Fab15P6年度維修報告與ETAP使用經驗分享

1.前言

F15B廠為台積公司的7奈米鰭式場效電晶體量產廠，從2017年成廠迄今約5年；F15P6電力架構屬於double bus-bar GIS，為台積目前使用最多的架構 (F14AP34、F14B、F15A、F15B、F12B都屬於這種架構)，161kV GIS 為台積電供電的主要命脈，GIS跳脫影響重大，動輒半個甚至整個廠區停電，因此確保161 kV GIS~22.8kV CGIS的可靠度至為重要。另外，F15P6低壓配電盤為使用Siemens SIVACON S8配電盤廠區 (Only F15P5 & F15P6)，其他 200mm廠區多為傳統國產盤 (亞力、士林、南亞定型盤等)，然而大多數 300mm 廠區都使用 ABB MNS3.0，此處是較其它300mm廠區供電系統不同之處；本次歲修亦將消防及安全連動測試、IT 資訊系統升級及測試等等，合併入電力年度歲修時程，以減低生產線影響。

2.歲修計畫

2.1 APM歲修範圍

F15P6 本次規畫執行小APM，執行25%高壓電力設備保養，如圖1所示。盤點F15P6高壓電力設備，本次歲修預計執行六項系統保養及五項CIT改善，共379電氣設備。

圖1:F15P6 小APM 範圍

2.2 APM人員組織架構

本次歲修須在不影響工廠生產下，維持單迴路供電，故在人力安排系統操作，切換流暢 & 移動時間的安排最佳化是挑戰之處，故每日切換安排4組人員(一組2員)。9/13為縮短斷環風險，進行斷環作業完成GIS DS-1531開關保養後，恢復台電雙迴路雙邊供電，再執行161kV GIS F01 & F03 Bay保養及主變壓器MTR#1、3保養。9/14~9/16 PM前執行中、低壓變電站轉供，PM後持壓復電，當天完成PM之盤體恢復雙邊供電，人力編組，如表1所示。

表1:人力編組

2.3 APM Utility供應狀態

全廠小APM執行25%高壓電力設備保養，不影響工廠生產，Utility供應狀態正常。但電力切換可能造成電壓波動，導致機台FDC告警，電力歲修作業前須進行變電站負載趕單邊操作，變壓器負載突增將造成切換後壓降，N7 機台對電壓變化相對敏感，若無對應之管控措施則有影響下游機台電力品質之風險。

F15B團隊共採用四個措施，來達成本次APM電力系統切換期間，機台端不受到任何影響。

措施一：使用ETAP(Electrical Transient Analysis Program)模擬分析：模擬評估變壓器單邊扛載之最低電壓降情況與MTR Tap操作適用檔位，如圖2所示。

圖2:ETAP 電力系統模型

ETAP是(Electrical Transient Analysis Program)電力暫態分析軟體的簡稱。 使用ETAP電力分析軟體模擬歲修低壓變電站趕單邊操作之壓降分析，評估變壓器單邊扛載之最低電壓與變壓器OLTC(On-Load Tap Changer)TAP之操作最佳檔位，應用ETAP軟體根據台電系統阻抗、廠內各變壓器參數資料及各BUS之電壓、電流、功率等數據建置F15P6電力系統之等效模型模擬。

本次共模擬兩個方案，分別如下：

方案1:直接操作低壓站Main Tie Main時各站之低壓 盤BUS電壓。

方案2:先操作NH- TIE投入，低壓站Main Tie Main時各站之低壓BUS電壓。

使用ETAP模擬方案1、2可得知，當需要將負載轉單邊扛載時為了降低電力壓降幅度，選用方案2，先操作NH-TIE投入後再執行低壓站Main Tie Main可以有效提升電壓8~14V，如表2所示。

比較以上兩種不同切換方式之模擬結果，奠定歲修時切換策略：先投入高壓Tie CB，有以下優點

1. 可降低切換雙邊壓差、
2. MTR OLTC Tap 可同時升降、
3. 無需考慮輕重載站別切換順序、
4. MTR負載差異不會透過低壓站並聯負擔。

措施二：切換策略精進：先投入高壓Tie CB，以降低切換雙邊壓差。

措施三：敏感機台UPS 切換至INV(Invertor) 模式( 避免電力切換過程之電壓波動影響)，如表3 所示。

表3: 低壓站Main Tie Main 模擬電壓降幅

圖3:SCADA 電壓管控監控圖示

2.3 APM 保養維護工程總表

高壓 PM O.I.保養項目共六工項，執行25%高壓電力設備保養，保養設備為161kV GIS、主變壓器、22.8KV CGIS、保護電驛、模鑄式變壓器，及兩項運轉宿疾(161kV GIS 30RY、MTR#1 布氏電驛滲油更換)、三項CIT(高壓PT更換為PT+fuse型式、高壓保護電驛7SJ64 Bug修正、模鑄式變壓器N相鋁排更換)，如表4所示，依據施工前中後 Check SOP 執行施工前切換/隔離/PM/施工後交回/系統恢復。

表4:APM大盤規劃管控表

2.4 APM 安全宣導

由於本次執行小APM，執行範圍都在變電站裡雖然是斷電執行保養作業，但是現場還是有帶電設備運轉中，為了強化安全意識及監督人員的職責，由電力副理於歲修前招開安全會議，告之現場環境危害注意事項，如圖4，定義監督人員職責：

1. 帶電區確認，保養區確認。
2. 系統安全隔離檢查含驗電。
3. 安全防護具檢查。
4. 依開盤作業許可證確認。
5. 依 PM check list 執行。

並符合職業安全衛生設施規則第二節第254條規定，歲修前現場拉設PM作業區(藍帶)、有電危險區(紅帶)警示帶，避免人員誤觸帶電設備，如圖5。

圖4:安全宣導及工具箱會議

圖5:現場停電作業區、有電危險區圈圍警示(職業安全法)

3.執行成果

9/12~9/16 (5天) 完成F15P6高壓盤APM作業，這是F15B 建廠送電以來首次大規模高壓盤停電保養，含161KV GIS、 MTR、HV C-GIS、XTR 等總計執行1,011項系統切換步驟，出工廠商286人次，台積監督人員147人次(含ISEP及APM團隊)；完成379個電氣設備保養，同時解決兩項運轉宿疾及三項CIT改善 (其中MTR#1 布氏電驛漏油更換，落實同仁難得現場訓練經驗)，發現六項問題及二項APM ESH風險，將持續進行細部檢討，做為未來每年APM依循準則，以強化電力系統體質及降低電力供應風險。

3.1 APM當日工程進度管控表

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，每日整點回報當日工程進度，確保當責工程師了解執行PM項目與時間，有效做到PM時間控管，如表5所示。

3.2 APM FAC Utility品質回線大盤表

本次全廠小APM執行25%高壓電力設備保養，在執行1,011項系統切換步驟期間，透過措施一到四項的創新措施，包括EMAP模擬、切換策略精進、敏感機台UPS切換至INV(Invertor) 模式及SCADA電壓管控表，工廠端無任何機台反應有FDC Alarm，電壓變動率如圖6所示。

圖6:低壓站電壓供電品質不受影響

3.3 APM歲修保養項目完成統計表

完成379個電氣設備保養，同時解決兩項運轉宿疾及三項CIT改善，發現六項問題及二項APM ESH風險，如表6所示。將持續進行細部檢討，做為未來每年 APM 依循準則。

3.3.1 MTR變壓器布氏電驛功能失效檢討

本次歲修在執行變壓器保護裝置檢查及功能測試時發現位於RCP Room (Remote Control Panel)主變1號之布氏電驛第一段警報無輸出，如圖7所示，布氏電驛安裝位置在變壓器本體與油鼓之間之連接管，以檢出內部故障，大部份變壓器發生內部電氣故障時，若只有輕微的火花或部分過熱，由於不正常的過熱會造成熱的分解，常常使油或固體絕緣物質劣化，而有氣體之發生，此氣體會積存於布氏電驛集氣室造成浮標下降，而動作(存積200~300cc)第一段警報迴路(輕故障)，此時不會跳脫此變壓器之上游斷路器，可以提早應變，而當變壓器內部線圈發生絕緣破壞，如強烈的電弧導致急激的油流速度(1.2~1.6M/秒)而執行第二段跳脫迴路(重故障)，此時布氏電驛可將此重故障檢出，並將保護此變壓器之斷路器跳脫，避免故障範圍擴大。該警報未輸出會造成變壓器故障無法提前檢出，當故障點絕緣破壞發生電弧現象時會直接觸發第二段跳脫迴路，造成廠區P6A 50%停電，經現場工程師查看電路控制圖及RCP背面接線後發現線路未確實鎖入端子，如圖8所示，立即重新鎖固並重新測試正常。

圖7:主變1號布氏電驛第一段警報無輸出，30 R elay 未掉牌

圖8:主變1號布氏電驛，30 Relay線路未鎖

3.3.2 西門子CGIS電壓接點異常檢討

西門子CGIS盤本次歲修含發電機緊急高壓盤共保養56Bay，主要保養內容為CGIS SF6 氣體相關檢測、CB(Circuit-Breaker) / DS(Disconnecting Switch ) /ES(Earth Switch)機構相關測試、控制盤功能測試等其他檢查。發現兩項異常：

1. 緊急電高壓配電盤儲能馬達電源DC電壓20V接點有燻黑狀況，如圖9所示。判斷應為建廠時無確實將線路安裝，立即更換後並量測阻抗正常。

   圖9: 緊急發電機C-GIS 儲能馬達電源接點異常

   
2. 發電機高壓配電盤保養後，執行加載測試 CB 無法自動投入，原因為: 執行C-GIS 機構連鎖測試後，C-GIS三位置開關機構操作拉桿，未自動復歸回定位(正常需於上方)，導致機構內之極限開關(S12) 將CB CLOSE迴路斷開，如圖10，致使發電機啟動測試時無法正常投入CB。

   圖10: 緊急發電機C-GIS CB 投入迴路

   

3.3.3 模鑄式變壓器電力因數異常與電纜異常檢討

本次歲修執行模鑄式變壓器保養，發現兩項異常，第一個異常為一台發電機昇壓變壓器電纜冗餘彎曲半徑異常，另一個異常為兩台發電機昇壓變壓器介質電力因數高於檢測規範2.5%：

1. 發電機G04昇壓變壓器電纜冗餘彎曲半徑異常，如圖11。此異常建廠時施工不良造成，此電纜為太平洋電纜公司製造，該電纜規格為25kV XLPE 60mm2 x1C，查其該公司手冊建議之彎曲半徑(R)為R = 10 × D，如圖12。該等級電纜D=30mm，彎曲半徑計算後應大於300mm，除了參考原廠建議之彎曲半徑外，也利用發電機有載測試時使用紅外線確認該彎曲點是否已損傷，紅外線照片所示該異常彎曲處已造成熱點，如圖13。長時間運轉會形成熱破壞間接造成電纜絕緣破壞，形成電力事故，該異常電纜已安排更換完成。

   圖11:電纜彎曲半徑異常

   

   圖12:電纜彎曲半徑計算

   

   圖13:異常電纜彎曲處已形成熱點

   
2. 執行模鑄式變壓器年度檢測保養，發電機昇壓變壓器G09/G10，介質電力因數高於檢測規範2.5%(用電設備檢驗標準公會版-2020-11修訂版)。統計分析後發現主要為發電機用變壓器介質電力因數偏高，如圖14紅框處，經與原廠變壓器廠商討論主要原因為變壓器安裝於半戶外場所，暴露在大氣中，常因鹽分或粉塵的侵蝕而污損及濕氣造成絕緣不良。爾後於歲修前會針對半戶外型變壓器，於前一天手動方式先行開啟變壓器盤內加熱器(八顆)並清潔變壓器本體、礙子等完成後再行測驗。以改善此問題。

   圖14:模鑄變壓器電力因數分布圖

   

3.3.4 161kV GIS 30 Relay誤警報設備更換

F15P6 2017年累計至今發生12次 GIS Fault alarm(警報皆瞬間復歸，檢查 GIS 本體 SF6 氣室壓力及控制電源皆正常)，平均好發於五個BAY，2022年已發生六次，集中於兩個BAY，由於161kV GIS為台積電的供電主要命脈，任何的警報都需高規格重視且處理但如此頻繁的誤警報已嚴重影響到電力人員的運轉，因此安排於本次歲修更換新品(2/2，100%)。更換新品後確認161kV LCC(Local control cabit)及RCP內30 Relay無異常燈號，如圖15。由於有拆裝線路因此也安排紅外線檢測接點，溫度皆正常(MAX :35度)。

圖15:161kV GIS LCC 30 Relay 更換

3.3.5 MTR#1 布氏電驛滲油更換

該布氏電驛滲油處無法使用外部方式止漏，如圖16，如前所述布氏電驛之功用主要為早期偵測變壓器之緩慢性內部故障且有兩段警報，若發生誤動作會使上游斷路器跳脫，造成廠區25%停電。故安排於本次歲修更換。其引起各種動作之可能原因，如表7所示。在更換前須先確認環境濕度RH<80%。相關施工步驟，如表8所示。更換布氏電驛相關部件，如圖17。更換後排氣確認，如圖18。

圖16:布氏電驛漏油

表8:布氏電驛更換步驟

項次	步驟	確認事項	照片
1	確認環境濕度	RH<80%	使用溫濕度計確認
2	安裝前確認	使用無塵布，包覆螺絲起子輕輕撥動內部浮筒 (模擬浮筒動作)確認布氏電驛接點正常動作
3	絕緣油冷卻	將儲油槽主油閥(B)及布式電驛排氣閥(A)Close 開啟冷卻風扇 利用熱漲冷縮使布氏電驛油位自然降低，減少布氏電驛本體油量
4	組裝布式電驛	法蘭O-ring 須換新 接點端子鎖緊<2.8Nm (>2.8Nm有可能造成布氏電驛漏油，本次漏油主因)
5	安裝後注油接點測試	開啟閥B、A，使油慢慢注入電驛，量測S1(Alarm)、 S2(Trip)狀態，動作順序:S2接點OPEN->S1 OPEN
6	送電前後確認	布氏電驛排氣:參考圖18 送電前: 確認閥A、B、C Open,D、E Close 確認布氏電驛及氣體收集器無氣泡 送電後: 需至變壓器上確認布氏電驛視窗內無氣泡

圖17:布氏電驛更換相對開關位置

圖18: 布氏電驛更換排氣確認

3.3.6 HV SWGR PT更換為Fuse PT (CIT改善)

F15P6共有60顆CGIS PT原設計無加裝Fuse，如圖19，以NH-100 PT異常為例，當該PT故障時無FUSE保護將直接造成F15P6 25%停電，如圖20虛線紅框處，藉由本次歲修已完成(27/60，45%)大大降低廠內停電風險，提高系統穩定運轉度。

圖19:PT更換為加Fuse型式

圖20:以NH-100 PT為例，PT異常時會造成P6A 50%停電

3.3.7 高壓保護電驛7SJ64 UV 跳脫邏輯精進修正

本次藉由歲修執行高壓保護電驛7SJ64 錯誤修正，共有兩項：1.7SJ64 UV(Under Voltage)跳脫邏輯，修正為低電壓(27) AND低電流(37)邏輯運算(27 AND 37)，修正邏輯，如圖21，此UV跳脫邏輯若只使用27，當7SJ64電驛27異常時無37判斷，導致CB誤動作造成下游無預警停電，本次歲修完成(4/4)，此項修正累積完成98%。2.同步電驛(25) 瞬間pickup(<30ms)異常訊號卡住(廠商技術通報)，會使CB無法操作投入，修正後，如圖22，本次歲修完成(7/7)，該項修正累積完成91%。

圖21:跳脫邏輯修正為27 AND 37

圖22:25電驛異常修正

4.檢討傳承

4.1 低壓配電盤Tie 盤安排IR檢測(平時無載無法檢測)

低壓配電盤於年度IR(Infrared)時由於無負載，無法藉由IR檢測出異常點，F15P6利用本次歲修執行35套低壓Tie盤檢測，檢驗出一組CT端子線路溫度偏高70 °C(平時無電流接近環溫)，如圖23。經確認為線路未鎖緊，可鎖緊三圈。鎖緊後接點阻抗IR溫度從70度降為25度。

圖23:低壓Tie 盤CT端子未鎖緊(平時無載無法檢測)

4.2 電氣檢測時使用A字梯會側傾作業有安全疑慮

本次歲修於GIS Room執行電氣檢測時使用A字梯於圖24 B處(高度大約2米)執行變壓器電器特性檢測作業時會造成人員側傾作業及無雙勾安全帶勾掛電，有公安疑慮，重新檢討作業程序及取經台電作業後可行作為如下兩點

1. 使用作業平台或是自走車
2. 於檢測A處作業時架設貓道板擺放六呎梯(不須使用雙勾安全帶)

圖24:A 字梯側傾作業改善

5.結 論

F15P6首次執行三年一輪歲修模式，順利完成25%高壓設備停電保養，完成379個電氣設備保養，解決兩項運轉宿疾及執行三項CIT改善，強化電力系統體質，也藉由本次的歲修發現六項 issue 及兩項 APM ESH 風險，也順利將此六項issue改善完成及兩項ESH風險經驗傳承，將持續進行細部檢討，做為未來每年APM依循準則，以強化電力系統體質及降低電力供應風險。感謝中科廠區電力課同仁在切換及保養上的專業技術支援，讓此次APM順利完成。