Fab15P12年度維修報告與GIS儲能機構異常處理分享

1.前言

F15P12為台積公司於中科園區建立的第一座超大晶圓廠(Giga Fab)，主要製程為28及22奈米；於2011年成廠至今，已執行過2次歲修。F15P12電力設備有別於其他廠，在主變壓器部分採用華城公司生產的電力油式變壓器，另外，在C-GIS部分，亦首先導入西門子第一代定型高壓瓦斯絕緣開關。

過往台積各廠區歲修週期不一且台積廠區日漸增多，為將各廠區歲修執行差異最小化及歲修資源有效利用，2022年啟開始依照新版電力系統歲修規範執行三年一輪歲修計畫，以統合歲修執行工項、範疇、執行時間，避免各廠區之人力、物力分散使用造成各自歲修資源短缺，並將對廠區生產影響降至最低。

2.歲修計畫

F15P12為全台積首先依照新版APM Rule執行廠區，主要工作於2022年1月開始準備，至4/12正式執行歲修工作。F15P12四座主變壓器架構依初始規劃可分為3天進行系統停電保養，並且規劃於第1天進行發電機高壓系統保養，做為正式歲修前熱身，讓人員進入歲修狀態。

2.1 作業範圍

F15P12規劃兩輪三年歲修共4次小APM，如圖1所示，完成全廠區100%高壓電力系統範圍，2022年本次則執行25%高壓電力設備保養。25%高壓系統劃分，以MTR迴路為主對應本次的C3R-NH-100下游迴路及對應緊急發電機系統，為本次APM主要範圍。

圖1:Y2022 F15P12小歲修系統單線圖 & 施工內容

2.2 作業項目

本次年度維修包括4項保養項目(GIS、MTR、C-GIS、高低壓設備)與4項改善工程(變壓器抗震基座、高壓PT+Fuse、Dual Relay tie-in及低壓盤錫鬚清理)，如表1所示。

2.3 作業時程

依照APM規範，小歲修單次12小時，主力施工兩日為4/13、4/14，切換由08:00 ~ 09:30完成中低壓站轉供(1.5Hr)、09:30 ~ 10:00完成161kV GIS操作(0.5Hr)，工程時間10:00~18:00 (8Hr)，18:00開始復歸比照上午時程，操作2小時至20:00復歸正常供電狀態，如圖2所示。

圖2:F15P12 歲修主要時程表 (Day_1 & Day_2 為例)

2.4人員組織編排

首先電力系統切換，人員編制考量人員對現場走位熟悉度避免移動時間過久 ，並由老手帶新手，避免該組成員皆由資淺同仁組成。
第二部分現場監工小組，以各工項指派專責小組施工確保施工手法統一 ，並由F15B資深工程師支援，強化施工專責小組之戰力，人員小組規劃如表2所示。

2.5 APM安全宣導

歲修為確保順利執行，各承攬商於統一時間開立工具箱會議，如圖3所示，再由各施工小組負責人進行二次工具箱宣導並強調開關操作及開盤驗電皆須會同台積工程師執行；作業期間恰為新冠疫情再次升溫之時，除宣導廠區防疫規定之外，並於各電氣室門口放置酒精噴罐供人員進出時消毒。

圖3:F15P12小歲修開工前工具箱會議宣導

3.執行成果

3.1 APM工程進度管控表

本次歲修廠商人力149人及中科廠務電力人員73人次，切換高/低壓系統總計執行983項操作步驟，F15P12由於為四座主變壓器廠區，規劃兩輪三年歲修共4次小APM完成全廠區100%高壓電力系統範圍，2022年本次則執行25%高壓電力設備保養。每日整點由當戰負責工程師回報當日工程進度，確保當日PM項目與時間是否如期，有效做到PM時間控管，如表3所示。

表3:F15P12 APM 工程進度管控表(Day_3 為例)

3.2 APM FAC Utility品質回線大盤表

歲修保養透過電力系統轉供，FAC Utility供應皆正常，如表4所示。為了確保工廠於歲修期間，切換高/低壓系統總計執行983項操作步驟，UPS 切換 122台，透過 OLTC調整、UPS 切至 INV、低壓站電容盤投切等調整機制，達到電力供應品質無虞，如圖4所示。

表4:F15P12 FAC Utility供應狀態表 (Day_1/Day_2 為例)

圖4:F15P12 APM 期間電壓 Trend Chart

3.3 APM執行項目完成統計表

F15P12本次共保養148項設備，其中發現5項異常需改善項目，如表5所示，包括161kV GIS斷路器儲能異常，高壓保護電驛(Relay)功能失效，及發電機傳統高壓盤內銅排礙子固定破損、高/中風險電盤高風險錫鬚以及半戶外型模鑄式變壓器電力因數異常。

3.3.1 161kV GIS斷路器液壓儲能機構異常與儲能裝置異常

161kV GIS保養規劃將各BAY分拆四次完成，本次規劃為Q01、Q03兩個BAY保養維護，PM內容包含：SF6氣體檢測、開關(CB、DS、ES)性能檢測、保護電驛試跳、控制線路端子台檢查；共發現2項問題：A.Q04/BP01氣室SF6露點溫度-8.7℃ (spec -4.1℃ @室溫26℃) B. 161kV GIS斷路器液壓儲能裝置異常。

(A)異常 Q03 BAY CB操作機構檢查異常

Q04/BP01氣室為斷路器，如圖5所示，露點溫度受氣室含水量影響，若氣室含水將使開關切換時之電弧與水發生化學反應產生氫氟酸(HF)，對電氣設備有害，該氣室露點溫度-8.7℃雖仍在原廠標準，如圖6所示，且氣體濃度(99.9%)及SO2含量(< 0.5ppmV)皆正常，但對比前次2015年紀錄為-15.4℃明顯劣化，討論可能原因為氣室內乾燥包失效，導致水氣吸附效果變差，原廠建議作法將該氣室洩壓開蓋更換乾燥包後抽真空回填SF6，此法須將Double Bus停電，避免氣室壓差過大使隔板破裂，但須全廠停電施作對生產影響甚鉅，目前計畫次年歲修逐步抽氣置換新SF6以維持性能，將再研議更適當做法。

圖5:Q4/B01 SF6氣室位置

圖6:2022年度 GIS各氣室SF6檢查結果

(B) 161kV GIS斷路器液壓儲能裝置異常

F15A於例行性161kV GIS巡檢，抄表紀錄整理發現Q03 BAY之油壓泵浦作動次數於2021年9月 ~ 2022年2月動作次數相較於其他CB較高，如圖7所示，由每月原本每月3~5次上升至每月15~20次，對照原廠手冊規範，單日作動>20次或是單月作動>600次判定為異常，如圖8所示，現況尚屬於標準內但偏離其原本作動次數baseline，為避免風險，將此Q03 BAY納入本次保養範圍內，且Q03 BAY為TIE 1500斷路器，因歲修為斷環單BUS供電，不影響程序。

圖7:2021年9月~2022年4月，1500油壓泵作動次數異常上升

圖8:ABB原廠操作手冊標準為大於20次/日或600次/月，判斷為異常

停電保養發現1500斷路器油壓泵浦於儲能後，其彈簧位置指示僅能停留於過渡區，如圖9所示，且簧片可目視觀察到尚未完全收縮，可能影響斷路器投入時間拉長而造成危害。

圖9:Q03 BAY更換儲能裝置前後差異，指示及簧片可壓縮至定位點

根據ABB原廠手冊與原廠技師討論，該儲能裝置儲能後無法到達定位點原因可能為液壓系統內漏，如圖10所示，造成無法完全壓縮簧片且壓力無法維持使液壓馬達反覆作動造成，經考量已運轉於10年且為避免風險，決議備品更換，更換後測試正常。

圖10:ABB ELK-04 液壓儲能系統示意圖，判斷為儲能模組(籃框處)內漏導致簧片無法壓縮到行程定位點

自2022年四月份歲修後，持續追蹤Q03 BAY儲能裝置動作次數，相較修繕前已明顯下降將再持續追蹤，如圖11所示，同條件也可觀察到1680斷路器(Q07 BAY)之液壓泵浦作動次數自2022年3月開始有明顯上升，可能也有相同潛在風險，將提前準備備品預計於2023年歲修處理。

圖11:1500(Q03)更換後追蹤液壓泵浦作動次數

3.3.2 高壓盤銅排支持礙子缺角異常改善

高低壓電氣設備檢測中納入盤體清潔、開關保養、電纜檢測、變壓器檢測…等項目，同樣規劃分拆4次完成，共發現1件異常，P1-C4R-EH-100M 盤體內R相絕緣礙子破損缺角，此缺角將導致支持礙子絕緣異常發生，會引響工廠列盤半邊停電，如圖12所示，該盤久未施工研判為DAY-1建廠時期所造成，該缺角造成沿面距離降低影響絕緣能力，造成電弧或沿面放電而導致開關異常跳脫，影響機台供電或廠務系統供應品質異常，當下以備品換新恢復正常。

圖12:P1-C4R-EH-100M高壓盤內支持礙子缺角

3.3.3    半戶外型模鑄式變壓器高壓支持礙子絕緣不良

發電機昇壓盤P1 Gen#1 TR ~ Gen#5 TR絕緣電阻試驗<1000MΩ，歸因於發電機房為半戶外空間，環境潮濕且長期未開盤清潔，導致髒污積附於盤體及礙子表面，如圖13所示，已安排今年度完成全數昇壓盤支持礙子汰換，再進行複測，爾後每年歲修定期執行盤體清潔，維持變壓器絕緣能力。

圖13:Gen#1 TR~Gen#5 TR昇壓盤支持礙子表面霧化

3.3.4    保護電驛51N/50N功能異常

高低壓電氣設備檢測中，保護電驛檢測於今年度納入定檢項目，同樣規劃分拆4次完成，共發現1件異常，其中高風險NH-314迴路7SJ62保護51N/50N無反應，為當下電驛進行51N/50N功能試驗時，發現電驛測試儀注入三相不平衡之電流時，N相須檢測出不平衡之電流值(CT殘餘接法 – 三相不平衡or接地故障時，IE(N相)應有讀值)，如圖14所示；若N相皆無讀值，如圖15所示，導致51N/50N無法到達保護設定值觸發，此異常可能導致接地事故發生時Relay無法正確跳脫造成事故擴大，經測試為該Relay電流模組卡異常，更換後再次試驗則符合標準，如圖16所示。

圖14:保護電驛動作原理電路單線圖說明

圖15:保護電驛注入三相不平衡電流仍無N相讀值(左圖異常、右圖正常)

圖16:電驛更換後CO/LCO動作測試正常

3.3.5    低壓盤錫鬚檢查 & 處理

鑒於去年與今年之低壓盤錫鬚造成短路事故，今年決議加做低壓盤內視鏡檢查錫鬚，風險鑑別後與工廠端協調與2022年底前安排停電清潔錫鬚，以避免低壓盤內主銅排因錫鬚短路造成主開關跳脫使半邊停電；F15P12經全檢後共有3迴開關盤因錫鬚長度>5mm定義為高風險，至今已完成三次清潔，如圖17，停電拆除遮版後再以內視鏡加強檢查發現更多原先未被發現之錫鬚共16處，如圖18，錫鬚生成於銅錫介面並與其電鍍製程有關，清除後仍無法根除其生長因素，將依跨廠決議每半年定期執行內視鏡檢查，與主開關增設保護50設定，若故障發生可快速清除故障限縮影響。

圖17:三處高風險錫鬚位置 (C3R-105、F1B-112、F1E-216，共3處)

圖18:停電後發現低壓盤高/中風險錫鬚，共計16處

4.檢討傳承

4.1 APM 歲修計畫再精進

F15P12本次歲修後，規畫執行檢討可再改善如下

• 作業範圍規劃，本次APM為高壓系統維護，下游中/低壓站配合停電，但保養範疇僅施作低壓站而不施做中壓站，未來大歲修現場作業繁重，更難有機會將中壓站保養合併於大歲修執行，建議應於小歲修執行中壓站維護。
• 作業時程規劃，依照APM原先規劃四座主變壓器廠區可分做兩天執行保養，將高壓站與低壓站變壓器合併保養，建議可改善為高壓站工作安排1~2天，低壓站工作安排1~2天，所帶來優點(1)可減少系統切換時間 (2)單日工項變少，有充足人力安排監督作業 (3) 單日作業時間縮短。
• 人力安排規劃，本次所遇到問題皆為前兩項所造成，非人力安排問題，唯下次可再精進地方應於APM前除簡報內容教育訓練外，可再偕同廠商安排現場走訪，統一作業手法與現場解惑，更能確保各組監工品質。

4.1 APM 歲修計畫再精進

因F15A主變壓器二次側接線箱體接為導口型式，如圖19，維修孔以及箱內空間狹窄，造成作業困難且有碰傷陶瓷礙子可能性，多數廠區設計為箱體附盤門型式檢修較方便，未來作業前將要求對礙子做安全防護以防碰撞，如圖20，並將變更箱體為盤門型式列入專案進行評估，如圖21。

圖19:維修孔以及箱內空間狹窄

圖20:製作防護襯套/外殼，可避免礙子損傷

圖21:原為上開式導口箱，改為側開式導口箱，改善人員區域狹隘作業

5.結論

F15P12為首個廠區依據FAC Power APM Ground Rule進行小歲修之廠區順利完成廠區25%高壓設備保養，且多數項目與負責工程師為第一次負責執行，經過本次歷練後對於高低壓系統認知及戰力有顯著提升，F15P3/4及F15B同仁也多到廠協助並獲得經驗讓日後歲修規劃更順利，更感謝APM Team在事前準備時成窘迫時協助採購及人力協調事宜，並協助餐與現場工作，讓歲修作業順利。

本次保養所發現四個問題除發電機傳統盤外，為平時系統供電中無法維護或修繕，藉由APM執行完整保養、檢測，發現問題並修正避免潛在風險，且藉本次經驗留存，未來APM規劃可精進將時程安排、教育訓練、執行品質做得更紮實。