劉 佳, 李光光

(1.北京中瑞電子系統(tǒng)工程設(shè)計院有限公司 上海分院, 上海 201203;2.北京中瑞電子系統(tǒng)工程設(shè)計院有限公司 華東分院, 江蘇 無錫 214135)

0 引 言

近年來,國內(nèi)大力發(fā)展顯示屏及集成電路等電子產(chǎn)業(yè),很多大型電子工業(yè)潔凈廠房建設(shè)快速推進,一般包括主生產(chǎn)廠房(FAB棟)、中央動力中心(CUB棟)、變電站、大宗氣站、倉庫、廢水處理站等建筑。隨著電子產(chǎn)品新工藝、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn),工藝制程及工藝越來越復(fù)雜,對潔凈室環(huán)境的要求越來越高。主生產(chǎn)廠房對潔凈度有嚴格要求,通過空調(diào)系統(tǒng)對空氣中懸浮粒子進行控制,達到工藝設(shè)備需求的潔凈等級[1-4]。為保證潔凈環(huán)境及廠房生產(chǎn)的持續(xù)穩(wěn)定安全運作,需要做好整個廠區(qū)的電氣設(shè)計。

1 供配電設(shè)計

電子工業(yè)潔凈廠房的供電可靠性要求很高,不同的工藝設(shè)備電壓等級不同(很多設(shè)備為進口設(shè)備,電壓等級為AC 120/208 V),規(guī)劃供電系統(tǒng)時需綜合考慮可靠性及不同電壓等級的影響[5]。

1.1 負荷等級及電源類型

電子工業(yè)潔凈廠房的用電設(shè)備負荷等級和供電要求根據(jù)生產(chǎn)工藝及GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》確定,一般可分為三種負荷等級。

(1)一級負荷中特別重要的負荷。電源類型為不間斷電源(UPS)(U電),包括部分工藝設(shè)備控制系統(tǒng)及重要工藝設(shè)備,部分工藝冷卻水系統(tǒng)(PCW)、潔凈空調(diào)系統(tǒng)(MAU)及工藝排氣系統(tǒng),通信系統(tǒng)(IT),廠務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)(FMCS),生命安全系統(tǒng)(火災(zāi)報警系統(tǒng)、空氣采用早期報警系統(tǒng)、公共兼應(yīng)急廣播系統(tǒng)、特種氣體泄漏報警系統(tǒng)、液體化學(xué)品泄漏報警系統(tǒng)、安防系統(tǒng)),應(yīng)急照明及疏散照明。

(2)一級負荷。電源類型為應(yīng)急電源即柴油發(fā)電機電源(E電),包括潔凈維持系統(tǒng)設(shè)備及重要工藝設(shè)備、維持生命系統(tǒng)。

(3)二級負荷。電源類型為一般電源即市電(N電),包括一般工藝設(shè)備和一般動力設(shè)備及照明。

根據(jù)用電設(shè)備負荷等級、所需電源要求及項目現(xiàn)場市政電源實際情況,大型電子工業(yè)潔凈廠房的供電電源采用雙路110 kV或220 kV高壓線路供電,并在廠區(qū)附近設(shè)置高壓變電站。根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)能及規(guī)模大小,在總用電量不超過40 MVA,可考慮采用35 kV高壓線路供電;小型電子工業(yè)潔凈廠房供電電源可采用雙路10 kV或20 kV供電。對于高壓線路考慮接近50%冗余,因為冗余過多,會增加一次投資,冗余過少,對開關(guān)保護及運維管理要求很高,不利于后期局部擴展。

1.2 供配電系統(tǒng)接線方式

根據(jù)用電設(shè)備允許中斷供電切換時間的要求,配備相應(yīng)容量的柴油發(fā)電機組作為應(yīng)急電源,配備UPS為特別重要負荷提供應(yīng)急電源。大型電子工業(yè)潔凈廠房典型供電系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示,全廠區(qū)供電系統(tǒng)在不同電壓等級母線段均設(shè)母聯(lián),采用單母線分段的運行方式,在任何一臺變壓器故障及宕機事故時,由另一臺變壓器通過母聯(lián)保持對故障段設(shè)備的供電,變壓器負荷率保持在50%以下,保證用電可靠性。

圖1 大型電子工業(yè)潔凈廠房典型供電系統(tǒng)架構(gòu)

電子工業(yè)潔凈廠房內(nèi)的廠務(wù)用電設(shè)備(MAU、PCW、PV、HV、工藝排氣等)、照明、插座等一般采用AC 220/380 V,工藝用電設(shè)備大部分為進口設(shè)備,采用AC 120/208 V。低壓配電系統(tǒng)采用TN-C-S或TN-S系統(tǒng),當PE線與N線在低壓進線總開關(guān)柜內(nèi)分開后,應(yīng)全線絕緣,嚴禁再次合并。

電子工業(yè)潔凈廠房內(nèi)配電方式一般采用以下兩種方式:① 放射式配電方式,即從變電所低壓柜引電纜到用電區(qū)域總配電柜,再分配到各分配電柜,最后由分配電柜分配到各用電設(shè)備;② 從變電所引母線到用電區(qū)域,即通過母線插接箱給用電設(shè)備供電。

1.3 配電方式

電子工業(yè)潔凈廠房的生產(chǎn)廠房有潔凈核心區(qū)和支持生產(chǎn)區(qū)。潔凈核心區(qū)一般分為上技術(shù)夾層、潔凈室和下技術(shù)夾層。上技術(shù)夾層主要安裝風機過濾機組(FFU)滿足潔凈等級要求,潔凈室和下技術(shù)夾層通過華夫板或井字梁結(jié)構(gòu)連通。根據(jù)工藝流程,潔凈核心區(qū)會分不同的工藝區(qū)域,通過對每個區(qū)域的工藝設(shè)備電量需求分析,當區(qū)域各設(shè)備電量較小且布置分散,可采用總柜配電方式,即從配電所引電纜到現(xiàn)場的總配電柜;當區(qū)域內(nèi)設(shè)備電量較大且集中,可采用母線配電方式。

電子工業(yè)潔凈廠房工藝設(shè)備更新較快,最初設(shè)計的工藝設(shè)備和最終投入使用的工藝設(shè)備會有所差別,同時也會涉及到工藝設(shè)備的增加。如果使用傳統(tǒng)的配電柜預(yù)留回路,會造成后期配電柜返廠整改,造成工期無法滿足廠房生產(chǎn)需求。因此,電子工業(yè)潔凈廠房內(nèi)普遍使用采用插入式動力配電柜(I-line盤),在更換和增減斷路器時無需斷電,可熱插拔操作。當配電較集中時,可采用母線配電,根據(jù)不同的電壓等級用電容量選擇合適的母線。

支持生產(chǎn)區(qū)主要有空調(diào)系統(tǒng)、工藝冷卻水系統(tǒng)、工藝真空系統(tǒng)、工藝排氣系統(tǒng)、純廢水系統(tǒng)等站房。不同的系統(tǒng)配電獨立、方便管理,分別計量,同時根據(jù)系統(tǒng)的重要性提供不同類型的電源。照明系統(tǒng)、動力系統(tǒng)(普通風機)均由變電所專用回路供電。各系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)防火分區(qū)進行規(guī)劃。

為保證潔凈核心區(qū)內(nèi)潔凈等級,核心設(shè)備風機過濾機組FFU負責空氣過濾,部分工藝區(qū)域為滿足工藝需求,會安裝化學(xué)過濾器過濾懸浮分子污染物,以保證電子產(chǎn)品的優(yōu)良率?，F(xiàn)階段各項目FFU配電從FFU專用配電箱引出電纜,利用接線盒和扁平電纜連接,通過穿刺盒接到每個FFU,且三相分配平衡。FFU配電接線詳圖如圖2所示。FFU控制系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)電源采用UPS。

圖2 FFU配電接線詳圖

2 照明設(shè)計

電子工業(yè)潔凈廠房均為封閉式建筑,建筑外墻只有極少數(shù)的窗戶可以自然采光,故內(nèi)部采用人工照明方式。為了給潔凈空間工作的操作員工提供舒適的視覺環(huán)境以及工藝生產(chǎn)所需的照度要求,在進行照明設(shè)計時考慮柔和的光源及合理的空間照度。

2.1 照明種類及供電方式

按照GB 50073—2013《潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》,電子工業(yè)潔凈廠房內(nèi)照明可分為以下幾類。

(1)正常照明:室內(nèi)及相關(guān)輔助場所正常工作狀態(tài)下需要的照明。

(2)備用照明:室內(nèi)及相關(guān)輔助場所需確保正常工作或活動繼續(xù)進行的場所設(shè)置照明。

(3)消防應(yīng)急照明和疏散指示:為發(fā)生火災(zāi)時人員疏散仍需工作的場所提供照明。

照明負荷應(yīng)由變電所專線供電,與動力設(shè)備分開,避免因照明負荷波動影響動力設(shè)備供電可靠性,同時避免動力設(shè)備啟停對照明系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊,影響照明質(zhì)量。備用照明負荷單獨從變電所普通電源及應(yīng)急電源引來兩回路,互為備用,保證照明可靠性。消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)按照GB 51309—2018《消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)技術(shù)標準》設(shè)置。潔凈室內(nèi)正常照明和備用照明按照2∶1比例設(shè)計。

2.2 照明燈具選擇

電子工業(yè)潔凈廠房潔凈區(qū)內(nèi)照度要求較高,依據(jù)GB 50073—2013《潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》,潔凈生產(chǎn)區(qū)內(nèi)的白光區(qū)一般為500 lx,與工藝要求相關(guān)的黃光區(qū)一般為400 lx(400 lx為非標照度值,功率密度限值根據(jù)GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計標準》第6.3.15條調(diào)整)。按照已知照度要求,通過DIALux軟件進行燈具布置,并驗算功率密度限值,其滿足GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計標準》的要求。

潔凈區(qū)內(nèi)燈具應(yīng)造型簡單、不易積塵、便于擦拭;燈具本體及安裝時具有良好的氣密性;進行防靜電處理,防止靜電吸附塵埃影響空氣潔凈度;能有效抑制眩光,降低視覺疲勞。因此,潔凈室內(nèi)一般采用兩種燈具類型。

(1)背掀式潔凈燈(嵌入式潔凈燈)。背掀式潔凈燈如圖3所示,是潔凈室內(nèi)常用的燈具類型,嵌在上技術(shù)夾層的龍骨上,完全貼合龍骨,與吊頂形成一個平面,且燈體與后蓋中間填充高密度密封,不積塵、易清潔、無眩光,后蓋采用門開式,開合方便,維護簡易。背掀式潔凈燈可根據(jù)實際需求選擇燈管形式。設(shè)計時注意排布位置,避開吊頂內(nèi)其他設(shè)備(如風機過濾單元、排煙口等)。

圖3 背掀式潔凈燈

(2)淚滴燈。淚滴燈如圖4所示,一般應(yīng)用在潔凈度等級在N1和N2級別區(qū)域。由于吊頂上方風機過濾機組FFU占據(jù)過多吊頂面積,尚無足夠的面積用來布置背掀式潔凈燈,造成照度無法滿足工藝要求,故選用淚滴燈安裝在龍骨下,避免與吊頂內(nèi)設(shè)備位置沖突。該燈具截面如同淚滴,不積塵,造型小巧,內(nèi)設(shè)快速連接線,便于安裝及維護。

圖4 淚滴燈

2.3 照明燈具布置及控制

電子工業(yè)潔凈廠房潔凈區(qū)域在滿足照度要求前提下,考慮生產(chǎn)線及工藝設(shè)備布置,均勻布置燈具。采用背掀式潔凈燈時應(yīng)注意避讓吊頂內(nèi)設(shè)備,例如風機過濾單元FFU、排煙口等。實際現(xiàn)場背掀式潔凈燈排布如圖5所示。

圖5 實際現(xiàn)場背掀式潔凈燈排布

采用淚滴燈布置時應(yīng)注意避開龍骨十字接頭處安裝的煙感、噴淋、廣播等設(shè)備。當廠房潔凈區(qū)域采用天車系統(tǒng)(自動傳輸系統(tǒng))運輸產(chǎn)品,吊頂上方會有部分區(qū)域不能安裝淚滴燈,此類區(qū)域可使用背掀式潔凈燈。實際現(xiàn)場淚滴燈排布如圖6所示。

圖6 實際現(xiàn)場淚滴燈排布

電子工業(yè)潔凈廠房潔凈區(qū)域面積較大,宜采取分區(qū)控制方式。每個區(qū)域分別設(shè)置正常照明配電箱和備用照明配電箱。潔凈區(qū)域燈一般為常亮,并且24 h運行,可利用配電箱內(nèi)的小型斷路器控制各回路照明。配電箱一般設(shè)置在上技術(shù)夾層樓梯口,方便維護人員控制。若單獨的面積較小的潔凈實驗室,則可考慮在房間門口處設(shè)置翹板開關(guān)來控制燈具。上技術(shù)夾層標高為4.5 m左右,維修馬道一般在2 m左右,上夾層區(qū)域管道較多,馬道上方及下方區(qū)域均需布置檢修照明,可采用SELV電源(36 V)保障人身安全,同時利用配電箱內(nèi)小型斷路器控制各回路照明。

3 空間管理設(shè)計

電子工業(yè)潔凈廠房內(nèi)有大量的電纜橋架和母線,設(shè)計時需與其他專業(yè)協(xié)同完成空間管線排布。電子工業(yè)潔凈廠房母線普遍運用于工藝設(shè)備配電,布置在下技術(shù)夾層。下技術(shù)夾層管道繁多,有工藝排氣、工藝真空、清掃真空、工藝冷卻水、特氣等管道,同時還存在強、弱電橋架、母線等,在設(shè)計時需考慮母線插接箱開啟的空間及檢修空間。

4 結(jié) 語

現(xiàn)代電子工業(yè)潔凈廠房因其極高的產(chǎn)品性能期望,具有極高的工藝制程需求,故而生產(chǎn)工藝復(fù)雜,因此為了保證制程低干擾要求,需要極高的潔凈度作為整體環(huán)境的保障措施。本文介紹了電子工業(yè)潔凈廠房電氣設(shè)計過程中遇到的問題與相應(yīng)設(shè)計思路,可為類似項目設(shè)計提供參考。