高科技廠房電力系統全黑測試

前言

電力系統的全黑測試為新建高科技廠房於施工完成正式生產開始前，以實際停電方式，驗證廠務供應系統在電力系統發生重大異常甚至停電時，供應是否維持正常，同時實際測試發電機系統電力備援能力。目的在驗證廠務系統可靠度與緊急電力供應符合設計規範。同時藉由此次的模擬加強運轉人員於異常狀況發生時之應變能力。測試過程也同時確認供電異常時，依然可維持工作環境及逃生動線的安全。

廠房電力系統簡介

廠區電力架構

新建廠區之電力是由園區內特高壓變電所以161kV環路，雙迴供電至廠內雙匯流排設計的特高壓變電站，再經由廠內四台主變壓器，將電壓降至22.8kV後，將電力輸送到廠區各高壓變電站，作為廠區主電力網。各變電站再依使用需求降壓至4.16kV或480V供應廠區的廠務設備或生產機台使用，如 圖一所示。

廠區用電在正常情況全部由台電系統供應，每一套中低壓變電站電源均來自不同主變壓器，可依需求調度。異常狀況發生，如台電供電中斷時，工廠重要設備所配置的不斷電電源系統(Uninterruptible power supply, UPS)會立刻將電池儲存電能送出。而發電機啟動後，可進行緊急供電。其中發電機機組為可應付長時間電力的中斷；而不斷電系統可克服短時間之電力異常，如短暫電力中斷、電力壓降(Sags)、尖波(Spikes)、電壓突波(Surges)、雜訊干擾(Noise)、高（低）電壓暫態(Transients)等，足以影響精密設備之電力暫態異常多可由此系統予以克服。

電力系統功能檢測

然而，廠區所有系統運作都仰賴電力的情況下，必須經過完整測試程序，確保電力系統可靠度，接下來說明全黑測試前的準備過程及項目，如 圖二。

緊急發電機組測試

廠區電力分為一般電力(Normal Power)及緊急電力(Emergence Power)，一般電即為我們所稱的市電，電源只來自台電，而緊急電則為有發電機組備援的電力。

發電機群組在十二廠七期廠區中分為兩群，分別供應給Ａ與Ｂ及Ｃ與Ｄ高壓變電站之22.8kV高壓匯流排。當台電發生不可預期的電力中斷時可提供電力給重要設備，例如消防設備或部分產線設備等。全黑測試前必須完成發電機測試，項目如下：

• 單機無載及滿載測試
• 並聯無載及滿載測試
• 定功率轉移測試(Parallel Loading Transfer Control, PLTC)
• 市電回併測試

廠內發電機群中，G1為消防發電機 圖四，在廠區電力中斷時透過自動切換器(ATS)將消防設備電源轉由緊急發電機供應，以確保廠內消防設備可正常運轉，並於常備電力恢復時，自動恢復回市電電源供應。廠區發電機可提供約1/4廠房用電且持續時間達8小時。

高、中及低壓列盤功能測試

變電站內之高壓至低壓列盤皆具備雙電源相互備源功能，系統架構如 圖五。其中，4.16kV及480V之列盤在動作邏輯上更設有自動備源的功能(Auto Backup Tie)，可縮短單邊電力異常所造成的電力中斷之時間。測試的項目及邏輯作動時間如 表一描述。

• 低電壓跳脫及自動復電測試(Under Voltage / Auto Reclose Test, UV/AR)
• 電力負載自動轉供測試(Auto-Tie)

電力監控系統測試

變電站的低壓列盤每一只斷路器皆可將迴路規劃為緊急電力或是一般電力，當台電電力供電中斷時，規劃為一般電力的迴路會在設定時間內跳脫，僅留下緊急電力的迴路斷路器維持在投入狀態，確保發電機供應緊急電力期間只有重要負載維持供電。當台電恢復正常時，再由電力監控系統對一般電力迴路下達復電指令，取代人員現場操作，加快下游負載復電的速度及減少人力的消耗。測試項目如下：

• Power SCADA圖控點對點測試
• Power SCADA復電群組設定
• 緊急電力與一般電力之設定（迴路數量受限於發電機組容量）

重要負載雙電源測試

廠務設備重要負載電源通常會備有1+1的設計架構，目的在避免單一設備故障時，對生產線造成影響。延續 圖五的供電架構，部分重要設備會由A及B雙電源供應如 圖六所示，A電力設備供電異常時，下游設備可由B電力設備維持運轉，測試項目包如下：

• 負載端雙電源啟閉測試
• 負載之電源分散查核

其中，因實務上的考量，電源分散的查核在施工階段就應執行，並與各系統確認設備電源之供應符合運轉的需求，避免二次施工。對於廠區電力系統及測試項目有了初步之了解後，接著進入全黑測試之流程說明。

行前準備

廠務儀電課於全黑系統測試前會先完成前文所提的系統獨立測試，特別是確保各主系統控制電源可靠，可以完整記錄測試過程，除此之外廠區維生設備也屬於全黑測試中重要的一環，例如廣播系統、逃生指示系統及廠區警勤系統等，亦都屬於本次測試中檢測項目之一。廠務各課會根據以往的運轉經驗訂定標準以符合工廠的需求如 表二。因測試期間影響的範圍相當廣泛，亦需要各單位間的參與與配合，如製造部、設備部門、資訊技術部、電腦暨通訊管理部、工安衛生及物流運籌系統部等部門，才得以完整進行本次的測試。

測試的流程

全黑測試可將其細分為6個階段，前四項為全廠區1/4(25%)迴路停電（模擬主變壓器異常供電中斷）；第五及第六項為模擬台電電力中斷與全廠區復電，即為各檢測項目的整合性測試，下列為測試項目及時程(如 表三所示)：

測試1：模擬A迴路電源停電，B迴路低壓電源自動轉供

測試2：模擬B迴路電源停電，A迴路低壓電源自動轉供

測試3：模擬C迴路電源停電，D迴路低壓電源自動轉供

測試4：模擬D迴路電源停電，C迴路低壓電源自動轉供

測試5：模擬台電無預警停電，發電機組供應緊急電力

測試6：台電電力復電及系統自動恢復電力供電

測試結果

在本次試驗的過程，前四個階段變電站屬於單主變壓器停電測試，觀察變電站系統自動進行電源切換轉供負載，設備電力中斷時間是否如預期規劃。最後兩階段的模擬測試中，測試發電機是否順利啟動，緊急電力於90秒內是否供應至全數緊急迴路，電力復電程序啟動後，發電機正常回併市電後停機。測試過程負載變化如 圖七紀錄。

由測試結果可以發現部分下游負載之電源規劃並非預期之中，從 圖七（測試1）中其可看出，A迴路供電中斷時，C、D迴路負載同時也隨之崩潰，分析原因為電源分散不完善所造成。其相關之缺失說明如下：

• 缺失 1

冰機油泵控制電源未隨冰機本體規劃，導致油泵電力中斷後冰機也隨之停機。

改善對策：冰機油泵控制電源應隨著冰機本體之主供電迴路配置，不得予以分離，避免有魂體分離的情況發生。

• 缺失 2

BSGS區氣瓶磅秤(Load Cell)及DCS電源僅市電供應，於電力中斷時，氣化課失去氣瓶磅秤之監控能力，無法監控氣瓶存於量的情況下恐會影響廠區生產。

改善對策：廠務監控系統之電源應由不斷電系統供應，且於規畫階段與使用單位確認符合運轉需求，避免重蹈覆轍。

• 缺失 3

氣體純化器(Purifier)電源可靠度不足。

改善對策：在不同電源及三台廠務設備的條件下，要達到負載端能夠1+1之設計，此案於其中一台設備加入自動轉供系統(ATS)的架構，於單邊電力中斷時依然可維持2台廠務設備正常運轉，不至於影響產線。

針對以上及其餘未提到的問題，爾後亦會納入新廠設計的查核項目之中。因此，藉由全黑的測試，不單確保廠區主電力系統之可靠度，更能夠從使用端的角度審視負載之需求，其目的就是提升工廠供電可靠度，降低廠務設備異常時對生產系統的影響。

結論

本次的試驗從試車階段就開始著手進行，特此感謝配合十二廠第七期全黑測試的所有同仁及工作夥伴的投入，才得以順利完成籌備了近3個月的成果。對於新建廠房，本次試驗是重要驗證過程，運作中的廠務系統通過測試後才可交由於運轉單位準備進行生產。而藉由本文的分享，說明全黑測試之目的及流程，並讓使用電力的各廠務單位了解全黑測試的意義。廠務儀電同仁也可藉由這次測試經驗，持續改進與強化供電系統，期許未來能夠維持最高可靠度的電力供應。