摘要
The tsmc company upholds four core values of Integrity. Commitument, Innovation, Customer Trust, provided foundry core capabilities concentratedly and promoted advance manufacturing process. As of 2020, the tsmc has grown for ten consecutive years. The area of the new plant is getting bigger than ever(F18 phase1-3 total clean room : more than 160,000 square meters about 25 standard football fields). At this time, a stable power system is the first condition for operation. In factory, high-voltage equipment GIS、MTR、CGIS maintenance has a wide range of impacts, must be arranged during the annual repair. The factory in operation suffered the SF6 leakage problems of GIS and CGIS in recent years(Siemens CGIS SF6 leaks issue 13 times, ABB GIS MOF PT leaks issue). How to find the leakage source quickly and exclude leaks correctly, establishment of acceptance conditions in production process of manufacturers to conduct inspections are the important research direction. In this research, the high-voltage equipment maintenance items and period will be delimit clearly. In addition to use different tools to improve the SF6 leakage detection and discuss inspection repair technology.
前言
隨著社會經濟發展與科技進步，在廠房、集合式住宅、學校、醫院，電力的穩定供應是不可或缺的，電力品質若無法穩定且安全的供應，不僅不利社會經濟及科技發展，也容易讓人處於不安及恐懼之中，然而為了確保穩定且不間斷及無事故的供電品質，高低壓用電設備都要定期進行維護、保養才能達到這個目標。而高壓設備更在整個供電過程中扮演著舉足輕重的角色，在因為它是與電力公司連接的橋樑，也是高壓用戶用電設備的最前端。
舉凡主變壓器、GIS、CGIS都是高壓設備，如何規劃完整的高壓設備保養以符合高壓設備保養周期及項目，並以此為基礎降低甚至不影響廠內機台生產，如何排程廠內眾多高壓設備，是對於全年無休持續運轉的工廠的一項重要考驗。由於SF6氣體的優良絕緣特性，其絕緣強度是是空氣的2.5倍，消弧能力是空氣的100倍，而且SF6氣體不容易與其他元素起反應，所以在設備端子裸露部分將降低氧化問題，使用SF6的設備不管在占地面積或體積，都較傳統使用絕緣油的高壓設備小的多，所以目前使用SF6作為絕緣介質廣泛運用於高壓設備。
雖然使用SF6作為絕緣介質有眾多的優點，但是SF6氣體洩漏卻是GIS開關設備較普遍存在的問題，然而SF6的洩漏不僅是對於GIS開關設備絕緣的不利因素，更由於SF6助長暖化的程度為CO2的2萬3500倍，估計到2030年，全球使用SF6的電力交換設備將增加75％。光是全英國目前安裝的設備中，就含1000公噸SF6。若以全歐盟28個會員國來看，2017年SF6的總排放量，等同於673萬公噸的CO2，也相當於路上多出130萬輛汽車行駛1年。[1]因此本文將針對如何提升SF6洩漏查修技術，進行討論及規劃。
文獻探討
2.1 用電設備檢驗維護業管理規則
參照國內電業法及用電場所及專任電氣技術人員管理規則，用電場所負責人應督同專任電氣技術人員對所經管之電力設備，由用電場所僱用之專任電氣技術人員或委託之檢驗維護業，每六個月至少檢驗一次，每年應至少停電檢驗一次，且不得干預檢驗結果。綜合以上文獻制定台積69kV以上GIS的保養項目(表1)包括保護電驛參數檢查、SF6檢測、保護電驛測試、斷路器功能檢測、機構潤滑，而高、中壓盤的保養項目包括保護電驛參數檢查、SF6檢測、保護電驛測試、開關動作功能檢測、操作機構上油潤滑。然而依據不同的細項，區分為三級PM周期以符合規範。
| 電力設備 | 電力APM主要檢測項目 | 保養分級 | ||
|---|---|---|---|---|
| 一級 | 二級 | 三級 | ||
| 69kV以上GIS | 保護電驛參數檢查 | ○ | ||
| SF6檢測、保護電驛測試 | ○ | |||
| 斷路器功能檢測、機構潤滑 | ○ | |||
| 69kV以上主變壓器 | 絕緣油檢測 | ○ | ||
| 二次繞組檢查(絕緣電阻量測)、保護電驛測試 | ○ | |||
| OLTC點檢及清潔 | ○ | |||
| 高、中壓盤(4.16kV~35kV) | 保護電驛參數檢查 | ○ | ||
| SF6檢測(CGIS)、保護電驛測試 | ○ | |||
| 開關動作功能檢測、操作機構上油潤滑 | ○ | |||
| 低壓SWGR盤、變壓器(208V~480V) | 保護電驛參數檢查 | ○ | ||
| 保護電驛測試 | ○ | |||
| 變壓器本體及盤內清潔 | ○ | |||
| ACB開關設備保養(高低阻量測、開關作動時間檢測、上油潤滑) | ○ | |||
| 低壓電器盤(SWB、PPB) | IR檢查 | ○ | ||
2.2 保養項目說明
SF6氣體檢查
絕緣氣體SF6壓力及純度下降、含水量過高皆可造成氣體絕緣能力不足，進而增加過電壓或其他事故造成擊穿事故的風險。此外，如絕緣氣體含有二氧化硫(SO2)，代表氣室內可能有絕緣劣化或絕緣不良狀況導致的放電現象。[2]電氣設備內的SF6氣體在高溫電弧發生作用時而產生的某些有毒產物，包含氟原子和某些有毒的低氟化合物。[3]
例如：SF6氣體在電弧中的分解和與氧的反應：
2SF6 + O2 → 2SOF2 + 8F
2SF6 + O2 → 2SOF4 + 4F
SF6 + O2 → SO2 + 3F2
電器設備內的SF6氣體分解物(低氟化合物)與其內的水分發生化學反應而生成某些有毒產物，例如氟化氫等有強烈腐蝕性的劇毒物。
例如：SF6氣體分解物與水的繼發性反應：
SF4 + H2O → SOF2 + 2HF(氫氟酸)
SOF4 + H2O → SO2F2 + 2HF(氫氟酸)
SOF2 + H2O → SO2(二氧化硫)+ 2HF
SO2F2 + 2H2O → H2SO4(硫酸)+ 2HF
檢測絕緣氣體之壓力、純度、含水量及SO2含量可確保絕緣介質本身的妥善性及提早發現氣室內絕緣劣化風險，並在後續可進行追蹤及改善措施，減少事故風險。
2.3 運轉經驗及案例回顧
回顧台積高壓開關運轉案例(表2)，各廠問題集中於SF6氣體洩漏壓力不足產生告警。
| 發生日期 | 系統 | 設備編號 | 異常原因 |
|---|---|---|---|
| 2019/11/15 | HV | NH100 BUS | Bus表頭連接處洩漏 |
| 2020/03/05 | HV | NH120 BUS | Bus表頭連接處洩漏 |
| 2020/03/05 | MV | NM-403-B | 查無洩漏點 |
| 2020/03/06 | MV | NM-301-B | Cable housing洩漏 |
| 2020/05/12 | MV | NM-401-A | R相Bus氣室處洩漏 |
| 2020/09/11 | HV | NH620 | Bus表頭R相壓力表閥件處洩漏 |
| 2020/09/11 | MV | NM-302-A | S相CT和Cable housing中間洩漏 |
| 2020/09/11 | MV | NM-301-B | R相氣室間隔套管的下緣洩漏 |
對於目前SF6氣體絕緣的電氣設備氣體洩漏的檢測方法比較多，主要包括 : 肥皂泡法、包紮法、真空法、超音波法、氣敏半導體法、電化學法、紫外線電離法，但能實際用於廠內對於微量洩漏查修肥皂泡法、包紮法、電化學法檢測漏源效果有限，往往造成查修時間過久或查無漏點等結果，故本篇研究目的將透過紅外線熱影像儀，量測紅外線對SF6氣體特定波長變化，對於其它的氣體沒有任何反應，進而快速尋找漏點進行補強。
SF6氣體偵測技術
3.1 常見SF6檢測方法
SF6氣體本是目前最穩定的絕緣氣體，其洩漏的偵測方式有多種原理與設備可以達成，如肥皂泡法、真空法、鹵化物檢測法、聲波法等[4]。眾多檢測方法伴隨著使用限制及其優缺點，常見的檢測方式如下：
3.1.1 鹵化物檢測法
利用金屬鉑的「鹵素效應」判別檢測點是否漏氣(圖1)。可以定量計算出泄漏點的泄漏速度、氣體濃度等具體參數，但是測量精度不高，檢查時探頭都應在檢測物體周圍移動(圖2)。探頭移動速度25至50毫米/秒，並且距離表面不超過5毫米。檢測速度較為緩慢。
圖1、鹵素效應判別檢測儀器
圖2、探頭檢測位置
3.1.2 超聲波法
在溫度、壓強相同的條件下，求待測氣體濃度便可轉化為求混合氣體平均聲速的問題，採用相位差法測聲速，即在發射超聲波的同時開始脈衝計數，直到檢測到回波信號的幅值超過一定閾值後停止計數，再與計數週期相乘便得到超聲傳播時間，固定的傳播距離除以該時間即為聲速，測量精度受振動、噪聲干擾以及超聲波在氣體介質中衰減的影響較大以CDA管路為檢測對象(圖3)進行洩漏點的偵測(圖4)及儀器顯示位置(圖5)示範。
圖3、檢測對象CDA
圖4、管路洩漏點
圖5、儀器顯示位置
3.1.3 紅外線檢驗法
所有溫度在絕對溫度3度(-270℃)以上的物體，都會不停地發出熱紅外線。因此，熱紅外線或稱熱輻射是自然界中存在最為廣泛的輻射[5]。由於洩漏氣體之熱輻射波長不同，經由選擇可辨識氣體熱輻射波長由儀器中的窄紅外光波段濾光片控制接收的紅外線波段的外線式氣體偵測器來進行檢測。主要是利用紅外線光吸收碳氫鍵化合物的光譜，並與不對外的參考光譜進行比較，得到所吸收之氣體濃度。SF6與空氣相比其紅外吸收特性極強，由透過率曲線可知。(圖6)SF6氣體本從波長10.4µm開始顯現紅外吸收特性，在10.6µm時SF6吸收性最強，隨後逐步衰減，在10.7µm出現一點反彈，至10.9µm紅外吸收特性消失。使用波長在10.3µm~10.7µm間的紅外熱像儀就可以使肉眼原本無法觀察到的SF6氣體的洩漏變得可視覺化。氣體洩漏紅外檢測技術就是利用SF6氣體比空氣對特定波段紅外線有更強的吸收能力這一特性，採用後向散光成像技術進行成像的。當被檢測區域存在SF6氣體時，由於SF6氣體10.3µm~10.7µm波段的紅外光線具有強烈的吸收作用所以此時反射到檢測設備的紅外線能量因吸收作用而急劇地減弱，SF6氣體在檢測儀器的顯示屏上顯示為黑色的煙霧狀，此時便可以直觀地以圖像定位SF6氣體本洩漏源。
圖6、SF6光譜吸收率
3.1.4 廠內使用
廠內對於氣體設備洩漏的偵測儀器，除了現場氣體壓力錶頭觀察壓力變化外，目前採用Leak Seek LS790B等簡易型氣體偵測器檢測點位進行偵測，以鹵化物檢測法採樣點位氣體檢測該區域是否有氣體殘存，其優點在於攜帶方便更簡易使用於任一場所，缺點只能提供相對氣體洩漏位置，兩種檢測方是皆無法更精確顯示氣體洩漏量以及洩漏位置，故需藉由氣體本身特性進行更有效的處理方式來分析。
表3分析本研究所使用儀器的特性，以及優缺點，結合鹵化物檢測、紅外線檢驗法將可達到較好的偵測效率。
|
廠牌 |
Leak Seek LS790B鹵化物檢測探測儀 |
FLIR GF306紅外線熱像氣體測漏測溫儀 |
FLIR T640 |
ii900工業超音波影像儀 |
|---|---|---|---|---|
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儀器&檢測畫面 |
|
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解析度 |
NA |
320*240 |
640x480 |
NA |
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熱靈敏度 (NETD)30℃ |
洩漏率7g/yr可以檢測的出來 |
<0.015℃@+30℃ |
<0.03℃@+30℃ |
最遠10米處檢測到700kPa壓力下 2.5cm3/s的洩漏量 |
|
溫度精度 |
NA |
0 to 100℃時 : ±1℃ 超過+100℃時 : 讀值的±2% |
±2℃或±2% |
NA |
|
感測器類型/ 頻譜範圍 |
LSXS Ion-Pump Sensor |
cooled QWIP/10-11㎛ |
7.5㎛至14㎛ |
2kHz頻率下為29.7dB至120dB SPL 19kHz頻率下為16dB至106.3dB 52kHz頻率下為21.4dB至117dB SPL |
|
數位變焦 |
NA |
1-8x連續變焦 |
1-8x連續變焦 |
NA |
|
測溫範圍 |
NA |
-40℃ to+500℃ |
-40℃ to+150℃、 +100℃ to+650℃、 +300℃ to+2000℃ |
NA |
|
SF6氣體洩漏 探測條件 |
檢查時探頭都應在檢測物體周圍移動。 探頭移動速度25至50毫米/秒，並且距離表面不超過5毫米。檢測速度較為緩慢 |
使用QWIP感測器，內建窄頻濾鏡，主要針對SF6及其它具有同頻段吸收帶的氣體洩漏而設計，影像呈現較清晰，不受背景值影響 |
因頻譜較廣，容易受背景雜訊干擾，不易拍攝 |
實際案例為邊灌充SF6，使洩漏量上升，才能找出洩漏點 |
保養策略及SF6偵測技術運用
案例分析
使用第3章節所提到的方法分別進行台積公司廠內GIS系統SF6洩漏查修。
使用傳統以鹵化物檢測法探測器發現，雖然其優點在於攜帶方便更簡易使用於任一場所，因為探測器的探孔具有方向性以及延遲性，且整個氣室以及所連結的閥件接有可能室洩漏位置(圖7)，以點找面的方式耗費相當多的時間找尋洩漏位置。使用工業超音波氣體洩漏位置探測儀發現，因為洩漏的氣體量相當少，所以找不到洩漏位置。使用紅外線氣體探測儀發現(圖8)，以面找面的方式相當快速，直接找出洩漏點的大略位置，並搭配探測頭型探測器可以直接找到洩漏點，準確判斷洩漏點，提升查漏效率。
圖7、鹵化物檢測儀器顯示
圖8、紅外線氣體探測儀顯示
結論
透過SF6 IR探測鏡頭可視覺化的分析，進而提升為以面找面，可以一眼就可以看出SF6洩漏位置，擺脫傳統的測漏儀以點找面，這種測漏巡檢速度較慢的方法，本文有效利用兩種儀器的特點，先以SF6 IR探測鏡頭以面的方式找到洩露位置，再以傳統的測漏儀精準判斷出洩漏點，大大的提升查漏效率，此精進的查漏方法可以做廠內SF6洩漏查修的標的。
參考文獻
- 電力連線會議，CGIS保養分析。
- Medium-Voltage Switchgear Type 8DA10 Extendable Fixed-Mounted Circuit-Breaker Switchgear up to 40.5 kV Single Busbar, Single-Pole Metal-Enclosed, Gas-Insulated, Order No.: 861-9601.9, Revision : 14, Issue : 09 -07-2019, SIEMENS.
- 李豐裕、侯銘凱，積E7_GIS TIE Q03 SF6 Low Pre-alarm Issue.
- 王俊波、徐鑫、劉志陸、張偉忠、譚勁章，電氣設備SF6氣體洩漏的紅外檢測技術。
- 裴昱、陳遠鳴、卞曉陽、趙勇毅、趙正傑、常建華基於RBF神經網絡氣壓補償的非色散紅外SF6氣體傳感器。
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