电子工业洁净厂房电气设计探讨

2021-03-18李光光

现代建筑电气 2021年1期

刘佳, 李光光

(1.北京中瑞电子系统工程设计院有限公司上海分院, 上海 201203;2.北京中瑞电子系统工程设计院有限公司华东分院, 江苏无锡 214135)

0 引言

近年来,国内大力发展显示屏及集成电路等电子产业,很多大型电子工业洁净厂房建设快速推进,一般包括主生产厂房(FAB栋)、中央动力中心(CUB栋)、变电站、大宗气站、仓库、废水处理站等建筑。随着电子产品新工艺、新技术的不断涌现,工艺制程及工艺越来越复杂,对洁净室环境的要求越来越高。主生产厂房对洁净度有严格要求,通过空调系统对空气中悬浮粒子进行控制,达到工艺设备需求的洁净等级[1-4]。为保证洁净环境及厂房生产的持续稳定安全运作,需要做好整个厂区的电气设计。

1 供配电设计

电子工业洁净厂房的供电可靠性要求很高,不同的工艺设备电压等级不同(很多设备为进口设备,电压等级为AC 120/208 V),规划供电系统时需综合考虑可靠性及不同电压等级的影响[5]。

1.1 负荷等级及电源类型

电子工业洁净厂房的用电设备负荷等级和供电要求根据生产工艺及GB 50052—2009《供配电系统设计规范》确定,一般可分为三种负荷等级。

(1)一级负荷中特别重要的负荷。电源类型为不间断电源(UPS)(U电),包括部分工艺设备控制系统及重要工艺设备,部分工艺冷却水系统(PCW)、洁净空调系统(MAU)及工艺排气系统,通信系统(IT),厂务监控系统(FMCS),生命安全系统(火灾报警系统、空气采用早期报警系统、公共兼应急广播系统、特种气体泄漏报警系统、液体化学品泄漏报警系统、安防系统),应急照明及疏散照明。

(2)一级负荷。电源类型为应急电源即柴油发电机电源(E电),包括洁净维持系统设备及重要工艺设备、维持生命系统。

(3)二级负荷。电源类型为一般电源即市电(N电),包括一般工艺设备和一般动力设备及照明。

根据用电设备负荷等级、所需电源要求及项目现场市政电源实际情况,大型电子工业洁净厂房的供电电源采用双路110 kV或220 kV高压线路供电,并在厂区附近设置高压变电站。根据生产产能及规模大小,在总用电量不超过40 MVA,可考虑采用35 kV高压线路供电;小型电子工业洁净厂房供电电源可采用双路10 kV或20 kV供电。对于高压线路考虑接近50%冗余,因为冗余过多,会增加一次投资,冗余过少,对开关保护及运维管理要求很高,不利于后期局部扩展。

1.2 供配电系统接线方式

根据用电设备允许中断供电切换时间的要求,配备相应容量的柴油发电机组作为应急电源,配备UPS为特别重要负荷提供应急电源。大型电子工业洁净厂房典型供电系统架构如图1所示,全厂区供电系统在不同电压等级母线段均设母联,采用单母线分段的运行方式,在任何一台变压器故障及宕机事故时,由另一台变压器通过母联保持对故障段设备的供电,变压器负荷率保持在50%以下,保证用电可靠性。

图1 大型电子工业洁净厂房典型供电系统架构

电子工业洁净厂房内的厂务用电设备(MAU、PCW、PV、HV、工艺排气等)、照明、插座等一般采用AC 220/380 V,工艺用电设备大部分为进口设备,采用AC 120/208 V。低压配电系统采用TN-C-S或TN-S系统,当PE线与N线在低压进线总开关柜内分开后,应全线绝缘,严禁再次合并。

电子工业洁净厂房内配电方式一般采用以下两种方式:① 放射式配电方式,即从变电所低压柜引电缆到用电区域总配电柜,再分配到各分配电柜,最后由分配电柜分配到各用电设备;② 从变电所引母线到用电区域,即通过母线插接箱给用电设备供电。

1.3 配电方式

电子工业洁净厂房的生产厂房有洁净核心区和支持生产区。洁净核心区一般分为上技术夹层、洁净室和下技术夹层。上技术夹层主要安装风机过滤机组(FFU)满足洁净等级要求,洁净室和下技术夹层通过华夫板或井字梁结构连通。根据工艺流程,洁净核心区会分不同的工艺区域,通过对每个区域的工艺设备电量需求分析,当区域各设备电量较小且布置分散,可采用总柜配电方式,即从配电所引电缆到现场的总配电柜;当区域内设备电量较大且集中,可采用母线配电方式。

电子工业洁净厂房工艺设备更新较快,最初设计的工艺设备和最终投入使用的工艺设备会有所差别,同时也会涉及到工艺设备的增加。如果使用传统的配电柜预留回路,会造成后期配电柜返厂整改,造成工期无法满足厂房生产需求。因此,电子工业洁净厂房内普遍使用采用插入式动力配电柜(I-line盘),在更换和增减断路器时无需断电,可热插拔操作。当配电较集中时,可采用母线配电,根据不同的电压等级用电容量选择合适的母线。

支持生产区主要有空调系统、工艺冷却水系统、工艺真空系统、工艺排气系统、纯废水系统等站房。不同的系统配电独立、方便管理,分别计量,同时根据系统的重要性提供不同类型的电源。照明系统、动力系统(普通风机)均由变电所专用回路供电。各系统应根据防火分区进行规划。

为保证洁净核心区内洁净等级,核心设备风机过滤机组FFU负责空气过滤,部分工艺区域为满足工艺需求,会安装化学过滤器过滤悬浮分子污染物,以保证电子产品的优良率。现阶段各项目FFU配电从FFU专用配电箱引出电缆,利用接线盒和扁平电缆连接,通过穿刺盒接到每个FFU,且三相分配平衡。FFU配电接线详图如图2所示。FFU控制系统网关电源采用UPS。

图2 FFU配电接线详图

2 照明设计

电子工业洁净厂房均为封闭式建筑,建筑外墙只有极少数的窗户可以自然采光,故内部采用人工照明方式。为了给洁净空间工作的操作员工提供舒适的视觉环境以及工艺生产所需的照度要求,在进行照明设计时考虑柔和的光源及合理的空间照度。

2.1 照明种类及供电方式

按照GB 50073—2013《洁净厂房设计规范》,电子工业洁净厂房内照明可分为以下几类。

(1)正常照明:室内及相关辅助场所正常工作状态下需要的照明。

(2)备用照明:室内及相关辅助场所需确保正常工作或活动继续进行的场所设置照明。

(3)消防应急照明和疏散指示:为发生火灾时人员疏散仍需工作的场所提供照明。

照明负荷应由变电所专线供电,与动力设备分开,避免因照明负荷波动影响动力设备供电可靠性,同时避免动力设备启停对照明系统产生冲击,影响照明质量。备用照明负荷单独从变电所普通电源及应急电源引来两回路,互为备用,保证照明可靠性。消防应急照明和疏散指示系统按照GB 51309—2018《消防应急照明和疏散指示系统技术标准》设置。洁净室内正常照明和备用照明按照2∶1比例设计。

2.2 照明灯具选择

电子工业洁净厂房洁净区内照度要求较高,依据GB 50073—2013《洁净厂房设计规范》,洁净生产区内的白光区一般为500 lx,与工艺要求相关的黄光区一般为400 lx(400 lx为非标照度值,功率密度限值根据GB 50034—2013《建筑照明设计标准》第6.3.15条调整)。按照已知照度要求,通过DIALux软件进行灯具布置,并验算功率密度限值,其满足GB 50034—2013《建筑照明设计标准》的要求。

洁净区内灯具应造型简单、不易积尘、便于擦拭;灯具本体及安装时具有良好的气密性;进行防静电处理,防止静电吸附尘埃影响空气洁净度;能有效抑制眩光,降低视觉疲劳。因此,洁净室内一般采用两种灯具类型。

(1)背掀式洁净灯(嵌入式洁净灯)。背掀式洁净灯如图3所示,是洁净室内常用的灯具类型,嵌在上技术夹层的龙骨上,完全贴合龙骨,与吊顶形成一个平面,且灯体与后盖中间填充高密度密封,不积尘、易清洁、无眩光,后盖采用门开式,开合方便,维护简易。背掀式洁净灯可根据实际需求选择灯管形式。设计时注意排布位置,避开吊顶内其他设备(如风机过滤单元、排烟口等)。

图3 背掀式洁净灯

(2)泪滴灯。泪滴灯如图4所示,一般应用在洁净度等级在N1和N2级别区域。由于吊顶上方风机过滤机组FFU占据过多吊顶面积,尚无足够的面积用来布置背掀式洁净灯,造成照度无法满足工艺要求,故选用泪滴灯安装在龙骨下,避免与吊顶内设备位置冲突。该灯具截面如同泪滴,不积尘,造型小巧,内设快速连接线,便于安装及维护。

图4 泪滴灯

2.3 照明灯具布置及控制

电子工业洁净厂房洁净区域在满足照度要求前提下,考虑生产线及工艺设备布置,均匀布置灯具。采用背掀式洁净灯时应注意避让吊顶内设备,例如风机过滤单元FFU、排烟口等。实际现场背掀式洁净灯排布如图5所示。

图5 实际现场背掀式洁净灯排布

采用泪滴灯布置时应注意避开龙骨十字接头处安装的烟感、喷淋、广播等设备。当厂房洁净区域采用天车系统(自动传输系统)运输产品,吊顶上方会有部分区域不能安装泪滴灯,此类区域可使用背掀式洁净灯。实际现场泪滴灯排布如图6所示。

图6 实际现场泪滴灯排布

电子工业洁净厂房洁净区域面积较大,宜采取分区控制方式。每个区域分别设置正常照明配电箱和备用照明配电箱。洁净区域灯一般为常亮,并且24 h运行,可利用配电箱内的小型断路器控制各回路照明。配电箱一般设置在上技术夹层楼梯口,方便维护人员控制。若单独的面积较小的洁净实验室,则可考虑在房间门口处设置翘板开关来控制灯具。上技术夹层标高为4.5 m左右,维修马道一般在2 m左右,上夹层区域管道较多,马道上方及下方区域均需布置检修照明,可采用SELV电源(36 V)保障人身安全,同时利用配电箱内小型断路器控制各回路照明。