電力高低壓開關操作安全防護管理

1. 前言

廠區內的設備之設置、使用、保養及臨時用電與停送電需求皆需電力開關的操作，大多數涉及開關的電氣事故發生在開關插入或取出時。當開關連接母線(搖入)或斷開母線(搖出)時的動作為電力操作時重要的關鍵步驟之一，電力系統的運行通常是通過有計劃的書面切換命令或程序安全完成的。這些程序通常是逐步執行的計劃，詳細說明為通電、斷電、隔離或更改電氣系統配置為必要程序。書面切換程序使電氣操作人員有機會預先解決安全切換所需的風險、必要人員、通知、個人防護設備(PPE)。為避免操作失誤造成人員感電風險，除了操作時人員需準備及穿戴符合規範及操作電壓範圍內的個人防護具外，熟知各式高低壓開關操作方式及事前通過有計劃的書面切換操作程序避免在電氣開關過程中的誤操作更是不可或缺。

為了使電力開關操作的風險降至最低，本文旨在針對高壓及低壓開關保護安全及操作機制進行介紹，第二節針對電力高低壓開關及操作切換程序相關國際規範進行研究探討。第三節對於台積廠區各廠牌及類型的高低壓電力開關進行研究分析。第四節針對上述所發現到的問題，進行前後改善優化後的操作安全步驟結果分析。第五節為結論。

2. 文獻探討

2.1 電力高低壓開關操作安全防護管理規範

根據美國職業安全與健康管理局(The Occupational Safety and Health Administration, OSHA)公佈的2020前10名最常引用的工作場所安全標準(圖1)，電力開關安全上鎖掛牌程序(Lockout/Tagout, LOTO)引用數為第六名且歷年來LOTO經常列入10種最常違反的工作場所安全違規行為的年度名單，遵守上鎖/掛牌標準每年可防止約120人死亡和50,000人受傷，在工作中因接觸危險能量而受傷的工人平均需要24個工作日的休養時間。

圖1、2020年被引用次數最多的OSHA法規前十名^[1]

電氣安全計劃是建立電氣安全的基本條件，在OSHA中的29 CFR 1910.147安全上鎖掛牌作業(Lockout-Tagout, LOTO)危害能量控制，根據第1910.147條的規定，電力高低壓開關的操作人員必須接受相關的培訓和指導，並按照規定的流程進行操作。操作前，必須鎖定和標記設備，以便確保人員的安全性。操作流程必須清晰明確，必須有詳細的操作指南和標籤，確認危害能量源已控制，避免意外啟動危害能量源造成人員傷害，才可以進行設備維護、維修及安裝的工作(圖2)。依臺灣輸配電設備裝置規則第64條-3，裝設於一般人員可觸及處之開關操作裝置，應於每一操作位置均能予以上鎖。使設備開關斷電、遵循適當的上鎖/掛牌程序並驗證沒有電壓是實現此目的的關鍵。職業安全衛生設施規則第十章-電氣危害之防止，第二節-停電作業，第254條開路之開關於作業中，應上鎖或標示「禁止送電」、「停電作業中」或設置監視人員監視之。

圖2、安全上鎖掛牌能量控制程序

2.2 ANSI/ASSP Z244.1, NESC C2-2012, NFPA 70E型式認證

除了OSHA 29 CFR 1910.14(LOTO)有關電力高低壓開關操作安全防護管理規範，國際上也有許多有關電力操作安全的法規，皆是旨在保護免受電力操作帶來的危險，並確保電力操作的安全運行的重要依據，它們之間有許多相似之處，但也有一些差異，以下舉例ANSI/ASSP Z244.1、NESC C2-2012、NFPA 70E型進行比較：

• ANSI/ASSP Z244.1標準為美國安全工程協會(American Society of Safety Professionals)所制定，當中規定了通過上鎖/掛牌措施和替代方法控制危險能量的要求。解釋藉由三種不同方法(鎖定(主要方法)、掛牌或替代方法)應用於建築、安裝、維修、調整、檢查、排除干擾、測試、故障排除、清潔和拆卸機器、設備或過程等活動。
• NESC C2-2012為美國國家電氣安全代碼(NESC)所制定，主要針對電力系統的設計、安裝、操作和維護的安全要求，內容涵蓋了保護人員免受因安裝、操作或維護 而引起的危險的基本規定。
• NFPA 70E，即《工作場所電氣安全標準》，由美國國家消防保護協會(National Fire Protection Association, NFPA)制定和發佈的一份綜合性安全標準。它提供了保護員工免受電氣危險的指南和要求，以防止受傷和死亡。內容涵蓋與電氣安全相關的工作實踐、維護要求、培訓要求和個人防護裝備(PPE)的選擇和使用。基於執行的電氣工作類型和存在的電氣危險級別，要求進行危險評估、安全工作實踐和PPE選擇。它還包括電氣安全培訓和電氣安全計畫開發和實施的指南。

以上關於電力高低壓開關操作安全防護管理規範，旨在供電氣工人、雇主和安全專業人員使用，以確保電氣工作安全進行，並符合相關法律法規。

2.3 歷史事故案例探討

以友廠案例為鑑，在執行高壓設備保養期間，保養人員在廠務人員現場整備期間，未經同意便進行電力操作程序：插入CB操作連桿進行測試，觸發CB本體保護機制(CB interlock off避免產生電弧)開關，導致開關啟斷。此次操作電力事故主因為 : ①操作人員未確實遵守電力操作程序，安全意識不足；②開關盤未有明顯警示標語提醒保護蓋防護(圖3)，此文將針對此事件為出發進行探討及分析(表1)。

圖3、操作人員將搖桿推入搖桿孔時，安全裝置使斷路器跳脫

表1、針對友廠事故案例進行探討(以F8為例)

3. 研究方法

關於高低壓開關操作安全，本文以硬體面及管理面兩方面進行分析，硬體面-針對台積廠區共有ACB、VCB及GCB及MCCB開關進行操作分析，管理面-以作業觀察分析電力操作可能疏失，並探討如何預防及提升管理方式，以降低操作風險。

硬體面：Type①搖桿設計於盤外操作：ABB HPA&HD4 於盤外操作均有機械連鎖防範(圖4)。Type②搖桿未設計機械連鎖：MG(Moeller)Masterpact插入轉動後會跳脫，以盤門上鎖且標示警語預防。Siemens 3WN1搖桿插入會跳脫，除盤門上鎖且標示警語，額外增加警語與保護蓋板防範，避免人員未授權直接操作(圖5)。

圖4、搖桿設計於盤外操作

圖5、搖桿未設計機械連鎖

管理面：根據台積公司發布之環安衛藍皮書-高風險作業管理辦法(參照A-RMS-07-03-207 O.I.)中定義(圖6)，有影響廠務運轉及生產風險之高低壓電力系統電力切換屬於Level2高風險作業，除廠務高風險作業權限簽認單外，需出據操作程序書相關單據，其中程序書需經副理、部經理簽認審查，要求依照程序書進行操作，電力操作過程中嚴格要求遵守五個一「一定位、一指令、一復誦、一操作、一回報」一人操作一人複誦的雙人操作程序。

圖6、廠務高風險作業管制流程^[3]

依據29 CFR 1910 LOTO標準^[2]所制定的標準電力操作及保養流程規範應包含以下內容：

1. 安排操作人員：人員應經過LOTO培訓，內容包括對LOTO程序的說明、對鎖具的使用方法的演示、對鎖定和標記設備的方法的講解等內容。此外，非台積人員禁止操作任何電力開關。
2. 通知相關人員：通知相關人員，包括操作人員、廠務人員、部門主管等。通知應包括操作設備的名稱、位置、操作時間、操作人員的名字等信息。
3. 制定LOTO程序：事前應制定LOTO程序，包括設備的鎖定和標記方式、操作流程、處理緊急情況的方案等。LOTO程序應詳細描述每一步驟的具體操作方法，並設有疑難排解程序。
4. 鎖定和標記設備：操作人員應按照LOTO程序對設備進行鎖定和標記，以防止意外發生。鎖定和標記應包括以下步驟：
   • 確認設備已斷電：操作人員應確認設備已斷電，並檢鎖定設備：操作人員應使用LOTO鎖具將設備鎖定，以確保設備在操作期間不會被意外重新通電。
   • 標記設備：操作人員應在設備周圍放置標記，以提醒其他人員設備正在操作中。標記應包括設備名稱、操作人員的名字、操作時間等信息。
   • 進行操作：操作人員應按照LOTO程序進行操作。在操作過程中，操作人員應確保安全，不得使用設備的能量源進行操作。
5. 解除鎖定和標記：操作完成後，操作人員應解除設備的鎖定和標記。解除鎖定和標記應包括以下步驟：
   • 解除鎖定：操作人員應解除LOTO鎖具的鎖定，以便設備可以正常通電。
   • 移除標記：操作人員應將設備周圍的標記移除，以提醒其他人員設備已經恢復正常運行。
   • 確認設備已恢復運行：操作人員應確保設備已恢復正常運行，並檢查設備的指示燈是否亮起。
6. 在制定LOTO程序時，需要考慮以下方面：
   • 設備的特性：設備的工作原理、能量源、危險性等特性均會影響LOTO程序的制定。例如，如果設備具有高壓電能，則需要特別注意鎖定方式的安全性。
   • 操作環境的特殊情況：操作環境的特殊情況，如潮濕、高溫、有毒氣體等，會影響LOTO程序的制定。例如，在潮濕的環境中，可能需要使用防電火花的鎖具。
   • 操作流程的合理性：LOTO程序的操作流程必須合理、邏輯清晰，並能滿足操作的安全性。
   • 操作人員的培訓和指導：LOTO程序必須包括詳細的操作流程和操作要求，並設有培訓和指導程序，以便操作人員能夠熟悉LOTO程序的要求和操作方法。
   • 緊急情況的處理方案：LOTO程序必須包括處理緊急情況的方案，以便在發生緊急情況時能夠及時有效處理。
7. 實施LOTO程序時，還需要注意以下事項：
   • 嚴格遵守LOTO程序：在實施LOTO程序時，需要嚴格遵守LOTO程序的要求，不得自行更改或跳過任何步驟。
   • 確保設備已斷電：在進行操作前，需要確保設備已斷電，並使用多種方法檢查設備是否真的已斷電。
   • 使用正確的鎖具：在鎖定設備時，需要使用適當的鎖具，以確保鎖定的安全性。

掛牌及上鎖(Lockout/tagout)只是一個非常單純的動作，但是在工業安全中是非常重要的一環。掛牌上鎖為使用一個適合的工具，將已經隔離的動力源鎖上並加註說明文字，避免不知情的工作人員開啟動力，而造成人員傷亡及財物損失。任何的不小心、粗心大意、冒險、無知及莽撞的行為，有極大的可能造成生命受到傷害，甚至影響到工作夥伴的生命安全。

4. 結果與分析

管理面：現有台積電力操作程序較無明確遵照及定義LOTO上鎖掛牌程序，後續建議明列出危害能量種類與大小、緊急情況的處理方案、圖像化現場及上鎖，能夠增加電力操作期間安全核對與阻絕未授權者操作開關並且發生緊急情況時能夠及時有效處理，以LOTO標準為出發點，電力操作程序書可以參照列舉式(Long Form)、簡式(Short Form)進行撰寫(表2)。

表2、電力操作程序書-參照LOTO標準

硬體面：針對台積廠區各廠牌及類型的高低壓電力開關(共33種、26486顆)進行開關操作安全防護管理進行研究分析(表3 表4)，發現有三種設計形式具有操作風險 : 第一種為搖桿設計於盤外操作(ABB HPA/HD4 GCB)，但具備機械連鎖防呆，開關未定位至Service位置無法轉動(圖7)。第二種為搖桿未設計機械連鎖，此設計對於電力開關操作風險最大，因開關及搖桿彼此間未設計機械連鎖(Merlin Gerin Masterpact M-type/Siemens 3WN1 ACB)，如人員誤插入搖桿可進行操作及轉動，導致開關跳脫(Trip)風險(圖8)。第三種具Charge Bar MCCB投入狀態下手動儲能會導致開關跳脫(圖9)。

表3、台積各廠區高低壓電力開關統計表

表4、台積各廠區MCCB開關統計表

圖7、搖桿設計於盤外操作(左ABB HPA；右ABB HD4)

圖8、ABB HD4無機械連鎖無法轉動，盤外護蓋可再加鎖強化

圖9、具Charge Bar MCCB透入狀態下手動儲能會導致開關跳脫

上述三種有操作風險之設計形式，台積共有5種廠牌，針對此形式進行風險預防措施：

1. ABB HPA高壓開關：設計於盤外操作，具備機械連鎖防呆，連鎖時開關無法轉動(用於F8及F12P3)，其中開關功能選桿位於Service位置時搖桿孔為關閉，無法插入連桿。
2. ABB HD4高壓開關：設計於盤外操作，具備機械連鎖防呆，連鎖時開關無法轉動(用於F8、F12P3及F15P12)，但可插入連桿，因此增加鎖頭強化。
3. Merlin Gerin Masterpact M-type ACB低壓開關。開盤後插入轉動後會跳脫(用於F2, 3, 5, 6, 8, F12P123, F14P12廠區)，防範方式採取盤門上鎖，盤面張貼警語防範並增設保護蓋強化。(圖10)

   圖10、Merlin Gerin Masterpact M-type ACB：防護蓋保護/張貼警語防範

   
4. Siemens 3WN1 ACB低壓開關，送電中開盤插入搖桿即跳脫(用於F8)，除盤門上鎖盤面張貼警語防範，並增設防護蓋保護。(圖11)

   圖11、Siemens 3WN1 ACB：張貼警語防範，並增設防護蓋保護

   
5. 在MCCB開關上增設警語，提醒及避免人員在開關投入狀態下進行儲能操作(圖12)。

   圖12、MCCB開關增設警語：避免在開關投入狀態下進行儲能操作

   

5. 結論

所有電力事故當中，開關誤操作所造成的事故，通常由一連串事件所組成，因此各種改善及管理程序防範缺一不可，只要做對了一個程序，開關誤操作就有可能被阻止，是最有可能從一開始就可以進行避免的事故，為避免不知情的人員誤開啟電力開關，造成人員傷亡及財物損失，本文以電力高低壓開關操作安全防護管理為主題，通過探討如何落實開關操作及安全防護管理，藉由完善的操作程序：明列出危害能量種類與大小、緊急情況的處理方案、圖像化現場及上鎖、開關防護及適當的標示提醒，避免人員的誤操作，降低人員感電及下游設備故障風險造成不必要的電力操作事故。