FPB ATS電源改接作業安全管理

1. 前言

FFU(Fan Filter Unit)為潔淨室空調系統的重要設備，用以過濾潔淨室空氣中的粉塵顆粒，提供潔淨空氣作為循環使用，並維持潔淨室環境(壓力、溫度、濕度)^[1][2][3]，如 圖1所示。目前FFU供電架構為單迴路電源，當變電站停電歲修時，部分區域FFU因斷電而無法維持正常風量，導致停電期間潔淨室環境偏離基準(Baseline)，甚至可能超出控制(Out of Control, OOC)或超出規格(Out of Specification, OOS)，進而延長恢復生產所需時間。FFU電源架構改接ATS可提高供電可靠度，但電源改接期間必須盡可能縮短作業時間以避免FFU停電過久影響潔淨室環境供應，因此需於歲修期間以短暫停電的方式進行電源改接，如何讓作業人員在分秒必爭的時間內，安全且有效率的完成電源改接是一個需克服的挑戰。

圖1、潔淨室主要空調設備

2. 文獻探討

根據建廠RFP(Request for Proposal)^[4][5][6]，僅定義FFU系統需有兩個獨立迴路電源，並未明確定義FFU雙電源配置的細節或規範。一般而言，廠務FFU由FPB(FFU Power Board)供電，每一個FPB分路(單相277V)對應一個FFU群組，每一FFU群組約有數十個FFU單元，每一區域的FFU會分別由兩個FPB盤供電，且相鄰的兩個FFU必定是來自不同FPB供電，此架構符合電源分散原則^[7]，如 圖2所示。

雖然目前的FFU的電源配置為電源分散架構，但當單一FPB供電異常時，仍會使得該區域一半的FFU失效，潔淨室循環氣流將產生短循環現象，如 圖3所示，導致供應潔淨室風量驟減，無法維持該區域的溫溼度。

圖2、FFU電源配置

圖3⒜、正常循環

圖3⒝、短循環

FPB供電架構如 圖4所示，由上游到下游分別是低壓變電站分路、廠務配電盤SWB(Switch Board)、隔離變壓器，最後到FPB。FPB整體供電架構由單一電源迴路構成，只要該供電迴路失效，下游所有FFU將停止運轉。因此，當歲修低壓站整站停電期間，停電區域的FFU會有一半失效，導致該區域環境供應無法維持穩定。

圖4、FPB供電架構

3. 研究方法

3.1 ATS供電架構

為了改善供電可靠度，雙電源架構是一種常見的改善方式，可防止單一電源失效造成下游設備停擺。而在雙電源架構中，若用電設備可承受短暫停電，ATS(Automatic Transfer Switch)是一種常用的解決方案^[8]，其基本架構如 圖5所示。傳統上ATS有2個輸入接點與1個輸出接點，2個輸入接點分別稱為主要供電側(Primary Side)與備用供電側(Secondary Side)，主要供電側一般會接到主電源迴路或者市電迴路，備用供電側會接到備用電源迴路或者緊急發電機迴路，輸出接點則接到用電負載。ATS的最大特點在於主要供電迴路與備用供電迴路彼此之間有機械或電氣聯鎖(Interlock)而無法同時供電給負載，此聯鎖主要目的是為了避免主要供電側與備用供電側可能在不同步的情況下直接併聯，不同步的兩個電源強行併聯可能導致電力短路事故以及雙電源同時失效。因此，選用ATS作為雙電源架構，亦可符合本質安全設計，避免因人為誤操作導致可能的電力短路事故。

ATS的動作邏輯如 圖6所示，正常供電情況下，負載由主要供電側供電，而備用迴路至負載則處於開路狀態；當主要供電側停電而備用供電側電源供應正常時，ATS會自動將負載切離主要供電迴路，經過短暫的延遲時間後，再自動將負載切至備用供電側。這樣的自動切換機制，可讓負載遭遇主要供電側停電事故時，迅速切換至備用電源復電而無需人為介入。

綜合上述，ATS供電架構可主動避免人員操作時誤切開關造成短路或供電中斷的風險，同時，其自動切換的機制亦可簡化人員操作程序，大幅提高作業安全。實務上，ATS架構經常被應用在緊急消防設施之供電，例如消防泵浦、排煙系統等，其主要供電側由市電供電，備用供電側則由緊急發電機供電。當火災發生時，市電可能因火災而失效，此時可自行發電的柴油發電機便可充當備用電源，透過ATS備用電源側供應電力至消防泵浦或排煙系統而維持緊急消防設施的功能。同理，工廠歲修期間，若FPB上游電力設備需停電保養，此時可在FPB上游新增ATS，讓FPB自動切換至其他正常供電的迴路，避免潔淨室環境於歲修期間失控，同時降低人員切換操作風險。

圖5、ATS供電架構

圖6、ATS動作邏輯

3.2 FPB電力架構導入ATS

FPB供電架構導入ATS如 圖7所示，其中ATS設計於隔離變壓器與FPB之間，該架構需擴充一套ATS以及一只隔離變壓器，如此一來FPB形成完全的雙電源供電架構。若將ATS設計在SWB與隔離變壓器之間，如 圖8所示，雖然可以節省一只變壓器的費用，但如遇到隔離變壓器需停電保養或異常時，仍會造成FPB電源失效。

值得一提的是，早期對於雙電源架構的設計思維較不嚴謹，可能會將雙電源分別規劃於同一低壓站的A邊及B邊，此架構稱為1A1B(同站不同邊)，此種狀況下若低壓站半邊停電，仍可維持單邊供電給負載。然而近年數起案例顯示，某些電力異常情況，可能導致整站低壓站雙邊同時停電，如此一來，1A1B的雙電源架構已無法滿足穩定生產所需的供電可靠度。如今對於雙電源架構的設計思維已進化至1A2B(不同站且不同邊)的水準，可降低低壓站整站停電造成之衝擊，因此在規劃FPB ATS備用電源時，需以1A2B的方式設計。1A1B與1A2B的雙電源架構如 圖9所示。

圖7、FPB供電架構導入ATS_設計1

圖8、FPB供電架構導入ATS_設計2

圖9、1A1B與1A2B雙電源架構

以F14B廠歲修作法為例，在歲修前分批完成ATS相關硬體之預置與測試，避免於歲修當天大量施工以降低施工風險，歲修當天僅需少量人力即可於短時間內完成線路改接，提高作業安全及電源改接效率，歲修前預置狀態如 圖10所示，其中ATS備用電源側上游新擴充盤體在預置完成後需先完成送電前檢查，如此可縮短歲修當天作業時程。FPB ATS改接期間，FPB需暫時停電，因此FPB ATS改接作業需盡可能於越短時間內完成，避免因停電改接作業造成潔淨室環境大幅偏離基準。

改接作業前需先與機械課確認可進行斷電施工後，至FPB上游既設SWB對應分路切離分路開關並上鎖及掛牌標示下游施工，接著到FPB開盤以驗電筆或電表確認主開關一次側無電，並將FPB主開關切離以避免可能的逆灌電力造成施工人員危害。上述步驟完成後，施工人員至隔離變壓器驗電確認無電後，再將隔離變壓器一二次側確實掛接地，作為第二道感電防護措施。接著依序進行FPB主開關一次側舊線路退線與新線路結線(from ATS輸出側)、送電前檢查，完成FPB主開關一次側線路改接後，至既設隔離變壓器A依序進行二次側舊線路退線與新線路結線(to ATS主要供電側)、送電前檢查。上述作業完成後，確認無工具及物料遺留於變壓器盤內後，移除隔離變壓器A一二次側接地線，再分別至ATS主要電源側與備用電源側上游SWB投入分路開關送電，回到ATS盤確認雙電源均供電正常後執行ATS輸出開關投入，接著至FPB主開關一次側量測三相電壓。

FPB主開關一次側受電持壓後，進行ATS功能測試，將ATS主要供電側上游SWB分路切離，模擬主要供電側斷電，確認ATS自動將負載切換至備用電源側供電；接著再將ATS主要供電側上游SWB分路投入，確認ATS自動將負載切回至主要電源側供電。歲修當天每盤ATS改接及測試作業約需耗時30分鐘，完成後便可請機械課恢復FFU供電。

圖10、FPB供電架構導入ATS_歲修前預置狀態

4. 結果分析

4.1 歲修案例分析

F14P6、F14P7歲修期間FPB電源改善案例分別如 圖11、圖12所示，可看出歲修施工改接過程潔淨室環境仍保持在spec內(溫度介於20℃~24℃、相對溼度介於37%~49%)，施工期間環境的影響程度取決於FPB停電改接的時間，因此盡可能在預置階段完成相關標示及測試可有效降低環境影響程度。

圖11-1、F14P6歲修期間潔淨室溫度變化_1

圖11-2、F14P6歲修期間潔淨室溫度變化_2

圖11-3、F14P6歲修期間潔淨室相對濕度變化_1

圖11-4、F14P6歲修期間潔淨室相對濕度變化_2

圖12-1、F14P7歲修期間潔淨室溫度變化_1

圖12-2、F14P7歲修期間潔淨室溫度變化_2

圖12-3、F14P7歲修期間潔淨室相對濕度變化_1

圖12-4、F14P7歲修期間潔淨室相對濕度變化_2

4.2 異常案例分析

2021/4/2大夜班期間F14P6發生廠務SWB供電異常，造成低壓站ACB跳脫，導致下游空調設備斷電，由於該SWB下游FPB已於去年歲修時完成ATS電源改善，FPB自動由ATS切換至備用電源供電，因此SWB斷電後FFU並未失效，此一自動轉供設計減輕值班人員應變負荷，避免人為操作失誤可能，並得以快速恢復環境供應。圖13顯示SWB供電異常時，潔淨室溫濕度受低壓站ACB跳脫影響僅有微幅變化，驗證FPB加入ATS改善供電可靠度之效果。

圖13、F14P6 SWB供電異常案例

5. 結論

本文以實際案例分享電源改接作業之安全管理措施，同時考量本質安全設計及作業安全管理以降低人員操作及作業風險，在短暫的停電時間內，安全且有效率的完成電源改接作業，此作業安全管理模式可供各廠歲修執行FPB ATS電源改接作業之參考，可於停電改接作業期間維持潔淨室之環境，另有實例驗證FPB ATS供電架構遇供電異常時，亦能有效降低應變人員負荷，於短時間內恢復環境供應水準。FPB加入ATS改善之作法，已列入各既有廠待執行事項，配合歲修停電完成FPB供電架構改善，建議未來新廠亦可參考此架構規劃，盡可能一勞永逸的減少例行停電歲修對生產線造成之衝擊、降低廠務調度負荷、強化作業安全，達成生產與維運雙贏的目標。