發電機急電用量N+1備源擴建計畫

1.前言

隨著半導體廠產值快速提升，廠區用電規模有著跳耀式成長，緊急發電機供應量已漸漸達到飽和，其中DTP(設計暨技術平台)於F3架設Worldwide Server room，服務包含台中、上海、南京、SanJose、Austin、Ottawa、40家Vender、Customer及F3 DTP 350員工作人員，若廠區執行停電歲修時，將會造成所有據點無法工作。

為維持停電歲修期間重要生產機台、長時間復機之機台及 DTP Worldwide Server room不斷電，依照不足之用電需求，計畫新增2,000KW之發電機並聯現有1500KW發電機組，並將相關電力架構重新規劃，改接至CTTS(Closed Transition Transfer Switch)及PLTC(Parallel Load Transfer Control)不斷電切換系統下^[1]。

2.文獻探討

2.1 柴油發電機原理

柴油發電機的運轉，就是將柴油的能量轉化為電能。在柴油機汽缸內，經過空氣濾清器過濾後的潔淨空氣與噴油嘴噴射出的高壓霧化柴油充分混合，在活塞上行的擠壓下，體積縮小，溫度迅速升高，達到柴油的燃點。柴油被點燃，混合氣體劇烈燃燒，體積迅速膨脹，推動活塞下行，稱為「作功」。各汽缸按一定順序依次作功，作用在活塞上的推力經過連杆變成了推動曲軸轉動的力量，從而帶動曲軸旋轉。將無刷同步交流發電機與柴油機曲軸同軸安裝，就可以利用柴油機的旋轉帶動發電機的轉子，利用「電磁感應」原理，發電機就會輸出感應電動勢，經閉合的負載迴路就能產生電流。(圖1)

圖1：柴油發電機架構

2.2 不斷電系統切換

2.1.1 CTTS(Closed Transition Transfer Switch)

CTTS是利用機械式結構達到不斷電切換功能，其原理在使用控制邏輯比對台電側與急電側電壓、相角及頻率同步時，將台電側與急電側短時間並聯後切換(先投後切)，切換過程使負載不停電。(圖2)

圖2、CTTS架構

2.1.2 PLTC(Parallel Load Transfer Control)

PLTC其原理與CTTS大致相同，最大特色在於無須購置額外的電力轉換開關 (如CTTS)，利用Relay控制將台電側開關與急電側開關短時間並聯後切換(先投後切)。(圖3)

圖3、PLTC架構

3.實驗方法

3.1 緊急發電機用量

為使 DTP Server 於停電時能夠正常運轉，需維持供應相關Server機櫃用電5台約855kW、冷卻機台Server溫度之空調用電約550kW以及辦公區辦公區環境(空調、電腦、燈、冰水主機、水泵)用電約80kW，總用電需求共約1,485kW。F3於急電用量約12,000kW，相關維持生命安全系統、重要生產機台及長時間復機機台於滿載狀態下用量已達到11,866kW(98.8%)。額度僅剩134kW不敷DTP Server使用，因此規劃增設2000kW發電機組供應DTP Server使用。(圖4)

圖4：DTP Server機房

3.2 電力架構規劃

因F3的電力架構台電與緊急用電是無法併行的，所以必須透過CTTS或PLTC不斷電切換系統，進行台電與緊急用電之間的切換，DTP Server用電架構須從台電迴路改接至緊急用電迴路，因此F3將電力架構預計分三階段執行。首先執行一次性斷電施工，將既有分電盤改為固定式切換盤，設置緊急用電迴路來源開關。接著使用CTTS或PLTC不斷電切換系統下供應迴路，配電至將緊急用電迴路來源開關。最後完成發電機擴建供應，即可完成電力架構改善。(圖5)

圖5：電力架構規劃流程

3.3 發電機擴建

F3為既有運轉廠區，發電機設置有所設限，而發電機運轉重量與發電機基礎台重量合計約為23493kg，規劃擺放於F3 HPM 2F，其樓板面積載重能力為750kg/m²，經由顧問公司進行載重能力計算，發電機組所在樓板範圍約40m²，其可能重40m²*750kg/m²=30000kg>23493kg，發電機規劃位置可以承受發電機運轉時之總重量。(圖6)

圖6：發電機設置位置規劃

位置規劃完成後，發電機定位亦是困難點之一，因既設廠區無規劃吊裝口及平台，無法直接將發電機吊運之定位，在與ISEP多次討論及廠商吊運經驗下，擬定其搬運計畫，使用手動鍊條將發電機重心轉移的方式，順利將發電機定位完成。(圖7)

圖7：發電機吊裝及搬運計畫

圖7：發電機吊裝及搬運計畫

4.結果與分析

待發電機安裝完成，需進行相關供應前運轉，以確保發電機可穩定供應於緊急發電系統中。(圖8)

圖8：發電機測試流程圖

4.1 保護電驛測試

為防止電力系統發生異常(如線路短路故障)導致發電機損毀，亦或發電機組發生異常，使緊急發電系統中斷，保護電驛是不可或缺的角色，若無法及時將故障點隔離，發電機無法達到電力供應的需求，可能還導致拖垮整個電力系統的兇手。再經由測試過程，確定保護電驛的功能正常與否亦是極為重要。(圖9)

圖9：保護電驛測試相關報告

4.2 高壓電纜測試

新增發電機組電壓為4.16KV，屬於高壓電力系統，其電纜接續頭製作需有原廠認證資格人員才可施作，因在製作過程將有可能破壞電纜絕緣能力，若電纜絕緣能力遭受破壞，在發電機發電供應過程，極有可能造成危險事故或電力中斷等情形發生。(圖10)

圖10：高壓電纜測試報告

4.3 發電機單機運轉測試

最後在發電機併入F3緊急電力系統前，確認發電機運轉狀況，在運轉過程確保發電機供油系統、冷卻系統功能皆能正常發揮，且新增發電機組能夠與既有發電機組維持同電壓、頻率並聯運轉等功能。(圖11、圖12)

圖11：發電機單機現場測試

圖12：發電機單機遠端測試

4.4 發電機實際投入運轉狀況

F3於2021年執行停電歲修，新設發電機組併入既有發電機組用電量供應狀況如圖13，發電機組確實依照機組容量分配輸出，並穩定供應重要負載及DTP Server，達到停電歲修期間不斷電之需求。

圖13：F3發電機組運轉輸出功率

5.結論

停電歲修對於廠務系統的維護已是非常重要的環節，在停電保養期間，除了須維持生命安全相關設備供電，亦須維持住長時間復機機台以及重要生產機台等相關用電。本文提出的緊急電力備援擴建已於2021年F3執行停電歲修時，證實緊急電力用量足夠供應目前重要設備之用電量。