新世代廠房之氣體絕緣開關設備設計架構

前言

氣體絕緣開關(Gas Insulated Switchgear，簡稱GIS)設備是連結台電輸入供電及廠內輸出供電的重要電力設備，目前台積十二吋廠廠區GIS供電架構大部分選擇雙匯流排供電(Double busbar)，而其特性主要有較佳的供電可靠度、匯流排供電轉換容易、佔地面積較少(如 表1)，但是，2017/1/25在台電配電所發生的雙匯流排供電中斷，也讓我們對GIS雙匯流排供電架構產生了疑慮，因為相同的事故如果發生在公司十二吋廠任一廠區，均會造成全廠停電，而且停電時間須視備品更換狀況來決定時間的長短(此次台電事故造成停電3.7小時)，因此如何提升GIS供電可靠度並在新廠能夠直接設計導入為當務之急。

台電變電所供電中斷事故

台電配電所GIS設備 #2 匯流排(Busbar，簡稱Bus)疑似R相連接導體間之固定螺絲鬆弛，長期尖端放電致絕緣劣化，造成#2匯流排隔離開關(Disconnecting Switch，簡稱DS)氣室伸縮囊裂開(如圖1)，SF6(六氟化硫)洩漏導致DS氣室內絕緣失效，而因為#1 Bus DS氣室與#2 Bus DS屬於同一氣室(如圖2），使得故障連帶波及到#1 Bus造成雙匯流排陸續中斷電力供應。

圖1、台電D/S GIS設備事故

圖2、台電事故 D/S GIS氣室圖

廠內GIS氣室檢討與分析

如果台電事故發生在台積廠區，那麼結果會是如何呢? 我們以目前台積部分廠區所採用的雙匯流排GIS來做檢討，會有兩種狀況:

半廠停電

我們假設絕緣破壞事故發生在 圖3 GIS Bay TPC IN02 Q1 DS氣室，氣室內的狀態分別為: Q1 DS氣室未送電，Q2 DS氣室送電中，Q1 DS氣室絕緣破壞，Q1 DS氣室帶電端對地短路，Bus 1保護電驛動作，故障快速清除，Q1 DS氣室破裂片無破損 圖6，氣室內SF6絕緣壓力大於0.1MP，Bus 1之E01、E04、E06、E08開關全部跳脫 圖5，半廠停電。

圖3、GIS 內部DS 氣室分布圖

圖6、GIS 氣室破裂片位置圖

圖5、雙匯流排氣室架構圖

全廠停電

我們假設絕緣破壞事故發生在 圖4GIS Bay TPC IN02 Q1 DS氣室，氣室內的狀態分別為: Q1 DS氣室未送電，Q2 DS氣室送電中，Q1 DS氣室絕緣破壞，Q1 DS氣室帶電端對地短路，故障延遲清除，Q1 DS氣室破裂片破損，Q1 DS氣室內SF6氣體經過高溫與空氣混合可能形成SO (一氧化硫)、SO2 (二氧化硫)、HF(氟化氫)等氣體，造成Q1 DS氣室內絕緣能力失效，Bus 2 Q1 DS氣室帶電端閃絡，造成Bus 1及Bus 2之E01~E09開關全部跳脫 圖5，全廠停電。

圖4、GIS 內部DS 氣室分布圖

由分析結果可以發現，只要GIS連結匯流排之任何一個氣室內發生短路事故，勢必會造成半廠或全廠停電，有鑑於此，如何設計不降低供電可靠度並且DS氣室數量減少是我們必須思考的方向。

GIS供電可靠度提升

根據國際高壓大電力組織(Inter-national Council on Large Electric Systems，簡稱CIGRE)近40年來在GIS設備的MaF (Major failure Frequency)統計數據可以發現，DS/ES MaF 46.4%為最高 表2，其次為CB 25%，最低為IT 10.7 %，而參考CIGRE 統計資料搭配使用FMEA的手法進一步分析，可以明確地發現兩套單匯流排(Dual Single Busbar)較一套雙匯流排元件減少將近13%，風險總和平均分數也降低12.5%（故障×數量×停電範圍） 表3，讓我們不禁思考以兩套單匯流排的設計 圖7取代雙匯流排的供電架構 圖8是否可行?而兩套單匯流排供電架構的保護協調是否會跟雙匯流排供電架構有所不同?我們針對這兩種供電架構的4個保護協調區間及影響範圍依序做說明。

圖7、兩套單匯流排供電架構圖

圖8、雙匯流排供電架構圖

保護區間Zone#1(台電線路保護)

此保護區間由線路差電流保護電驛(87L)與測距電譯(21S)所組成，保護的範圍主要是廠區台電進線端到台電超高壓變電所的線路保護，當保護電驛動作後，保護區間Zone#1上的開關會跳脫，廠區斷環或全廠停電 圖9、圖10。

圖9、兩套單匯流排輸入保護區間Zone#1（台電線路保護）

圖10、雙匯流排輸入保護區間Zone#1（台電線路保護）

保護區間Zone#2（廠內Bus 保護）

此保護區間由兩顆匯流排差電流電驛(87B及87C)所組成，保護的範圍主要是廠內Bus1及Bus2的匯流排保護，當BUS1或BUS2保護電驛動作後，保護區間Zone#2上的開關會分別跳脫，廠區半廠或全廠停電 圖11、圖12。

圖11、兩套單匯流排保護區間Zone#2（廠內Bus 保護）

圖12、雙匯流排保護區間Zone#2（廠內Bus 保護）

保護區間Zone#3（匯流排連結段保護）

此保護區間依照供電架構不同，電驛的選用也不同，兩套單匯流排供電架構由兩顆匯流排差電流電驛(87B及87C)所組成，雙匯流排架構由匯流排差電流電驛及過電流保護電驛所組成，保護的範圍主要是兩套單匯流排連結段及雙匯流排TIE的保護，當保護電驛動作後，保護區間Zone#3上的開關會全數跳脫，兩套單匯流排供電廠區斷環不斷電，雙匯流排供電廠區全廠或半廠停電 圖13、圖14。

圖13、兩套單匯流排連結段保護區間Zone#3（GIB 保護）

圖14、雙匯流排連結段保護區間Zone#3（TIE 保護）

保護區間Zone#4(主變壓器保護)

此保護區間由兩顆變壓器差電流電驛(87T)所組成，保護的範圍主要是廠內主變壓器保護，當保護電驛動作後，保護區間Zone#4上的開關會分別跳脫，廠內變壓器停電 圖15、圖16。

圖15、兩套單匯流排輸出保護區間Zone#4（主變壓器保護）

圖16、雙匯流排輸出保護區間Zone#4（主變壓器保護）

從探討的結果可以發現兩套單匯流排與雙匯流排供電架構不論在保護協調或是廠區停電影響範圍除了保護區間Zone#3外，其餘都是一樣的，除此之外我們發現如果可以同時變更台電計費電錶（簡稱MOF）比流器（Current Transformer，簡稱CT）、比壓器（Potential Transformer，簡稱PT）及Busbar PT的位置，那或許可以解決因MOF故障所造成半廠停電的狀況發生（2016康寧MOF故障，停電1.5天) 圖17。於是我們先針對MOF CT及PT的位置及規格作探討，台電環路供電的最大電流為2000A，原800-400-200/5A 0.3B~1.8最大電流只能承受800A的MOF CT是不能變更位置的，但與台電多次討論後，如果將CT規格調整為2500-2000-1600-800-400/5A 0.3B~1.8最大電流2500A，那麼便能夠調整MOF CT及PT位置，另外在Bus PT的設置上，台電確認只要能夠符合台電的安裝規定(必須安裝於台電環路上)，便可調整Bus PT的位置及數量。於是我們分別將MOF CT及PT設置於廠區台電161kV電纜進線處，Bus PT設置於兩套單匯流排連接處，便可以解決MOF或Bus PT故障所造成半廠停電的風險轉變為台電供電斷環不斷電，同時也減少一組Bus PT的設置 圖18。

圖17、Dual Single Busbar GIS MOF 及Busbar PT 原位置

圖18、Dual Single Busbar GIS MOF & Busbar PT 新位置圖

兩套單匯流排供電架構在保護協調或是停電影響範圍都優於雙匯流排的供電架構 表4，不僅佔地空間與Double Busbar相同，約略300平方公尺，在輸入、輸出端及匯流排也減少了DS/ES的數量，GIS匯流排連接處雖然增加一顆CB，但透過與台電的討論，調整MOF CT規格及位置，並減少1組Bus PT的設置，整體成本預估約略增加7~10%，但卻可以提高廠內供電可靠度及減少停電風險，就投資成本來說是相當值得的。

結論

Dual Single Busbar GIS是IEEE的標準架構之一，國內外雖有相同的設計但大都運用於鋼鐵廠中，兩套單匯流排供電架構是一個完整度相當高的新設計，不論在供電穩定度或操作便利性都更優於Double Busbar，也可避免國內廠商設備組裝品質不良造成故障停電的台電配電所事故，同時一併解決了Single Busbar引進台灣的這27年來，因CT或PT故障導致3次停電的宿疾，我們也會將此設計直接導入未來新廠所使用。雖然廠區內供電可靠度提高了，但台電在配電所事故後尚未有改變供電架構的計畫及研究，雖然台電使用的1 1/2 斷路器匯流排供電架構我們並無使用，不過，提高台灣供電品質及可靠度我們責無旁貸，或許未來可以與台電一起研究找尋提高變電所供電可靠度的機會點。