新世代廠房之氣體絕緣開關設備設計架構再進化

前言

GIS作為廠內與台電特高壓線路(69kV或161kV)連接的電力設備，為廠內電力系統的最上游，是最重要的設備之一。GIS跳脫影響重大，動輒半個甚至整個廠區停電，因此GIS的可靠度至為重要。

1968年GIS問世，超過50年發展歷史使其產品特性穩定；不同的GIS架構其擴充性、操作性、可靠度、保護協調方式也不相同。本篇就GIS發展、特性進行說明，再來說明各GIS架構差異，然後進行可靠度模擬及分析。

台積廠區早期採用single bus bar GIS，後來廣泛採用double bus bar GIS。直到2017/1/25南科道爺double bus bar GIS斷電事故後，南科A廠導入dual single bus bar GIS，但後續檢討此架構不適用於科學園區的環路供電系統，因此從南科B廠起導入sectionalized double bus bar GIS架構。因廠區的GIS架構不斷演進，我們得深入探究各GIS架構的差異以確保我們的選用方針是正確的。

我們也委託國立清華大學電機系朱家齊教授進行廠內四種GIS架構進行可靠度分析。

綜合評估成本、可靠度及空間設置因素，台積新世代廠房的GIS選定標準為兩顆主變壓器的新廠區使用double bus bar GIS，四顆主變壓器以上的廠區使用sectionalized double bus bar GIS。

文獻探討

2.1 GIS的沿革與特性

第一個以SF6氣體作為絕緣介質的GIS於1968年問世^[1]。至今已普遍使用在高壓電力系統，全球超過2,000變電所使用在各高壓等級安裝超過20,000GIS bay。SF6 GIS在工業界具備經濟價值在於低成本及小安裝空間下可滿足高壓電大能量的傳輸。各GIS元件在工廠端的良好控制環境下組裝成模組測試後再出貨至客戶端進行現場安裝。SF6氣室被完整包覆與外界隔絕，內部的高壓元件長年處在穩定且乾燥的SF6環境得到很好的保護，因此在實務經驗上GIS的使用年限落在50年，除了斷路器及轉動機構需進行保養外，在正常使用下的前25年不需進行重大的保養檢查。因GIS隔絕良好，不受外氣、沙塵、陽光的的直接接觸，整體設備不需額外進行清潔處理，唯有GIS一次、及二次側的高壓接續頭需視環境狀況進行清潔。GIS外殼使用鋁合金材質，即使暴露於空氣中也會形成一層氧化層具有抗銹蝕之特性。因GIS不受到環境的變化影響，大為提升在劇烈環境的適用性。因GIS體積小重心低的設計，其鋼架及避震器搭設單純即可達到良好的抗震效果。相較於同樣電壓等級的空氣絕緣斷路器，GIS只需要20%的占地空間。

2.2 GIS的技術與優勢

GIS耐受電壓、承載電流得以提高及體積得以縮小仰賴以下幾點關鍵技術。

SF6作為高壓絕緣介質扮演GIS持續進步的關鍵角色；SF6氣體的化學性質非常穩定，在空氣中不燃燒，不助燃，與水、氫氧化鈉、氨、鹽酸、硫酸、氧、氫、碳、銀、銅等不反應，對電器設備中常用的金屬及其它有機材料不發生化學作用；SF6氣體分子具有很強的吸附自由電子而形成負離子的能力，因此是一種高電氣強度的氣體介質，具有優異的絕緣性能。它的解離能量大，在溫度範圍內熄滅電弧和暫態放電有優異的特性。由於SF6氣體具有不可燃的特性，並具有優良的絕緣性能和消弧性能，所以被廣泛使用在GIS作為高壓絕緣介質^[2]。SF6雖無毒但卻是溫室氣體之一，因此在環保上SF6的使用是受到管制的，IEC 62271-203制定52kV以上GIS的SF6洩漏率需小於每年0.5%^[3]。

因此GIS的氣密需經特殊設計以確保其使用年限可達50年與GIS相同；測試時使用氦氣進行加壓測漏，因氦氣分子比SF6小更容易檢出洩漏狀況。以目前的GIS氣密技術每個氣室SF6洩漏率可小於每年0.1%。除了環保議題疑慮，SF6洩漏直接影響GIS可靠度，如氣室內絕緣發生相間短路、對地短路事故，消弧能力不足造成斷路器啟斷時引發事故。

金屬外殼使得GIS的零件得到完全包覆及保護，不受外在環境因素影響，讓其保養週期從初代GIS的5年一次發展至現今的25年一次，除了GIS初始建置成本外，往後的維運成本相對低。

GIS的斷路器消弧系統的設計是GIS發展至更高耐受電壓及電流的決定性因素。自壓縮式消弧系統可將斷路器啟斷時產生的弧光在壓縮氣室裡轉換成斷路器的啟斷能量，如此便可搭配較小的斷路器儲能裝置，整體斷路器體積可縮小至三分之一。較小的斷路器動作能量代表機械應力較小，可提升GIS的使用壽命。另外自壓縮消弧系統使得GIS規格提升至1200kV耐壓、5000A/6300A耐流、80kA短路啟斷電流。

GIS除了主要導電部件外，絕緣礙子的設計也是GIS的關鍵零組件。絕緣礙子設計上需考量介電能力、機械支撐耐受力、熱應力、及長久的使用壽命以匹配GIS設計需求。以目前的絕緣礙子的製造技術，其介電能力已提升至多於初始時的50%，也就是說GIS的體積可進一步縮小便可達到相同的絕緣等級。

比流器、比壓器、絕緣套管、突波吸收器也一併納入GIS的設計範疇，如此可更完善的設計出用戶所需的架構，並提升整體性能、可靠度、及使用年限。

GIS模組化使其架構設計充滿彈性(圖1)，可滿足用戶端的電力系統架構需求；其體積小重量輕，簡化了抗震工程；其極低噪音及電磁輻射，金屬外殼包覆性好，大幅降低了惡劣區域的安裝限制；諸多優勢使得GIS具備市場價值。

圖1、GIS各功能模組(以Siemens 245kV GIS為例)

因絕緣技術提升，GIS從初始的三相分管(每相導體有獨立SF6氣室)發展至三相共管(三相導體共用同一SF6氣室)，如此可降低用材、GIS體積及製造成本；但三相分管型式多使用於如161kV的配電電壓等級，而更高電壓等級的系統則採用三相分管型式^[4]。兩種型式的GIS在台積廠區的161kV電力系統皆有使用，分別為Siemens 8DN9三相分管GIS(圖2) 耐壓245kV、耐流3150A、短路啟斷電流50kA，及ABB ELK-04為三相共管GIS(圖3)耐壓170kV、耐流4000A、短路啟斷電流63kA。

圖2、Siemens 8DN9三相分管GIS

圖3、ABB ELK-04三相共管GIS

2.3 GIS架構探討

台積公司現在使用的有四種GIS架構，GIS有兩個輸入端(受電端)與台電161kV成環供電，輸出端則有二到六個輸出斷到主變壓器；以下將以二進六出架構作說明。

Single bus bar GIS(圖4)為台積公司早期使用的架構，建置成本低，操作簡單，但供電可靠度低；供電端(台電)連結一個匯流排，受電端(主變壓器)連結另一個匯流排，兩個匯流排之間由隔離開關連接，隔離開關平常投入但無跳脫能力。任何一個匯流排發生事故時，保護電驛跳脫供電端及受電端的全部斷路器，此時供電中斷且台電解環。至到匯流排修復後才能恢復台電成環及供電。

圖4、Single Bus Bar GIS架構

Double bus bar GIS(圖5)為台積目前使用最多的架構，可靠度比single bus bar GIS高。Double bus bar GIS有兩個匯流排，每一迴路的供電端(台電)與受電端(主變壓器)都有兩個隔離開關，可選擇連結到各自的匯流排。匯流排斷路器平常投入將兩個匯流排連接。單一匯流排事故時，保護電驛跳脫連接至相關匯流排的斷路器，而另一正常匯流排則持續供電，此時廠區維持50%電力供應、台電解環。

圖5、Double Bus Bar GIS架構

Dual single bus bar GIS(圖6)在台積廠區僅有南科A廠。此乃2017年1月25日南科E/S道爺變電所的double bus bar GIS斷電事故的檢討改善方案^[5]。

圖6、Dual Single Bus Bar GIS架構

Dual single bus bar GIS有兩個匯流排，匯流排可各別獨立供電，兩者間有兩個匯流排斷路器，平常投入將匯流排連接。單一匯流排事故時，匯流排斷路器跳脫後隔離故障匯流排，而另一匯流排持續供電，此時廠區維持50%電力供應、台電解環。

台積廠區將dual single bus bar GIS配置在兩個獨立房間，中間的實體牆將GIS分隔一半，可限縮事故發生時的影響範圍(圖7)。整體而言是考量周全的設計。

圖7、二進六出Dual Single Bus Bar GIS，各一半GIS安裝在獨立房間(ABB ELK-04三相共管GIS)

但台電在園區環路供電的原則下，以環路用戶公平、設備操作權責為由，要求南科A廠dual single bus bar GIS聯接斷路器跳脫功能失能，並在平常投入的狀態(過往有聯電、力晶配合台電要求之先例)。經各造電力專家、台電、及環路用戶協商後取得共識後，台電最終以個案方式同意南科A廠開啟匯流排斷路器跳脫功能，但往後將不再同意新個案。

南科B廠採納台電建議，使用sectionalized double bus bar GIS架構(圖8)。Sectionalized double bus bar GIS有4個匯流排，由4個匯流排斷路器將匯流排連結。Sectionalized double bus bar GIS也是配置在兩個獨立房間，中間的實體牆將GIS分隔一半(圖9)。

圖8、Sectionalized Double Bus Bar GIS架構

圖9、二進六出Sectionalized double bus bar GIS，各一半GIS安裝在獨立房間(Siemens 8D9N三相分管GIS)

單一匯流排事故時，保護電驛跳脫連接相關匯流排的斷路器，其他三個正常匯流排持續供電，廠區維持>50%電力供應、台電解環。

從單一匯流排事故各GIS架構的供電能力比較，sectionalized double bus bar GIS維持一半以上為最高，接下來是double bus bar GIS及dual single bus bar GIS都有一半的供電能力，而single bus bar GIS則供電中斷。

2.4 南科E/S道爺變電所供電中斷事故

2017/1/25 08:21道爺配電變電所GIS匯流排隔離開關的R相氣室內部閃絡造成供電中斷，影響高壓用戶18戶停電8分後復電，161kV特高壓用戶南科友廠共2戶停電3小時41分後復電，南科園區發生C類壓降(不符合Semi F47規範)^[6]。

道爺配電變電所事故分析為R相連接導體間之固定螺絲鬆馳，長期尖端放電導致絕緣劣化，導致2號匯流排隔離開關的第一閃絡事故，此時連接到2號匯流排的斷路器跳脫，下游50%沒電；但閃絡事故同時造成氣室伸縮囊裂開(圖10~圖11)Bus#2隔離開關氣室絕緣能力遭破壞，導致故障電流持續從Bus#1經由Bus#1投入的隔離開關流至Bus#2隔離開關的故障點，此時Bus#1跳脫，下游100%沒電。

圖10、台電D/S GIS設備事故點

圖11、台電事故D/S GIS氣室圖

此事件讓台積公司省思可靠度更高的GIS架構，因此在南科A廠導入dual single bus bar GIS。

研究方法

本研究邀請清大朱家齊教授針對以上四種GIS架構進行可靠度模擬與分析^[7]。本次就故障樹分析方法進行探討。故障樹屬於故障空間分析法(Failure space analysis)，它由頂層事件(top event)、基本事件(basic event)、及OR、AND、VOTE邏輯閘(logical gates)組成，故障樹頂層事件為系統關心的事件(圖12)。可靠度計算結果以無法供電機率作為指標，其數字越小越不容易斷電系統可靠度越高。

圖12、故障樹分析

3.1 故障樹邏輯運算及電力設備可靠度參數設定

OR邏輯為各事件的乘積，即R_system=R_A×R_B×R_C (圖13)

圖13、故障樹OR邏輯閘

AND邏輯為各事件的聯集，即R_system=R_A+R_B- R_A×R_B (圖14)

圖14、故障樹AND邏輯閘

VOTE邏輯為R_system=R_A×R_B+R_B×R_C+R_A×R_C-2×R_A×R_B×R_C (圖15)

圖15、故障樹VOTE邏輯閘

GIS主要元件如斷路器、隔離開關、接地開關、匯流排、比壓器、比流器、避雷器的故障機率(表1)^[8]，作為故障樹模擬的參數設定。

3.2 GIS可靠度模擬單線圖

按GIS主要構件所畫出2.3節探討的四種GIS架構的的可靠度模擬單線圖分別為 圖16~圖19。

圖16、Single Bus Bar GIS(二進六出)模擬單線圖

圖17、Dual Single Bus Bar GIS(二進六出)模擬單線圖

圖18、Double Bus Bar GIS(二進六出)模擬單線圖

圖19、Sectionalized Double Bus Bar GIS(二進六出)模擬單線圖

3.3 故障樹模型說明

故障樹分析手法探討GIS可靠度時，變壓器斷電是我們關心的事件置於頂層，而GIS元件置於最底層(造成變壓器斷電的基本事件)。不同的GIS架構其基本事件組合不同，因此可靠度不同。

故障樹模型的建構必須從最小切集開始；最小切集是一個包含所有事故可能性的元件集合，當最小切集內的元件故障時，則發生事故。而最小切集合之間可視為並聯關係。

本章節以二進六出sectionalized double bus bar GIS四顆主變斷電作為故障樹範例，並以主變壓器無法供電，GIS Bay無法供電及匯流排無法供電的最小切集作說明。

四顆主變壓器無法供電的最小切集如 圖20，每顆主變壓器無法供電都是獨立的最小切集，各為並聯關係。

圖20、Sectionalized Double Bus Bar GIS 四顆主變壓器無法供電的最小切集

MTR1無法供電的最小切集如 圖21，MTR2、MTR3、MTR4、MTR5、MTR6也類似。

圖21、Sectionalized Double Bus Bar GIS-MTR1無法供電的最小切集

MTR1(MTR2, MTR3)無法供電的情況為，GIS Bay1(GIS Bay2, GIS Bay3)上的任一元件故障或BB1A及BB2A匯流排故障。

MTR4(MTR5, MTR6)無法供電的情況為，GIS Bay4(GIS Bay5, GIS Bay6)上的任一元件故障或BB1B及BB2B匯流排故障。

GIS Bay1故障的最小切集如 圖22，其中CB、ES、CT1、CT2為元件，屬於最低層的事件，任一元件故障皆造成MTR1無法供電。

圖22、MTR1 Bay故障的最小切集

BB1A沒電的最小切集如 圖23。當BB1A上的任一元件故障或incoming到BB1A、Tie1到BB1A、TieA到BB1A同時無法供電時，BB1A則會沒電。

圖23、為Sectionalized Double Bus Bar GIS-BB1A沒電的最小切集

而BB2A沒電的最小切集與BB1A沒電情況類似。當BB2A上的任一元件故障或incoming到BB2A、Tie1到BB2A、TieA到BB2A同時無法供電時，BB1A則會沒電。

結果與分析

4.1 故障樹模擬結果

使用故障樹模擬無法供電機率的結果如 表2所示。圖24為無法供電機率的趨勢圖。

圖24、故障樹模擬主變壓器無法供電機率趨勢圖

一顆主變壓器的故障機率在四種架構皆相近，因為單一顆主變壓器異常原因來自單一GIS bay的元件異常。

當發生多顆變壓器無法供電時，GIS架構將影響系統可靠度的高低。

Single bus bar GIS的全部變壓器都在同一個匯流排上，當匯流排故障時，全部的變壓器都會無法供電，因此二顆至六顆主變壓器無法供電的機率都一樣。此架構可靠度最低。

Double bus bar GIS有兩個匯流排讓主變壓器電源可以轉供，每個主變壓器可以選擇兩個匯流排的其中一個供電；只有當兩個匯流排同時故障才會造成六顆主變壓器無法供電，因此二~六顆主變壓器比起一顆主變壓器無法供電機率大幅降低。

Dual single bus bar GIS同樣有兩個匯流排，但與double bus bar GIS的差異在於前者的主變壓器電源無法轉供。單一匯流排故障時就會造成三顆主變無法供電，而當兩個匯流排同時故障時則會造成六顆主變無法供電，因此四~六顆主變壓器相對一~三顆主變壓器無法供電機率大幅降低，而且與double bus bar GIS四~六顆主變壓器無法供電機率相近。

而sectionalized double bus bar GIS共有四個匯流排轉供，每個主變壓器有四個匯流排可選擇供電，比起double bus bar GIS選擇更多。因此任何情況下，其主變壓器無法供電機率都是最低的，亦即系統可靠度最高。

4.2 分析與探討

綜合上述分析，比較四種GIS架構的可靠度排名，sectionalized double bus bar GIS最高，double bus bar GIS第二，dual single bus bar GIS第三，最低為single bus bar GIS。

雖double bus bar GIS與dual single bus bar GIS同樣具有兩個匯流排，但因架構緣故當dual single bus bar GIS發生單一匯流排故障時無法電源轉供，導致其可靠度略低於double bus bar GIS。但模擬並未納入複合式事故，以道爺事故為例，double bus bar GIS會100%斷電，但dual single bus bar GIS仍維持50%供電能力，此點體現後者的非凡價值。

Sectionalized double bus bar GIS可靠度最高也是合理，有四個匯流排，而且斷路器也最多，可將每個故障區隔離讓影響程度降至最低。

未來展望與結論

GIS架構設計及選用的基本原則為 : 一、供電可靠度高，事故時都必須維持在50%以上的供電能力；二、架構需單純且保護邏輯設計需清晰簡單；三、操作需簡易，降低長久運轉操作的風險。

台積廠區經過這些年GIS架構的探討，從single bus bar GIS到double bus bar GIS，進化到dual single bus bar GIS，最後到sectionalized double bus bar GIS架構，新廠設計在架構選用上已制訂一套標準。

兩顆主變壓器廠區因CUP空間限制採用double bus bar GIS。

四顆主變壓器以上的廠區因CUP空間許可則採用sectionalized double bus bar GIS。並且維持sectionalized double bus bar GIS中間的實體牆，將GIS拆半安裝在兩個獨立房間。

Dual single bus bar GIS也是一個理想的架構，但受限於台電同一環路供電多家工廠，在台灣地區並不適用。但dual single bus bar GIS卻也給了美國亞利桑那州A廠多了一個選擇的契機；亞利桑那州的電力公司使用獨立迴路供電各家工廠，經由當地電力公司核可的條件下，亞利桑那州A廠最終選用了dual single bus bar GIS架構(其成本也較sectionalized double bus bar GIS低)。

其實台積公司在機台的供電可靠度也挹注了很多成本，先進製程的U電佔比逐步提高，搭配低壓站單邊停電auto tie電源轉供設計，當GIS發生事故時只要能維持50%以上的供電能力，廠區的影響範圍是可控的。

除了GIS架構，GIS本體的密封技術也是一個非常重要議題；台積廠區偶會遇到GIS SF6洩漏壓力偏低的警報，GIS測漏技術仍不完善，止漏維修又要搭配廠區停電，這都是穩定供電的極大挑戰。密封技術及設計絕對是一個需持續檢討精進的議題。