件标记功能等各个方面均达到了 IEC61000-4-30 A 级标准,能够满足 110kV 及以下供电系统电能质量监测的要求。

  装置可以监测电网频率 ,电压、电流有效值,有功功率、无功功率、视在功率及功率因数,电压偏差,频率偏差,三相电压不平衡度、三相电流不平衡度;三相电压、电流各序分量;基波电压、电流,功率、功率因数、相位等,谐波(2~50 次)。包括电压、电流的总谐波畸变率、各次谐波电压、电流含有率、有效值、功率等,谐波群 ,间谐波 电压波动、闪变,电压可输入57.7V/100V 或 220V/380V 。

  ② 10kV线路保护测控装置

  10kV进线保护测控装置采用AM5SE-F,10kV变压器保护测控装置采用A具备相间电流速断保护,相间限时电流速断保护(可带低压闭锁),相间过电流保护(可带低压闭锁),两段式零序过流保护,反时限相间过流保护(可带低压闭锁),零序反时限过流保护,过负荷保护,控制回路异常告警。

  ③ 10kV变压器保护测控装置

  10kV变压器保护测控装置采用AM5SE-T,具备电流速断保护,过流保护,复压闭锁,反时限过流保护,复压闭锁,两段式高压侧零序过流保护,两段式低压侧零序过流保护,过负荷保护,控制回路异常告警,超温/重瓦斯跳闸,过温/轻瓦斯报警。

  ④ 弧光保护装置ARB5-M

  在中压母线,中压柜运行过程中很可能由于的操作失误、接头松脱、动物侵入,以及长时间运行后PT绝缘老化、套管老化导致严重短路故障。对于中压母线未像高压母线那样安装母线差动保护,中压母线短路故障依赖上级进线的后备保护切除,切除时间长,而根据测试结果数据,母线燃弧后 0.1s 就会燃烧,0.15s 后母线损毁,柜体在 0.2s 后爆炸。

  ARB5母线弧光保护装置通过检测母线室弧光、进线电流判据(弧光判据+电流突变量判据)启动;单判据动作时间≤7ms、双判据时间≤20ms。ARB5母线弧光保护由弧光保护装置、弧光探头及塑料光纤和尾纤等构成。

  ⑤ 10kV母联保护测控装置

  10kV母联保护测控装置采用AM5SE-B,具备保护、测控和备自投功能,相间电流速断保护,相间过电流保护,母联充电保护,母联备自投,进线备自投,控制回路异常告警。

  ⑥ PT监测装置

  PT监测装置采用AM5SE-UB,可以监测电压互感器实现过电压告警、零序过压告警、PT断线告警、低电压告警等功能,采集母线三相电压、零序电压、线电压等。

  ⑦ 开关柜操控装置

  开关柜操控装置采用ASD500,它以一体化布局配套于开关柜,简化了开关柜的面板设计,美化了面板布局。除具有动态模拟指示、带电显示及闭锁、温湿度显示及其控制、验电核相、二次回路电压值显示、人体感应带电提示及柜内照明、语音防误提示、时间日期显示、远方/就地操作、分合闸操作、手动/自动储能、远程通信等功能外,还具有电力综合参数测量功能,测量参数为:三相电压、三相电流、功率因数、有功功率计量、无功功率计量,使开关柜进一步智能化、网络化、数字化。另外可以接入无线测温传感器数据,就地显示各电气接点温度。

  ⑧ 无线测温传感器

  无线测温传感器主要用于监测断路器触头、触臂、母排和线缆连接处温度,便于提前发现温度异常导致的事故。

  ATE200表带式无线测温传感器:电池供电无线温度传感器,表带式固定,测温范围-50℃-125℃,精度±1℃,电池寿命5年。

  ATE400感应取电无线温度传感器:合金片固定,感应取电,测温范围-50℃-125℃,精度±1℃,无需电池,回路电流大于5A工作。

  ⑨ 10kV回路多功能仪表

  10kV回路配置多功能仪表APM830,可以为回路提供电气数据监测,用于搭建工厂的能源管理体系。

  支持全电力参数测量(U、I、P、Q、S、PF、F、Ep、Eq)、双向有功、无功电能计量,支持有功、无功脉冲输出、复费率计量(历史12月),复费率可设置4个时区、10时段、四种费率(尖峰平谷)、电压电流不平衡度测量、电压电流相角测量、2-63次分次谐波、总(奇、偶)谐波测量、电压波峰系数、电话波峰因子、电流K系数测量、事件记录、报警记录、至大需量、2路开关量输出及2路开关量输入。

  电压、电流精度:0.2级、有功电能精度0.5s级、无功电能精度2级,RS485通讯,ModBus-RTU通讯协议。

  ⑩ 0.4kV回路多功能仪表

  0.4kV回路配置AEM96或AEM72仪表,支持全电力参数测量(U、I、P、Q、S、PF、F、Ep、Eq)、双向有功、无功电能计量, 四象限电能计量、复费率、至大需量、历史电能统计、开关量事件记录、历史极值记录、31 次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量(电压、电流、功率)、开关量、报警输出、电压、电流精度:0.2级、有功电能精度0.5s级、无功电能精度2级,RS485通讯,ModBus-RTU通讯协议。

  电气安全

  EMS系统针对配电系统的电能质量和电气安全隐患配置相应的治理装置、电气火灾传感器、温度传感器,消防设备电源传感器、防火门状态传感器,接入消防疏散照明以及指示灯具的状态实时显示,并且对UPS的蓄电池温度、内阻进行实时监视,发生异常时通过声光、短信、APP及时预警。

  (1)电能质量治理

  AcrelEMS-SEMI能效管理系统配置有源滤波装置和无功补偿装置对0.4kV侧电能质量进行补偿和治理,并监测有源滤波装置和无功补偿装置运行情况,确保电能质量符合生产要求。

  有源滤波装置运行监测

  (2)漏电火灾监测

  电气火灾探测器一般设置在变电所0.4kV馈线侧,采集数据漏电电流和线缆温度后上传至监控主机,实现对电气安全预警。现场设置的传感器监测配电系统回路的漏电电流和线缆温度,异常时实时发出报警信号。

电气火灾监控系统网络结构图

  电气火灾监测界面

  电气火灾监控系统设备选型如下表所示:

  (3) 消防设备电源监控

  工厂消防设备比较多,消防设备电源监控系统主要功能就是用于监测消防设备的工作电源是否正常,保障在发生火灾时消防设备可以正常投入使用。

  消防设备电源监控监控系统采用消防二总线,以机房分区设置区域分机采集消防设备电源状态,区域分机通过二总线接收多台传感器的电压、电流信息和开关状态信息,以此实现对消防设备电源工作状态的实时监视。

  消防设备监控子系统设备选型

  (4) 防火门监控

  防火门监控系统主要是通过防火门监控模块及其附件来检测现场常开,常闭防火门的状态;当火灾发生时,控制现场的常开防火门关闭,并通过门磁开关来反馈现场的防火门的关闭状态,有效防止火势蔓延阻止烟气扩散,确保人员安全疏散及减少火灾损失。

  (5) 消防应急照明和疏散指示系统

  根据消防要求还需要设置消防应急照明和疏散指示系统,用于火灾状态下人员的疏散指示,一旦发生火灾,通过消防应急照明和疏散指示灯具指引快速疏散。

  消防应急照明和疏散指示系统由主机、集中电源、指示灯具和照明灯具组成,可以根据预先设置的应急预案快速启动疏散方案引导人员疏散。

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