防爆電氣規劃設計指引與未來挑戰

前言

星星之火足以燎原，照明燈具、電動機、電氣開關箱等多屬事業單位常用電氣設備，使用電氣設備時都會產生若干電氣火花，縱然火花微弱亦有可能直接引爆可燃性氣體而肇災。半導體產業自發展以來，曾經發生過數次火災爆炸災害，其對於企業工廠營運、財務損失及未來發展競爭力所造成之影響甚為關鍵。國外早期礦工作業因作業場所長時間蓄積粉塵或可燃性蒸氣並且使用無特殊製造之電氣設備，故相關爆炸傷亡事故頻頻發生。也因為如此，透過歷史經驗累積與研究，防爆電氣設備等概念慢慢推廣至今，相關理論與實務設備製造、施工已相當成熟。

職業安全衛生法中規定作業場所有易燃液體之蒸氣、可燃性氣體或爆燃性粉塵以外之可燃性粉塵滯留而有爆炸、火災之虞者，使用之電氣機械、器具或設備，應具有適合於其設置場所危險區域劃分使用之防爆性能構造。然而國家標準對於危險區域劃分條件並未提供明確量化數據造成實務上不同見解，更有部份電氣設備受限國內法規規定應採防爆型，但全世界卻無供應商能夠提供合格產品之窘境。另外對於非密閉空間區域防爆電氣區劃範圍認定上，過去常以經驗或是參考國內外規範範例做為設計依據，是否可以量化方式計算區劃範圍亦為本文欲討論議題。

文獻回顧與法規規範

1800 年英國工業革命後，由於煤炭大量使用並且因安全裝置不足，煤礦礦坑爆炸 圖一事件頻傳，於是相關防爆電氣設備如防爆燈具始有發明製造，1850年後世界各國陸續提出防爆電氣標準，直到1920年已有礦坑電氣防爆標準。1945年起，美國、德國及英國等國工廠遂於危險作業區域使用防爆型電氣設備，也開始制定相關防爆電氣標準如美國電工法規(National Electric Code, NEC)與國際電工技術委員會標準(International Electrotechnical Commission, IEC)，也逐漸廣為世界各國參考引用 。

國內對於電氣設備之防爆規定法源源自於職業安全衛生設施規則第一百七十七條與一百七十七之二條規定：

「雇主對於作業場所有易燃液體之蒸氣、可燃性氣體或爆燃性粉塵以外之可燃性粉塵滯留，而有爆炸、火災之虞者，應依危險特性採取通風、換氣、除塵等措施外，並依下列規定辦理：

• 指定專人對於前述蒸氣、氣體之濃度，於作業前測定之。
• 蒸氣或氣體之濃度達爆炸下限值之百分之三十以上時，應即刻使勞工退避至安全場所，並停止使用煙火及其他為點火源之虞之機具，並應加強通風。
• 使用之電氣機械、器具或設備，應具有適合於其設置場所危險區域劃分使用之防爆性能構造。

前項第三款所稱電氣機械、器具或設備，係指包括電動機、變壓器、連接裝置、開關、分電盤、配電盤等電流流通之機械、器具或設備及非屬配線或移動電線之其他類似設備。」

另外，屋內線路裝置規則第二百九十五條亦說明：「本規則適用於空氣中因含有爆發性氣體或蒸氣而其濃度足以引起火災或爆炸之危險場所。其電機設備及配線之施設應依本節之規定辦理。」

何謂易燃性液體與可燃性氣體？國內外各相關規範對於易燃性液體與可燃性氣體定義並非完全相同，可參考 表一易燃液體與可燃性氣體定義。因目前電氣設備防爆要求母法源自職業安全衛生法，故從事防爆電氣區劃作業時，應採用職業安全衛生設施規則定義。

確認作業場所是否使用法規定義之易燃性液體與可燃性氣體後，接下來便是進行防爆區域劃分作業。依據機械設備器具安全標準第一百一十條規定：「用於氣體類之防爆電氣設備，其性能、構造、試驗、標示及危險區域劃分等，應符合國家標準CNS 3376系列、國際標準IEC 60079系列或與其同等之標準規定。」

國家標準CNS 3376-10爆炸性氣體環境用電機設備第10部：危險區域劃分 圖二，其引用國際電工技術委員會標準IEC 60079-10內容，以下摘錄部份重要規範說明：

危險區域(Hazardous area)

0區(Zone 0)：

爆炸性氣體環境連續性或長期存在之場所。

1區(Zone 1)：

爆炸性氣體環境在正常操作下可能存在之場所。

2區(Zone 2)：

爆炸性氣體環境在正常操作下不太可能發生，如果發生只偶爾且只存在短期間之場所。

洩漏等級

任何一個洩漏源將產生其中一個或一個以上之洩漏等級組合。

連續洩漏等級(Continuous grade of release)：

連續或預期發生長時間之洩漏。

主要洩漏等級(Primary grade of release)：

週期性或偶爾於正常操作之洩漏。

次要洩漏等級(Secondary grade of release)：

正常操作時不預期發生，如果發生亦不時常，且只發生短時間之洩漏。

通風等級

通風在控制爆炸性氣體的擴散和滯留有效性取決於通風等級和通風設備之有效性還有系統的設計。例如：通風可能不足以防止爆炸性氣體的產生，但卻可以避免爆炸性氣體的滯留。通風之程度依其良窳分成三個等級：

高度通風(VH)：

可使由洩漏源釋出的爆炸性氣體濃度馬上減少並可保持在爆炸下限以下。此狀況可造成較小（甚至可忽略）的危險區域。

中度通風(VM)：

此等級可控制氣體的集中情況。使其在邊界區域形成濃度低於LEL (lower explosive limit)的穩定情況，並且當洩漏停止後的過渡期間，爆炸性氣體也不會殘留。

低度通風(VL)：

當洩漏時，並不能對釋出氣體濃度加以控制。或當洩漏停止後，不能防止可燃性氣體的滯留。

通風有效性

良好：

自然通風下，最小風速0.5m/s會持續出現，通風設備實際上可穩定連續的運轉（具備份設計）。

中等：

通風設備在正常操作情況下運轉。但允許短暫時段不連續運轉（具連鎖功能）。

差：

通風不如良好與中等的情況，但是不能長時段發生不連續運轉。

自然通風

對於室外之通風評估，通常假設最小風速為0.5m/s之狀況會持續出現。如此，通風有效性可認“好”。

當作業場所易燃液體或可燃氣體之洩漏等級屬次要洩漏、通風程度可達高度通風且具備中等以上之通風程度，依 表二規範該場所得免列為危險區域，唯目前國內規範並未針對通風程度提供明確量化數據定義參考。

除上述國內防爆電氣規範外，國際防爆電氣規範對於危險區域、可燃性氣體族群分類與設備表面溫度等級標準比較如 表三、表四、表五所示。

規劃設計流程剖析

300mm廠房隨製程技術演進，新製程使用之化學物質需求日益俱增，其中部份物質同時具備禁水性或發火性特性，其危害性及火災爆炸風險存在不小挑戰。防爆電氣應自規劃設計起進行完整評估考量，才得以使後續設備選用及施工驗收作業形成一完整P、D、C、A管理模式。前段文章說明國內外相關防爆電氣規範內容，雖相關規範已相當完整，但在實務上仍有值得深入探討議題與國內法規窒礙難行之限制挑戰。本篇文章將藉由國內外相關法規規範探討三項議題。

防爆電氣區域規劃設計

作業場所劃分為危險區域之影響條件有兩重要指標：物質閃火點及爆炸界限。當可燃性液體或昇華性可燃固體受熱時，表面揮發蒸氣與空氣混合後，若有一微小火源接近時將引燃表面蒸氣而形成閃逝火花，此現象形成最低溫度稱為閃火點。閃火點常於法規中用來判別是否屬於易燃性或物質之條件，當然也就是防爆區域規劃設計上第一步需瞭解資訊；爆炸界限即當可燃性蒸氣在空氣中（含氧）其濃度在該物質特有範圍內並提供適當能量始形成燃燒現象，物質爆炸界限範圍越大（爆炸上限─爆炸下限）危險程度越高，故場所內若通風換氣條件良好，將可避免可燃性蒸氣蓄積進而發生火災爆炸風險。

國家標準內容同樣提到在易燃液體或可燃性氣體洩漏為不常發生情況下，只要提供適當通風換氣條件下即可認定免檢討為危險區域。可惜國內規範並未進一步具體說明通風換氣量規定，實務上面臨實質認定不一致及官方或第三方單位稽核檢查時於法無據的窘境。國外規範針對危險物質濃度與爆炸界限間之安全規範已有相當多參考資訊，相關規範內容截錄如下。

NFPA 318–2015

3.3.14 Flammable Vapors or Fumes

The concentration of flammable constituents in air that exceed 25 percent of their flammability limit (定義超過爆炸界限值之百分之二十五為易燃蒸氣）

7.14.2.2 Ventilation in the enclosure or gas cabinets shall be sufficient to maintain vapors below 25 percent of LFL and below IDLH.

9.4.1 Tools Using Flammable or Combustible Chemicals.

All tools using flammable or combustible chemicals shall be provided with an exhaust device to reduce the concentration of flammable gases and vapors to less than 25 percent of the LFL.

11.2.1 Exhaust Ducts.

Interior automatic sprinklers shall be provided in exhaust ducts conveying vapors, fumes, or mists generated by hazardous chemicals as follows:

(1) Interior automatic sprinklers shall be provided in metallic and noncombustible, nonmetallic exhaust ducts when both of the following conditions are present:

(b) Ducts are conveying flammable vapors or fumes at concentrations greater than 25 percent of the lower flammable limit (LFL).

NFPA 496–2012

8.3.1 Where a release of flammable gas or vapor within an enclosure can occur either in normal operation or under abnormal conditions, protection shall be provided by one of the following:

(1) Diluting with air to maintain the concentration of flammable gas, vapor, or mixture to less than 25 percent of its lower flammable limit, based on the lowest value of the lower flammable limit of any individual flammable gas or vapor entering the enclosure.

NFPA 497–2012

3.3.1 Adequate Ventilation

A ventilation rate that affords six air change per hour, 1 cfm/ft², or other similar criterion that prevents the accumulation of significant quantities of vapor-air concentrations from exceeding 25 percent of the lower flammable limit (LFL).

FM Datasheet 5-1

Adequate mechanical ventilation may be provided to reduce the extent of a hazardous location or to reduce the classification level. Adequate ventilation requires a ventilation rate of 1 ft3/min/ft² (0.3 m³/min/m²) of room or process area to ensure that flammable vapor concentrations do not exceed 25 percent of the lower explosive limit.

由上述國外規範可知，可燃性蒸氣濃度透過通風換氣方式稀釋至爆炸下限值之百分之二十五以下時，應可視為一安全條件甚至得免檢討為危險區域。而國內法規除職業安全衛生設施規則外，勞動檢查法第二十八條所定勞工有立即發生危險之虞認定標準第六條亦有相同概念。

「有立即發生火災、爆炸危險之虞之情事如下：

二、對於存有易燃液體之蒸氣或有可燃性氣體滯留，而有火災、爆炸之作業場所，未於作業前測定前述蒸氣、氣體之濃度；或其濃度爆炸下限值之百分之三十以上時，未即刻使勞工退避至安全場所，並停止使用煙火及其他點火源之機具。」

非密閉空間防爆區劃方式

部份中央氣體供應區域如SiH₄ BSGS 圖三及氫氣槽車區區域 圖四，其環境結構並非密閉空間，當易燃液體或可燃性氣體發生洩漏時，將隨氣流流通至各開放空間，防爆電氣區域須延伸區劃範圍較為適當。實務考量未來系統擴充調整之管理面便利性，常見直接引用國外規範範例進行區劃，而在IEC 60079-10規範中已提供量化計算方式可進行自洩漏源計算假想洩漏體積，以做為區劃範圍依據，相關計算理論與流程說明如下：

輸入該區域儲存或使用物質參數

收集防爆電氣區域內各項物質之物、化性參數，以利後續計算公式使用。標準密度(ρ)、分子量(M)、最小爆炸下限(LELv)與質量最小爆炸下限(LELm)，其中質量最小爆炸下限=最小爆炸下限×0.416×10^-3×分子量。

洩漏率計算

管路洩漏時開口面積計算依據相關文獻對於製程管路發生意外洩漏時以斷管判定（包含液體與氣體）：

• 若管徑小於兩英吋者以最大管徑計算
• 二至四英吋管徑者以兩英吋計算
• 四英吋管徑以上者以該管徑之百分之二十之截面積計算

物質洩漏率計算時又分為液體與氣體兩種公式，氣體洩漏率計算時因考量氣體洩漏可能產生之阻流效應 ^[註1]而有不同計算方式。相關計算說明如下。

液體洩漏率

r = 標準密度(kg/m³)

S = 洩漏開口面積(m², Cross-section of opening)

Δp = 洩漏開口壓力差(Pa, Pressure difference across the opening)

氣體洩漏率

臨界壓力：

氣體混合物絕熱膨脹係數：

C_p =等壓比熱(Specific heat at constant pressure)

R = 理想氣體常數(Universal gas constant)

P₀ = 洩漏源外壓力(Pressure outside the container)

P_c = 洩漏源內壓力(Pressure inside the container)

S = 洩漏源開口面積(Cross-section of opening)

T = 洩漏源內絕對溫度(Absolute temperature inside the container)

T_a = 洩漏源外絕對溫度(Ambient temperature)

g = 氣體混合物絕熱膨脹係數(Polytrophic index of adiabatic expansion)

P_c = 臨界壓力(Critical pressure)

氣體洩漏率(有阻流效應)：

洩漏速率(有阻流效應)：

氣體洩漏率(無阻流效應)：

洩漏速率(無阻流效應)：

洩漏後膨脹氣體密度( r₀ )：

計算可燃性蒸氣滯留時間（滯留於場所空間越久，風險越高）

計算假想擴散體積

假想擴散體積為當易燃液體或可燃性氣體之因洩漏產生之蒸氣逸散於場所區域內，該蒸氣遂因物質洩漏率與該空間之通風換氣條件而影響電氣設備火災爆炸發生機率，換言之，易燃與可燃性蒸氣所逸散範圍即為電氣設備防爆設置之區劃範圍。

最小新鮮空氣流量：

擴散體積(Vz)：

換氣次數(C)：

安全係數 k 採次要洩漏( k = 0.25主要及持續洩漏；k = 0.5次要洩漏 )

通風有效性採 f = 3 ( f =1理想情況； f = 5有氣流障礙 )

上述規範公式套用新建廠專案進行試算，試算結果與後續應用探討說明將於下章節說明。

挑戰與機會

電氣防爆安全應為自規劃設計、設備選用、現場施工至施工驗收完成一環環相扣流程，即便規劃設計完善健全，如 圖五至 圖八等相關設備選用錯誤或是現場施工未依規範執行，都影響了電氣防爆功能有效性。

然而，防爆電氣實務上仍舊面臨一項嚴重問題，在國內法規制度未修正或提供合適配套措施前，產業將持續面臨適法性挑戰。

電氣設備防爆認證

依勞動部規定，僅要求開關箱、電動機與燈具三大項電氣設備需通過國內防爆電氣型式檢定，而其他電氣設備於內部規定要求應提供國內外防爆認證。300mm廠務設施提供氣體化學品之部份設備如H₂ Purifier、GIP (Gas Isolation Box)、Local Scrubber雖位於防爆區域內，但皆未具備國內外防爆電氣認證，無奈全世界目前仍然未有設備商能提供「合格」產品，於是造成了依國內法規規定設備應具備防爆功能認證，但業者即便願意投資成本卻也無產品採購情況。就國外規範如NFPA 496，其對於電氣防爆規定有別於國內法規，提供採以正壓方式達到相同之防爆電氣安全目的，但是否足以被官方單位或稽核人員接受認同尚無定論。2015年１月１日機械設備器具安全資訊申報登錄辦法第三、四條新修正規定防爆電氣設備須再取得「安全標示」，更加重產業界面對電氣防爆適法性的挑戰。

危險區域免設條件

防爆電氣規劃設計階段另一常見問題即為危險區域免設條件，國外規範對於危險區域免設條件與上述國家標準CNS精神相同，皆以通風換氣做判斷，且其提供明確之通風換氣量化數據，如此以來在規劃設計上不易因設計者主觀判斷而異。

NFPA 318

6.5.1

The fabrication area or cleanroom shall be considered unclassified electrically with respect to Article 500 of NFPA 70, National Electrical Code, where all of the following requirements are met:

(3) The average air change is not less than 4 ft3/min-ft² of floor area, and the number of air changes at any location is not less than 3 ft³/min-ft² of floor area. The use of recirculated air shall be allowed.

NPA 497

5.4.1

(1) Locations that have adequate ventilation, where combustible materials are contained within suitable, well-maintained, closed piping systems

足夠通風條件如其規範內容定義，通風換氣量達1cfm/ft²即屬之。

FM Datasheet 5-1

C.2.3 Nonclassified Locations

a) Locations that are adequately ventilated, where combustible materials are contained within suitable, well maintained, closed piping systems.

與NFPA 497規範內容（含通風換氣量條件）一致。

結果與分析

非密閉空間防爆區劃範圍

以新建廠專案為範例計算得到各區域防爆電氣規劃之範圍如 表六。依計算結果可發現各區域防爆規劃範圍差異大，且部份區域規劃範圍甚至遠比相關規範建議之範圍大上許多。影響此計算結果原因與輸入之計算參數有關，主要可分為三點。

• 物質洩漏面積大小：實務上一般發生洩漏多為閥件接頭或密封材料年久損壞造成微量滴漏，唯此次多以斷管情況進行計算。
• 管內壓力：此次計算採用該區域設備管路內之最大壓力，而如發生洩漏之管路壓力可能較低。
• 通風換氣：依據標準將通風換氣簡易分為三個等級(f=1、3、5)，計算過程僅採用中度通風換氣條件，實際通風換氣可能更佳。

依據 表六計算結果規劃防爆電氣範圍，以H₂ trailer room為例，區域外一定範圍內CCTV或是照明燈具仍應規劃採購防爆型之電氣設備。

量化計算結果相關參數以最嚴重狀況考量，計算範圍對於部份非密閉空間恐有逾越設計之虞、對於密閉空間之運轉管理上也不甚便利，故考量實務運轉管理面而言可能並非最佳方案，故新建廠區劃範圍仍建議參考 圖九等相關國家標準或國外規範範例。

防爆電氣區域規劃設計流程圖

依據所整理國內外防爆電氣規範與區劃範圍試算結果，防爆電氣區劃規劃設計流程歸納如 圖十所示。

• 判定是否屬於易燃液體或可燃性氣體
• 是否屬於O.I列管定義
• 非中央供應或庫房儲區可視環境通風換氣量或用量檢討免設
• 非密閉空間參考國內外規範範例區劃範圍
• 防爆區域內無法提供防爆認證之設備應申請SMOC (Safety Ma-nagement of Change)討論

挑戰與機會

300mm廠務設施面臨之防爆電氣認證狀況如 表七所示，其中VDP與LSC皆已與供應商合作期望今年完成檢定，僅H₂ Purifier（氫氣純化器）一項待解決。

H₂ Purifier設備可分為管路區(Pi-ping bay)與電氣區(Electrical bay)如 圖十一、十二所示，其安全設計說明如下，而此設計方式是否得為無法取得型式檢定合格情況下之替代解決方案仍待內部相關單位進行安全變更會議討論。

• 壓力容器具備ASME、U-Stamp認證
• Piping bay（管路區負壓）具備抽氣負壓設計，並在抽氣洞口旁設有風壓感測器，當風壓不足或無風壓時會發出低風量警告(Warning)
• Getter Column以氮氣密封（電氣區正壓）設計將化學吸附桶(Getter Column)密封
• 抽氣旁設置防爆型氫氣洩漏偵測器(H₂ Leak Detector)，當偵測器偵測到氫氣洩漏，即會發出警報並執行Ar循環吹氣。關閉純化器內入、出口端閥門並將吸附器(Adsorber)和Getter column內氫氣排出再充入Argon至40 psig後，洩壓後充壓，共執行三次循環並最終保持Argon充滿整台Purifier內Adsorber、Getter Column和管線。

結論

防爆電氣規劃設計參考國內外規範、內部規範與保險公司要求擬定標準規劃設計流程，未來新建廠專案可依此流程執行避免不必要爭議。

防爆電氣區劃範圍量化計算結果可提供管理者瞭解在最嚴重情況下易燃性液體或可燃性氣體之蒸氣異常洩漏時可能逸散蓄積範圍，然而考量工廠運轉管理或與保險稽核單位引用規範產生衝突，建議僅供參考。

國內法規未修正或提供合適配套措施前，部份未取得國內型式檢定或國外認證之電氣設備應更積極要求供應商進行相關作業，其他如製程機台防爆電氣與安全標示執行作業爭議、H₂純化器議題更期許主管機關積極正面面對法規窒礙難行問題並提出協助方案。

防爆配線系統可分為 圖十三管路系統(Conduit system)與 圖十四電纜系統(Cable system)兩大類。管路系統利用厚硬質鋼管將可能成為引火源之電源導線包覆於鋼管內部，電源導線位於接線盒、防爆箱、耐壓防爆設備出入口端等以螺牙結合且於適當位置安裝插入密封接頭(Sealing fitting)防護，以達到阻絕功能；電纜系統安裝重點為於電纜導線位於接線盒、防爆箱、耐壓防爆設備出入口端等處配置耐壓防爆接頭(Gland)做阻絕爆炸性氣體或蒸氣侵入功能。目前300mm新建廠採用管路系統(Conduit system)為主，未來是否可採用鎧裝電纜(Cable system)應是值得討論議題。