電子行業(yè)科創(chuàng)中心系列白皮書⑦-電子廠房電源切換產(chǎn)品的方案及選型

電子廠房電源切換產(chǎn)品的方案及選型關(guān)于作者馬強(qiáng)施耐德電氣電源切換及防雷產(chǎn)品專家，主要負(fù)責(zé)在電子及數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)品和解決方案的技術(shù)工作。2006年開始從事數(shù)據(jù)中心行業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作；2018年加入施耐德電氣，對電子及數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)和應(yīng)用技術(shù)有較深刻理解；在《建筑電氣》等雜志發(fā)表過多篇技術(shù)文章。電子制造工業(yè)廠房由于其工藝的特殊性，通常需要生產(chǎn)連續(xù)不間斷。通過電氣系統(tǒng)部件和供電路徑的冗余、引入不間斷電源等措施，電子廠房的電氣系統(tǒng)安全性、可用性大大提升。由于廠房園區(qū)常常需要接入多路外市電，同時(shí)也會配置兼作備用電源和應(yīng)急電源的柴油發(fā)電機(jī)組并機(jī)系統(tǒng)，那么如何將多個(gè)電源協(xié)調(diào)運(yùn)行、充分發(fā)揮其各自的作用，最終達(dá)到供電連續(xù)性最優(yōu)的效果呢？一套完善的多電源切換管理系統(tǒng)在電氣系統(tǒng)里將起到至關(guān)重要的作用。本文就電子制造工業(yè)項(xiàng)目里多電源切換管理問題進(jìn)行探討，首先分析行業(yè)項(xiàng)目的痛點(diǎn)，明確與其相關(guān)的技術(shù)需求，進(jìn)而探討多電源切換管理的技術(shù)方案和應(yīng)用場景，同時(shí)結(jié)合成功案例展現(xiàn)給客戶帶來的價(jià)值，實(shí)現(xiàn)“解決行業(yè)痛點(diǎn)、滿足客戶需求”的目標(biāo)。LifIsLifIsn 行業(yè)特點(diǎn)和電源切換管理應(yīng)用場景1.1工藝產(chǎn)線量產(chǎn)后幾乎不停，斷電經(jīng)濟(jì)損失大1.2工藝輔助系統(tǒng)斷電可能帶來人身傷害1.3檢修時(shí)間窗口有限1.4大型產(chǎn)線的電氣系統(tǒng)龐大，運(yùn)維團(tuán)隊(duì)管理難度大的管理難度非常大，傳統(tǒng)的手動操作管理模式已越來越難以適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，需要自動化幫助改善舊生產(chǎn)流程。1.5一般的突發(fā)故障應(yīng)對措施經(jīng)濟(jì)性差全部依賴不間斷電源或STS實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)備不中斷供電經(jīng)濟(jì)代價(jià)太間斷電源配合ATSE的方案在可靠的前提下相對更經(jīng)濟(jì)。低工作壓力產(chǎn)生的焦慮帶來哪些幫助呢？2、對于電源切換功能的核心需求的。行業(yè)內(nèi)比較常見的中低壓電氣架構(gòu)有以下幾種：02LifIsn2.1電源端別出在電源端有以下核心需求點(diǎn)：A.安全切換這里包含以下幾層含義：閉鎖、無壓無流作為判據(jù)；>防止晃電對切換邏輯造成影響而誤動作；>遵循“市電優(yōu)先”原則，具備成熟完備、標(biāo)準(zhǔn)化的自動切換邏輯；>人工判斷和操作優(yōu)先級最高，自動功能退出后全手動情況下仍具備安全閉鎖；03LifIsn>以往中壓系統(tǒng)的電源切換多依附于微機(jī)保護(hù)裝置，但該類裝置的平臺與繼電保護(hù)功能的沖突和影響；>對于電網(wǎng)或柴發(fā)并機(jī)系統(tǒng)等小容量電源，為避免突加負(fù)載導(dǎo)致電網(wǎng)沖擊或柴發(fā)宕機(jī)，需具備負(fù)荷順序加/減載功能，在負(fù)載容量減小到對系統(tǒng)穩(wěn)定性不產(chǎn)生影響時(shí)再安全切換至電網(wǎng)或柴發(fā)供電。B.倒閘不斷電的斷電也是保障生產(chǎn)工藝連續(xù)性的一個(gè)重要舉措。路正常電源的突發(fā)性故障狀況，電子行業(yè)里對于電源端的切換管理并未電源系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行作為首要目標(biāo)，因而秒級切換已能夠滿足電氣系統(tǒng)對于突發(fā)性故障的處理時(shí)限。二者不應(yīng)混淆。C.中低壓配合，電壓等級多樣之適配。輯混亂造成更大范圍的影響。2.2負(fù)荷端根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB51348-2019）的相關(guān)要配電箱處使用ATSE，而消防類負(fù)荷為建筑最高等級負(fù)荷，必須末端切換。此類負(fù)荷對于ATSE的核心需求有：04LifIsn>發(fā)生過載時(shí)維持供電、不斷電，一般多采用PC級；>多為電機(jī)類感性負(fù)荷，需確保電弧熄滅后再轉(zhuǎn)換；>為檢修方便，ATSE裝置需具備雙分位，可掛鎖；公用電等，也需要ATSE保障供電。此類負(fù)荷對于ATSE的核心需求有：>與火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)配合無誤，火災(zāi)狀態(tài)下“切非”；其他方面與消防類負(fù)荷的需求后面兩點(diǎn)是一致的。3、應(yīng)用場景根據(jù)電子行業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)和典型的電氣架構(gòu)負(fù)荷端進(jìn)行電源切換管理。3.1電源端在規(guī)模較大的電子廠房典型項(xiàng)目里，中壓層級系統(tǒng)電壓一般為10kV或20kV，通常需統(tǒng)一管理2個(gè)或4個(gè)電源，為解決倒閘不斷電的問題以及方分為正常電源NormalPower（簡稱“N電”）、應(yīng)急電源EmergencyPower（簡稱“E電”，實(shí)際作用是備用電源兼作應(yīng)急電源）和不間斷電源UninterruptiblePower（簡稱“U電”）。在典型的2N電氣架構(gòu)里，2DUPS時(shí)則會出現(xiàn)兩路N電加兩路U電的情況。低壓層級系統(tǒng)電壓范圍較廣，從208V至460V均較常見，一般只需管理2型電子廠房典型項(xiàng)目里會增加1個(gè)應(yīng)急電源，并單設(shè)應(yīng)急母線段。線處，而不必在中壓系統(tǒng)設(shè)置，中、低壓系統(tǒng)均設(shè)置的收益也并不明顯。05LifIsn量簡化為以下三種模型：VCBVCB電氣聯(lián)鎖VCBVCB VCBVCBVCBVCBVCBVCBVCBVCBVCBVCBVCBVCBVCBVCBVCBVCB1250A630A630A630A630A630A630A630A1250A630A630A630A630A圖4“五選二”邏輯模型（中壓）圖5“三選二”邏輯模型（中壓或低壓）圖6單母分段+應(yīng)急母線段模型（低壓）063.2負(fù)荷端通常設(shè)置在末端盤柜內(nèi)，可以根據(jù)客戶的需求對主用電源和備用電源進(jìn)行設(shè)置，PC級產(chǎn)品前端應(yīng)配置斷路器或熔斷器等保護(hù)電器；CB級產(chǎn)品視不同情況可能需配置隔離開關(guān)或隔離器等隔離電器。需要注意的是，由于CB級ATSE還需要承擔(dān)過電流保護(hù)的功能，因而與配CB級ATSE的斷路器應(yīng)具備過負(fù)荷報(bào)警功能。PC級ATSE應(yīng)特別注意安裝點(diǎn)計(jì)算短路電流的大小，尤其是應(yīng)用在電氣kA，應(yīng)注意選擇額定短時(shí)耐受電流Icw較高的產(chǎn)品或配合前端斷路器/熔斷器以獲得較高的額定限制短路電流Iq。變頻器類非線性負(fù)載可能帶來諧波污染，因而負(fù)荷端ATSE應(yīng)具備較強(qiáng)的電磁兼容性，以降低誤動作的可能性。 解決方案選型。第二步應(yīng)進(jìn)行核心需求選擇，例如無壓無流檢測、負(fù)載順序投退、柴發(fā)起最后應(yīng)針對選定的產(chǎn)品或裝置匹配電氣技術(shù)參數(shù)，例如最高電壓（中壓）/壓/過壓值等等。LifIsLifIsnWPCS-MV3.0方案，該方案針對電子行業(yè)應(yīng)用具有以下特點(diǎn)：>適配20kV及以下的系統(tǒng)電壓；>采用專用轉(zhuǎn)換裝置，經(jīng)第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)驗(yàn)證過“四電源、五開關(guān)”整體切換邏輯；裝置共用；>具備專利技術(shù)的雙連桿機(jī)械聯(lián)鎖，同段母線的不同電源絕無“撞車”意并聯(lián)；>自帶負(fù)載順序投退功能，減少成本，降低柴發(fā)帶載壓力和宕機(jī)風(fēng)險(xiǎn)；>可擴(kuò)展遠(yuǎn)端負(fù)載控制，提升故障時(shí)反應(yīng)速度，減輕運(yùn)維壓力；>與低壓電源切換管理系統(tǒng)可形成聯(lián)動；圖7WPCS-MV3.0方案08LifIsn切換管理系統(tǒng)的安全性、可用性，由于多個(gè)電源整體統(tǒng)一管理，電源切換系統(tǒng)的可靠性提升約19%。同時(shí)也能有效降低故障的工作難度，在采用負(fù)載順序投切管理的項(xiàng)目里，從故障斷電到恢障處理效率提升40%以上。WPCS-MV案例某TFT-LCD液晶面板生產(chǎn)線，采用a-Si（非晶硅）技術(shù)，生產(chǎn)0.96～24寸不同應(yīng)用類別的顯示產(chǎn)品。本方案在項(xiàng)目中得到了以下成功應(yīng)用。>專用轉(zhuǎn)換裝置，且經(jīng)第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)驗(yàn)證過“四電源、五開關(guān)”整體切換邏輯，電源切換安全可靠，打消客戶對于安全切換的風(fēng)險(xiǎn)擔(dān)憂；>專利技術(shù)的雙連桿機(jī)械聯(lián)鎖，滿足當(dāng)?shù)仉娏倦娫磭?yán)禁并聯(lián)的要求，同段母線的不同電源杜絕所有“撞車”風(fēng)險(xiǎn)，讓客戶省心省力；提升工作效率。2、低壓電源端WPCS-LV方案，該方案針對電子行業(yè)應(yīng)用具有以下特點(diǎn)：>適配208V～460V系統(tǒng)電壓；>采用專用控制器，具備整體CCC認(rèn)證；>具備無壓無流檢測功能，閉鎖條件更充分；>具備手動合環(huán)倒閘功能，合環(huán)時(shí)間小于200ms，倒閘更安全；>可一鍵退出，緊急時(shí)刻可將控制權(quán)完全交給人工；09LifIsn圖8WPCS-LV方案根據(jù)既往項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，通過WPCS-LV方案對電氣切換管理方面聯(lián)倒閘維護(hù)工作的總用時(shí)可降低約30%。由此可見，該方戶提升工藝供電連續(xù)性和自動化程度，增強(qiáng)電氣系統(tǒng)的安全性、可用性，降低運(yùn)維團(tuán)隊(duì)快速處理故障的工作難度。WPCS-LV案例某大型存儲類芯片生產(chǎn)項(xiàng)目位于武漢，共建設(shè)3座全球單座潔凈面積最大的3DNANDFlash生產(chǎn)廠房，為全球合作伙伴供應(yīng)3DNAND閃存晶方案，總投資超過283億美元。本方案在項(xiàng)目中得到了成功應(yīng)用。>實(shí)現(xiàn)無壓無流檢測功能，顯著降低客戶對于安全切換的風(fēng)險(xiǎn)擔(dān)憂；>簡單的柜間連接，幾乎“即到即用”的安裝調(diào)試體驗(yàn)，幫助客戶節(jié)省建時(shí)間，助力運(yùn)維人員提升工作效率；10LifIsn>手動合環(huán)倒閘功能，協(xié)助客戶在有兩路正常電源的情況下恢復(fù)市電供時(shí)創(chuàng)造價(jià)值。同時(shí)，施耐德還為電子行業(yè)單母分段+應(yīng)急母線段模型帶來適配的ATMT2BRC方案，該方案同樣具備手動合環(huán)倒閘功能，在柴發(fā)電恢復(fù)至市電正協(xié)助低壓柴發(fā)機(jī)組的投入和退出。圖9ATMT2BRC方案面向電子行業(yè)重要的中壓負(fù)荷，例如保障性冰機(jī)等重點(diǎn)保障的感性負(fù)荷，施耐德能夠?yàn)榭蛻籼峁￤MTS產(chǎn)品，該產(chǎn)品針對電子行業(yè)應(yīng)用具有以下>適配20kV及以下的設(shè)備額定電壓；>具備專利技術(shù)的雙連桿機(jī)械聯(lián)鎖，電源絕無“撞車”風(fēng)險(xiǎn)；>具備熱備用/冷備用兩種運(yùn)行模式，為滅弧可設(shè)置轉(zhuǎn)換延時(shí)；>提供650mm柜寬產(chǎn)品，降低設(shè)備占地面積。圖10WMTS產(chǎn)品11LifIsn負(fù)荷端的電源切換管理功能要求相對簡單，保障切換安全是WMTS產(chǎn)品的首要職責(zé)，因而建議在此場景下采用冷備用的運(yùn)行模式。4、低壓負(fù)荷端面向電子行業(yè)重要的中壓負(fù)荷，例如保障性冰機(jī)等重點(diǎn)保障的感性負(fù)荷，施耐德能夠?yàn)榭蛻籼峁￤MTS產(chǎn)品，該產(chǎn)品針對電子行業(yè)應(yīng)用具有以下>具備極高的分?jǐn)嗄芰?，脫扣器類型豐富，可與上下級形成選擇性；>本身具有隔離功能，不必單獨(dú)配置隔離器；>可與火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)配合，火災(zāi)狀態(tài)下執(zhí)行“切非”功能；>可反饋ATSE位置，通過通訊功能上傳給后臺系統(tǒng)；圖11CB級WATSN系列>具有雙分位，可掛鎖；>具有延時(shí)設(shè)置功能，確保電機(jī)類感性負(fù)荷電弧熄滅后再轉(zhuǎn)換。>可反饋ATSE位置，通過通訊功能上傳給后臺系統(tǒng)；圖12PC級WTS系列圖13PC級WATSN系列12LifIsn結(jié)語結(jié)語電子制造業(yè)是我國實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)高端轉(zhuǎn)型的重點(diǎn)行業(yè)，高端芯片重器”，保障行業(yè)供電安全施耐德義不容辭。配置多路電源和冗余的電氣部件能顯著提升電氣系統(tǒng)的可用性，但具備效能，一套完善