Fab12P1/2年度維修報告與電纜VLF檢測技術分享

1.前言

F12P1/2廠區為台積公司第一個12吋晶圓廠，同時也是台積公司總部，於2000年成廠迄今已進行過9次年度歲修保養，依據廠務電力系統歲修規範定義電力設備APM保養項目與施作週期，2022年開始三年一輪歲修模式為小P、小P、大P，依此規則逐年規律化執行所有變電站停電保養，本次停電保養單邊高壓變電站，工廠單迴路供電可持續生產。

有別於新廠高壓電力設備設計皆採用定型通過的C-GIS高壓瓦斯絕緣開關，F12P1/2高壓與急電配電盤為傳統高壓盤設計，體積大數量多且分散，因此APM專案特別召集竹、中、南三家負責歲修之機電顧問公司共同進行保養，人員安排與控管工程進度更具挑戰性，動員63位台積工程師，協力圓滿完成本次F12P1/2歲修。

2.歲修計畫

本次F12P1/2 APM執行50%高壓電力設備保養(如圖1)，保養項目共13工項，上至161KV GIS，下至22.8KV模鑄式變壓器等，共花費6/14-6/16三天完成此範圍歲修。

2.1 APM人員組織架構圖

歲修組織分成兩大類，一類為歲修工程分組(如圖2)：FMCS組負責SCADA/廣播/戰報，並將現場狀況彙整給電力組長與總指揮，CUP 161 kV GIS/MTR組負責161kV GIS & MTR保養與回報，CUP/FAB SWGR組負責各變電站SWGR/XTR保養與回報，電力值班組支援歲修時程外的值班人力；另一類為歲修切換分組，因切換分布於廠區的27間變電站，共影響開關多達121顆，避免切換時間過長疲累產生MO影響生產，因此開關操作分為三組(如圖3)，並對應各自SCADA人員。

2.2 APM Utility供應狀態表

電力切換可能造成電壓波動，導致機台FDC告警，為減少此現象，提前在歲修前將C-UPS全數切至INV mode(如表1)；並查詢四週內P12共56套低壓電盤的電壓狀況，發現有18套曾經低於baseline，因此在Power SCADA設定該18套低壓電盤的低電壓預警報，若預警報發生則即時調整OLTC確保供電電壓穩定。

2.3 APM保養維護工程總表

本次F12P1/2 APM保養項目共13工項(如表2)，保養設備為161KV GIS、主變壓器、保護電驛、22.8KV SWGR、DS、NGR、VCB、GCB、Cable、模鑄式變壓器及兩項CIT改善。

2.4 APM人員管控表

APM參加人員總計234人次(工程師63人，廠商171人)，透過廠區變電站地圖及電力系統單線圖劃分工程師負責區域，並於各變電站門口，提供各變電站工項的工程進度甘特圖(如圖4)，確保當區工程師明確了解執行PM項目與時間，有效做到PM時間控管避免延遲APM結束時間，並控管施工人員，避免MO風險控管。

2.5 APM安全宣導

F12P1/2 APM列出8點安全宣導事項，大致為防疫相關規定、個人安全守則、確保施工品質等，並於開工前工具箱會議進行兩次宣導，第一次由tsmc宣導(如圖5)，第二次由廠商負責人宣導，確保所有施工人員在施工前皆有工安意識，才能順利圓滿完成此次歲修。

3.執行成果

本次保養共執行13項PM作業，除主變壓器OLTC吊出點檢因下雨，濕度達到86.1%未施作外，其餘皆順利完成。

3.1 APM當日工程進度管控表

為掌握工程進度，預先將工程預計施作時間設計為海報形式(如圖6)，歲修當天配合現場工程師每小時回報並記錄於中控室海報(如圖7)，確保工程進度符合預期。

3.2 APM FAC Utility品質回線大盤表

透過全廠區電壓回線大盤表(如表3)，可明確看出電壓是否回復到原始供電狀態，確保APM結束後回線完成。

3.3 APM歲修保養項目完成統計表

F12P1/2共執行1742項電力設備PM及9項電力設備CIT，合計1753項(如表4)，執行率100%，不良率1.9%，除老化設備評估購置備品外，其餘缺失皆已改善完畢。

3.3.1 161kV主變壓器維護保養檢討

MTR共2顆，2022預計施作MTR1顆，PM內容:主變壓器清潔保養，保護電驛測試，OLTC吊出點檢換油，但當日下雨濕度>80%取消(如圖8)，且F12P1/2排定6月歲修高機率為梅雨季節，因此建議此項目另外排定旱季OLTC吊出點檢換油。

建廠至今首次執行MTR線圈電阻量測耗4小時(如圖9)，量測結果皆正常。本廠變壓器高壓線圈額定電流為220A；因此測試電流採用16A @ 340VDC/1-phase, below 15% of rated winding current 220A。因必需連接GIS_TE取得高壓側接點，以藉由切換17段OLTC量測三相線圈電阻(如表5)，每段15分鐘。造成量測期間GIS PM中的RCP連鎖跳脫與開關動作、二次側電纜VLF量測作業會無法施作。通常會在OLTC不常使用分接頭位置，因接點表面油膜造成線圈電阻離群。在量測開始前，士林電機會操作OLTC由最低逐段切換至最高位置數次，確保分接頭油膜不影響量測。若APM時間不足，士林原廠建議可以量測OLTC最高最低&常用檔位做量測節省時間。

3.3.2 主變壓器二次高壓電纜異常檢討

F12P1/2 MTR1 22.8kV輸出側配置每相5條電纜，總計15條作為本次歲修VLF-Tan Delta量測。所安裝的22.8kV電纜為太平洋2000年製XLPE/ 1C/ A043型250mm2，連續使用90℃、緊急過載130℃、5秒瞬時短路250℃。在Mean VLF-TD發現R4、R5已離群(如圖10)，可評估預置電纜避免影響半廠供電。

VLF耐壓量測，在IEEE 400.2 2013建議加壓時間為30~60分鐘。只可量測電纜是否能夠使用，其有效測量長度30 m (100 ft) 到 > 3 km (> 10000 ft)。但無法量測單條電纜損失、水樹、電纜局部絕緣的好壞；需進一步透過Tan Delta量測，因此本次歲修採取VLF-Tan Delta量測主因。

VLF-Tan Delta量測每條電纜量測時間約10分鐘(系統電壓13.2kV為U0，分別以0.5U0 / U0 / 1.5U0 [6.6kV/13.2kV/19.8kV] )，每個電壓等級量測10 點，每點10秒。每條量測30點Tan Delta做計算；共計三相15條作VLF-Tan Delta量測，需使用180分鐘取得電纜老化數據；在Mean VLF-TD發現R4、R5(紅點)已離群，可評估預置電纜(綠點F6新電纜)，下次VLF-TD量測失敗更換。

3.3.3 高壓盤接地線未鎖固及電纜連接處螺絲崩牙處理

配合高壓每年高壓A/B line檢測保養，2022保養A line 199盤，PM內容:盤體清潔點檢/綜合接觸電阻/絕緣電阻測試、LA測試/拆除、PT點檢及測試、CT點檢及測試。發現2點高風險及1點低風險立即改善:FBC-01-NH-2迴路盤後接地線未鎖固在接地銅排，接地線脫離接地銅排會造成高壓電纜頭產生放電造成短路電力事故(如圖11)；B3M-01A-EH-1二次側電纜螺絲連接處螺絲崩牙，已更換螺絲，若高壓電纜接點螺絲崩牙無法提供地震鎖固，供電中發生地震時高壓電纜接點容易脫落而產生電弧引發電力事故(如圖12)；B3M-01A-EH-2 VCB底座設備接地線破皮，已包覆完成(如圖13)

3.3.4 VCB彈簧夾爪氧化與輔助接點電阻異常檢討

變電站VCB開關本次A-line保養共125套，佔全廠區43%(=125/291)。保養前後可看出明顯差異(如圖14)，檢測發現其中9台VCB共11組輔助接點電阻偏高異常(如圖15、表6)，高風險有2台F1R-01A-NH-1/2 VCB，1組為OFF盤面燈號、1組為開關狀態回傳Relay，可能造成AUTO-TIE轉供邏輯判斷失效，造成變電站單邊斷電故障無法自動復電。另7台VCB計9組為空點未使用屬於低風險；進階利用5大指標確認全廠區VCB性能狀況-投入時間、跳脫時間、儲能時間、接觸電阻、輔助接點電阻(如圖16)，往後APM累積保養數據建立資料庫追蹤與進行老化分析。

3.3.5 GCB輔助接點電阻異常檢討

變電站GCB開關本次A-line保養共2套，PM內容:斷路器機構保養、斷路器套管清潔、底座導軌機構潤滑、清潔。斷路器測試(絕緣電阻、接觸電阻、輔助接點量測(如圖17)、三相動作時間及馬達/線圈特性檢測(如圖18)、底座接觸電阻)。

機構清潔潤滑等基礎保養可以看出夾爪潤滑油氧化變質，透過清潔保養後可以明顯看出差異(如圖19)，斷路器測試更發現其中1台GCB共2組輔助接點電阻偏高異常，查照高壓盤控制圖分析2組輔助接點分別為1650TE連鎖及空點未使用，對GCB本體性能不造成影響，但因全廠區共3台此型式GCB位於電力系統最上游，已使用二十餘年，評估購買備品的可能性。

3.3.6 模鑄式變壓器溫控線束線帶脆化斷裂與接地線鎖固不良檢討

變電站模鑄式變壓器分成兩大系統，A-line保養共51套，測試35套；發電機保養測試13套，總計64套。PM內容:盤體/錫鬚清潔、螺絲鎖固、變壓器絕緣電阻/電力因數/勵磁電流。保養過程發現三點:模鑄式變壓器-溫控線固定束線帶長期受熱脆化斷裂(如圖20)，已全數更換新品；模鑄式變壓器-接地線鎖固建廠Day1有定磅劃線痕跡，卻無確實鎖固(如圖21)，已重新定磅劃線；模鑄式變壓器-接地線Day1未使用束線帶固定(如圖22)，已重新固定。

3.3.7 急電高壓礙子絕緣電阻劣化異常檢討

保養發電機站模鑄式升壓變壓器13套，佔全廠區72%(=13/18)，其中絕緣電阻試驗全數未通過(如圖23)，依照用電設備檢驗標準公會版-2020-11(修訂版)標準為測試電壓10kV，測得電阻值>1000MΩ(如表7)，因發電機房為半戶外空間，環境較潮溼，高壓支持礙子出現表面積污、霧化現象(如圖24)，已完成礙子全數汰換，共18台 (90顆礙子)，經後續多次絕緣電阻試驗複測後確認成效符合標準(如表8)。參考台電保養規範，其礙子需進行目視點檢&清潔(新品1年，爾後每6年)，倘若礙子表面出現霧化或外觀破損或使用達15年，一律汰除；經考量比照台電作法，建議搭配發電機年保清潔，延緩老化。

4.檢討傳承

4.1 電纜極低頻檢測技術使用與成效

此工項Lesson learn為MTR二次側電纜執行VLF檢測，拆線時參照 F6防護Lesson learnt (套管防護)。實際在P12使用上因二次側電纜為下進線設計(如圖25)，發現高安使用75cm PVC管安裝套入前，需彎曲cable，此舉容易影響cable整直率及損傷引接箱礙子。建議電纜頭防護套管 材質選用EPR熱縮套包覆，並以束線帶綁定可達保護與絕緣的效果。

對於VLF耐壓、VLF-Tan Delta量測兩者量測原理與差異，收集相關資訊說明如下:XLPE電纜理論上有極高的使用壽命，現場使用受到熱應力、機械破壞(彎曲、擠壓)、附件安裝瑕疵，降低使用壽命。因此電纜絕緣瑕疵可分為本體瑕疵(水樹)及局部瑕疵(終端&直線電纜頭、彎曲造成氣泡、本體擠壓)，如圖26所示。

電纜壽命常以浴盆曲線表示，左端為新品初期施工或本體故障，右端為末期老化故障高風險區。傳統依電纜送電時間作TBM更換，會耗費大量金錢與成本，後續帶來新品故障風險，影響運轉穩定度。此次歲修VLF-Tan Delta量測，依IEEE 400.2-2013，sin波測試電壓可明確區分PE類電纜的三個狀態，作後續的維護，如表9所示。

電纜耐壓測試可分為DC與AC，DC耐壓測試設備小巧便宜，但會使電纜絕緣產生充電極化，後續投入AC電源有超過絕緣耐壓風險。且傳統AC耐壓屬破壞測試，60Hz加壓電源CR體積龐大，才能於電纜上建立測試電壓。不適合現場運轉中電纜測試。但先進的VLF 0.1Hz的AC耐壓測試，只需數十mA就能夠建立測試電壓，容易攜帶於現場。若量測絕緣失效，其測試輸入的低能量無法對測試電纜造成破壞，屬於無損試驗。

在圖27 所示，不同頻率電源建立測試電壓比較0.1Hz的sin / cos rectangular對電纜加壓速率與50Hz近似；在0.01Hz的sin建立3倍測試電壓速度只有0.1Hz的1/10倍，這表示0.01Hz檢測時間需增加10倍。同理傳統在U0*√3 AC耐壓(IEC-60502-2)所需5分鐘，0.1Hz需增加至15分鐘以上才能建立電壓，這也是VLF耐壓量測需要更長時間的主因，在IEEE 400.2 2013建議加壓時間為30~60分鐘。

更重要的是VLF耐壓只能量測電纜是否能夠使用，其有效測量長度30 m (100 ft)到>3 km (> 10000 ft)。因此無法量測單條電纜損失、水樹、電纜局部絕緣的好壞；需進一步透過Tan Delta量測，區分電纜的三個狀態，作後續的維護。因此F12P1/2未採用VLF耐壓量測，而採用可以得知每條電纜絕緣特性的VLF-Tan Delta量測。

IEEE 400.2-2013認可的0.1Hz的測試電壓波形有兩種，分別是sin(橘) / cos rectangular(黑)，如圖28所示。其中cos rectangular較sin測試波形有較高的測試電容(電纜測試長度增加)、RMS電壓(3 U₀RMS = 2 U₀AC_peak)、新增洩漏電流量測與Damped AC波形的PD量測(IEEE 400.4)、與電源頻率相同的極性變化。但缺點是無法進行TD量測以及高單價與更笨重的設備。

新品電纜的絕緣阻抗應為無限大，測試電流I應該只有容性電流I_C的成分，隨著時間老化，絕緣阻抗開始降低會產生阻抗電流I_R。只有透過sin測試電壓波形，阻抗電流I_R的大小會正交於容性電流I_C，如圖29等效電路所示，若阻抗電流I_R增加，與容性電流I_C的夾角tanδ增大。這表示Tan Delta測試只能採用sin測試電壓波形。採用夾角δ統計，作為電纜局部絕緣好壞的判斷。由此可知IEEE 400.2-2013定義電纜逐條量測，是因為多條電纜並聯造成容性電流I_C過高，與單條電纜絕緣瑕疵所產生的阻抗電流I_R的夾角tanδ變小發生失真。

Mean VLF-TD:依IEEE 400.2-2013規定，採用0.1Hz sin測試電壓波形，分成三次0.5 U₀、U₀、1.5 U₀加壓等級，每個等級量測10點tanδ，每點10秒。最後將30點tanδ作平均，如圖30所示:

Difference VLF-TD(Tip up)/ VLF-DTD:將0.5 U0與1.5 U₀中的20點tanδ，取0.5 U₀平均與1.5 U₀平均相差，如圖31所示:

VLF-TDTS(Time Stability):將0.5 U₀、U₀、1.5 U₀中30點tanδ，取等級分布標準差，如圖32所示:

依IEEE 400.2 2013，0.1Hz sin波測試電壓所量測到上述3個參數，如表9所示，A. No action require：電纜絕緣沒有嚴重瑕疵，Magger儀器商統計，4年後再行量測，是低於APM TEAM建議每6年量測週期；B. Further study advised：意味著電纜系統具有異常高的一處瑕疵，可能表明絕緣狀況不佳特性，應考慮在測試後採每月一次以上量測或排定不久的將來立即更換或維修；C. Action required：絕緣能力極差，無法使用需更換。

在F12P1/2的R4、R5平均TD值大於3，已接近4的限制值，建議預置兩條電纜，在下次6年量測週期TD>4可立即更換(如圖33所示)藍色電纜在1.5 U0所對應TD與紅黃綠三條電纜離群，但評判結果為No action require，如F12P1/2的R4、R5兩條電纜，IEEE Std 400.2™-2013提及可提高電壓至2 U0加速老化測試，如藍色電纜TD>4建議改列為Further study advised.

4.2 Power BI統計資料視覺化分享

F12P1/2 APM首次進行A-line不停電保養，因保養設備數量龐大，引用Power BI來幫助各項統計資料視覺化(如圖34)。使用各個PM項目完成時間，參考實際變電站各盤的LAYOUT，決定各PM 工項的開始盤名與開始時間：可以避免變電站同時開始多項PM 影響當區工程師品質控管與施工風險。並得知每日開工變電站區域與PM 項目。請當區工程師確認廠商準時開工，避免延誤APM 結束時間。

5.結論

依據FAC Power APM Ground Rule，F12P1/2首次執行三年一輪歲修模式，透過PBI模擬工程進度，得知合理APM時間由原本單日延長為雙日，已順利完成50%高壓設備停電保養，也將異常順利改善完成。感謝APM team支援GCB與VLF試驗所需廠商的調度；新竹廠區同仁在切換或保養上強力支援，讓此次APM順利完成。