先进半导体厂房供电系统分析

> > > >    半导体厂房电气系统概述

半导体厂房相较于其他工业类厂房，主要特殊之处在于其洁净等级要求高，光刻机、等离子注入机等精密设备的电源质量和电压等级要求高。

而其电气系统同样包括供配电系统、电气控制与保护、照明及检修插座系统、防雷接地系统、火灾自动报警及综合布线系统等，其特殊之处在于供电系统部分，半导体厂房由于设备的特殊性，断电会造成巨大的损失，所以其供电可靠性要求较一般厂房更高，因此在兼顾经济性的同时，其供电系统的复杂性与庞大程度需要投入更多的关注与思考。

> > > >    供电系统组成

变电站是电力系统的一个中间环节，通过变电站的变压器将各级电压的电力网联系起来，起着汇集和分配电能并改变电压的作用。作为半导体厂房电气系统的重难点设计部分，按供电用途，将半导体厂房的供电系统分为主变电站和用户变电站两大部分。

主变电站在半导体厂房电气系统中承担了将当地供电部门提供的高压降至工程所需要中压的作用。

用户变电站则在半导体厂房电气系统中承担了将主变电站降压后的中压再降压至设备所需低压的作用。

> > > >        案例项目工程概况

a. 案例一。主要建筑内容包含一幢5层FAB厂房，一幢5层CUP厂房，一幢3层WWT厂房，一幢9层研发综合办公楼及其他配套小栋号单体建筑。项目分两期进行，其中一期又分为2个阶段投产，总规划产能为月产芯片2万片，第一阶段计划月产4千片。项目总用电设备容量超116.7 MVA，项目电压有220 kV、20 kV、10 kV、480 V、380 V、208 V多种等级，涵盖高、中、低电压等级。

b. 案例二。主要建筑内容包含一幢3层FAB厂房，一幢1层CUP厂房，6层综合办公楼及其他配套小栋号单体建筑，为月产1.5万片芯片制造厂房。工程总用电设备容量超126.4 MVA，项目涉及电压等级包括110 kV、10 kV、480 V、380 V、208 V。

> > > >    供电系统计算

> >      负荷计算

本文列举的案例一、二皆为目前国内领先的半导体厂房项目，理论计算部分将以案例一为主进行推演，两案例的工程负荷皆按GB 50052 - 2009《供配电系统设计规范》第3.0.1条要求，根据供电可靠性要求及中断供电所造成的损失或影响程度，将具体负荷分为一级、二级、三级负荷。

在案例一中，主要工艺设备及其相关动力设备的用电负荷应按一级负荷考虑，其中的部分负荷更应属于一级负荷中特别重要的负荷，如10 kV冰机、工艺排气设备，特气及化学供应系统、工艺冷却水系统、自动控制系统、消防设备、生产水泵房、安防系统、弱电机房、电梯、变配电室、部分低压水泵及部分空调MAU机组等。消防设备包括消防报警、防排烟风机、消防应急照明等。该部分负荷由柴油发电机作为应急电源保证供电，满足GB 50052 - 2009第3.0.3条强条要求，即一级负荷中特别重要的负荷供电，应符合下列要求：

a. 除应由双重电源供电外，尚应增设应急电源，并严禁将其他负荷接入应急供电系统。

b. 设备的供电电源的切换时间，应满足设备允许中断供电的要求。

除此之外，针对部分有不间断电源要求的工艺设备，如酸碱排风及普通热排风、IT机房、弱电间机柜、备用照明、PV系统、特气及化学供应系统等，系统设置UPS电源供电。至于其他一般用电设备属于三级用电负荷。

电源类型有N电、E电、D电、U电：N电为市电，E电为自备柴油发电机提供应急电源，D电为动态UPS设备机组提供不间断电源，U电为静态UPS设备提供不间断电源。

通过衡量考虑半导体厂房实际的操作流程及24 h的长期工作制，确定出各项设备负荷适当的需要系数Kx，利用公式P _js = P _e × K _x （P _js 为实际有功功率，P _e 为设备额定功率）计算可得最终形成对应的负荷统计表。

> >     无功补偿分析及变压器容量确定

厂房的主要负荷为电子变频设备，自身功率因数可接近于1，因此不需要进行无功补偿。同样由于存在大量电子变频设备，系统主要存在6N + 1次谐波，即7次、13次等。

关于变压器容量的确定，由于本文中两个案例的负荷总容量巨大且涵盖电压等级范围较广，仅选择案例一中一个较具有代表性的变压器进行举例分析。根据业主资料及行业经验总结，案例一中一小型电力站可能达到的最大总有功功率为1 980 kW。本系统根据经验以75 % 负荷时为计算点，考虑到变压器的运行效率及使用方日后增加用电设备等负荷，配电变压器容量选择2 500 kVA较为合适。

> >       柴油发电机容量计算

芯片厂房一旦断电会造成巨大损失，同时对电压暂降和闪断也非常敏感，所以厂房内一些特别重要负荷对供电可靠性及持续性要求很高，两个案例对于此部分负荷都采用了柴油发电机供电的方式。

案例一、二的一级负荷中特别重要的负荷总容量分别为14 800 kW和21 800 kW，需要柴油发电机作为应急电源保证供电，柴油发电机组容量考虑实际使用情况依据工作电源所带全部容量或一级、二级负荷容量可得，结果如表2所示，满足总容量大于特别重要负荷所需容量。

> > > >    系统设计

> >       设计思路

本文列举案例的设计思路可分为确定负荷等级、确定供电电压、变电所设计、E电 / D电设计4个部分。

两案例存在较多互通之处，如多数工艺设备的供电要求及额定电压相同，详细对比可见表3案例设计思路对比。其中值得关注的是案例二中未采用动态UPS设计。采用D - UPS的主要意义在于能提供更高的电源质量，持续给负载提供电源，案例二由于系统采用应急变压器给重要负荷提供电源，且配置大量静态UPS的原因，不采用动态UPS的方案。

> >      设计方案

  >     案例一

由于案例一项目的一期分为两个不同的产能阶段，以月产2万片为例展开设计说明。

首先，关于此项目的220 kV变电站，其进线是由市电引来两路相互独立的220 kV供电电源。出线电源则是经变压器降压至20 kV引出的4路20 kV电源，出线电源连接至综合动力站的主站，同时与该建筑内的柴油发电机组4条20 kV出线回路互为备用运行。由图1可见，每段母线都为双回路进线，即一路市电，一路柴油发电机。4段母线之间分别装有联络开关。图1中左、右两侧的各两段母线又分为一组，除两组之间的联络开关为手动投切，其余每段母线之间联络开关为自动投切，这是为了保证其中任意一组中的一路电源停电或检修时，母线联络断路器投入运行，另一路电源向此段母线进行100 % 供电。若联络开关投切失效，则启动柴油发电机或者手动投运两组之间的联络开关。

各建筑内的终端变（配）电站的进线是由主站引出的4路N电 / E电电源，4路20 kV进线采用分段单母线运行。如图2所示，系统中每段母线第一个出线开关采用手拉手相连的形式，与邻侧备用母线以及其他段母线，形成环状相连。其中，备用母线仅在应急及检修情况下使用，平时不允许带电。联络开关的投切模式类同于220 kV变电站，其中任意一路电源停电或检修时，母联开关投入运行，另一路电源向此段母线100 % 供电，若联络开关投切失效，则启动备用母线备用开关。

综合研发楼内的变压器则是采用单母线分段的供电方式，互为备用的两台变压器单独向各自的低压母线供电，平时母联断路器断开，当任意一台变压器发生故障或检修时，母联断路器投入运行，由另一台变压器向两段低压母线供电。

10 kV系统采用运行变压器与支援变压器配合方式供电，正常运行情况下，系统由运行变压器独立供电，仅当运行变压器故障时，由同群组的支援变压器投入供电，支援变压器由备用母线电源供电。同理，厂房内低压厂用变压器和工艺变压器都采用支援变压器的运行方式，即N + 1运行方式。

发电机的供电模式为：自备发电机从初级电压380 V经变压器升压至20 kV后并联供电给应急母线。

发电机可设置手动或自动两种运行模式。在自动模式下，发电机检测市电断电后自启动，延时一段时间待机运行，延时时间可按实际需求进行设置调节。发电机启动成功后，供电至应急母线；市电恢复后，会延时1 min待确定切换为市电供电后，发电机延时5 min冷却后自动停机。

采用动态UPS设备机组提供不间断电源（如图3所示），动态UPS设备机组升压至20 kV后并车运行，输送至各终端变配电室，再分配给变压器输送至各重要设备。

>     案例二

案例二的高压变电站进、出线电压等级分别为110 kV和10 kV，同样是由市电引两路独立的供电电源，降压至10 kV出两路电源（由110 kV变电站至各建筑内的变配电站）。中压10 kV全部采用单母线分段的设计原则，两段母线分为一组，每组之间联络开关为自动投切，任一路电源停电或检修时，母线联络断路器投入运行，由另一路电源向此段母线供电。

柴油发电机的设计原则同上文所述的市电原则，采用单母线分段设计，发电机发出10 kV后并机向两段应急母线供电，两段母线各出一回路至各中压室进行互切后供电给各终端变电站内应急变压器，对应急负荷设备供电，如图4所示。

6.6 kV供电系统如图5所示，采用市电与柴油发电机双电源进线，正常运行时仅由市电回路供电，当出现停电或检修时，柴油发电机启动，此时待机运行，母联断路器投入运行，若母联投运失败或另一路进线供电失败，则切换至柴油发电机供电。

非特别重要负荷变压器采取两台互为备用的变压器同时工作，每台各自向低压母线供电，任一变压器故障或检修时，母联断路器合闸，由另一台变压器向两段母线供电，如图6所示。特别重要负荷如图7所示，由两台互为备用的变压器外加应急变压器支援运行，市电正常情况下，两台变压器独立供电，应急变压器退出。当一台变压器故障或检修时，投入母联断路器，由一台变压器向两段低压母线供电。若两台变压器同时停电，应急变压器向两段低压母线供电，承担100 % 负荷。

对比两个案例的供电系统，可得出因设备、产能等差异因素，同类型的半导体厂房电气系统会存在异同。

在满足供电系统需求的情况下，若案例一采用案例二变压器1 + 1的设计方案，从中压柜、变压器以及电缆数量三个方面分析，数量上会发生较大变化，详细对比见表4。

综上所述，同样满足用电设备需要的情况下，采用案例一的系统设计，更具有经济性，无论从中压开关柜还是变压器的台数，或是电缆回路数上看，都更节约成本；从施工难易角度看，也更具优势。故笔者推荐在同等条件下优先选择案例一的系统设计。