摘要
Fab18P1年度維修報告與電力切換經驗分享
Keywords / Power Equipment Maintenance2,MTR (Main transformer)2,GIS (Gas Insulator Switchgear)3,CRTR (Cast-resin Distribution Transformer)3,Protection Relay.
F18P1於2022/12/12~12/15執行小P年度歲修(執行50%高壓電力設備保養，不影響工廠生產)，本次保養共執行6項保養作業。保養設備為161kV主變壓器和GIS開關、22.8kV高壓開關、保護電驛、模鑄式變壓器共348組設備的保養，當日切換操作分為8組人力，完成2,285項操作。
保養時在各類設備上皆發現大量灰塵累積，為建廠完成後因建廠規畫時間太短，導致建廠完成後未作設備清潔，經本次APM後將設備清潔完成。本次安排一件問題改善，為CGIS儀表漏氣查修，完成改善後可避免因氣室SF6壓力不足產生之絕緣不良狀況，造成開關短路使全廠區25%機台斷電，影響供電一小時。另外也有發現12項缺失，其中6項缺失為緊急發電機變壓器電纜頭IR溫差，此問題可能導致緊急發電機啟動運轉下，造成電纜異常事故，使停電狀況發生，需後續研究解決。其他6項輕度風險缺失為接線/零件鎖固問題，皆已改善完成，藉由改善這類缺失可避免電力開關及保護電驛於一般運轉及緊急應變下保持功能之正常，降低事故風險擴大可能，提高系統可靠度，進而提升產線穩定性。
再者，於APM電力系統切換過程中，F18P1根據過往經驗，鎖定並將敏感機台不斷電系統供電模式由節能旁路切換至逆變器(Inverter)供電，準確確保產線機台供電穩定不受影響。
F18P1 conducted a small-scale APM from December 12 to December 15, 2022, and the maintenance for 50% of high-voltage power equipment was performed without affecting the fab production. There were 6 tasks and 348 sets of equipment for maintenance, including a 161kV main transformer and GIS switchgear, 22.8kV high-voltage switchgear, protection relay, and cast resin transformer. 8 groups of manpower completed 2285 steps of operation. A large amount of dust was found on various equipment during the maintenance. It was because of the short planning time for fab construction and the insufficient cleaning after the construction, and the equipment was cleaned in the APM. The repair project was the CGIS instrument air leakage. Once the defect is removed, it can avoid the poor insulation caused by insufficient pressure of SF6 in the gas room, resulting in a short circuit in the switchgear and power outages in 25% of the tools of the entire plant for at least one hour recover. In addition, 12 defects were also found in the maintenance, among which 6 defects were the IR temperature differences of the cable head of the emergency generator transformer. This problem may lead to abnormal cable accidents and power outages under the emergency generator running, which needs to be solved by follow-up research. The other 6 minor defects were wiring/component locking problems, all of which have been improved. By improving such defects, the power switchgear and protective relay can maintain normal functions under operation and emergency response, reduce the risk of accidents, enhance the system reliability, and thus improve the stability of the production line.
Furthermore, during the switching process of the APM power system, F18P1 locked and switched the power supply mode of sensitive tools uninterrupted power system from the energy-saving bypass mode to the inverter mode power supply to ensure that the power supply of the production line was not affected.
1. 前言
F18A為台積在南科最先進的晶圓廠之一，主要產品為N5/N4等先進製程；F18P1於2018年成廠迄今將邁入第四年，本次進行第二次歲修保養。F18P1為N7製程，也是首個特高壓電力架構為Dual single bus bar的廠區，其兩個single bus為獨立變電站，換而言之若單邊GIS異常，不會影響另一側single bus供電，如圖1所示。本次歲修歷經三個月準備時間，規劃為期四天的保養時程。
圖1：特高壓電力架構Dual single bus bar單線圖
為確保歲修保養品質及施作安全，廠商保養人力皆經過審核；其檢測設備亦於APM前檢查完備(如斷路器檢測儀器、六氟化硫氣體分析和測漏儀器、匝比和絕緣電力因數測定器、六相保護電驛測試器、檢電器等)；而計畫性汰換的物料也在APM前備妥並提前依各廠商規劃暫存位置進場妥善保存；操作步驟、保養流程及檢點表也於事前張貼至施作盤面上；作業現場明確標示保養設備與非保養設備之區隔。F18P1團隊於APM前、中、後皆在人、機、料、法、環五項執行面反覆檢查並安全且順利完成此次APM任務。
2. 歲修計畫
F18P1 Y2022 小APM，保養項目總共六項，執行50%高壓電力設備保養，預計分為四天完成，每天預計12小時。切換流程(停電)：08:00-09:00，各工項執行時間：9:00-17:00，切換流程(復電)：17:00-18:00，電力架構圖及每天保養項目與數量，如圖2所示。
圖2：電力架構圖及保養項目與數量
2.1 APM人員組織架構圖
F18P1 APM組織分成五組，值班組負責電力系統SCADA/廣播/戰報，並將現場狀況彙整給電力組長與總指揮，161 kV GIS組負責161kV GIS及高壓保護電驛保養與回報，MTR組負責MTR保養及高壓電纜極低頻檢測回報，CGIS組負責CGIS及高壓保護電驛保養與回報，變電站XTR組負責XTR保養與回報，如圖3所示。
圖3：歲修組織圖
2.2 APM Utility供應狀態表
F18P1小APM執行50%高壓電 力設備保養的目標是不影響工廠生產，廠務供應Utility狀態必須穩定正常。所以在保養前須先將本次保養範圍迴路的高壓站#1/#3/#5與迴路#2/#4/#6並聯供電以減少下游轉操作時電壓波動造成生產機台警報產生影響生產，再將下游低壓變電站以不斷電轉供方式切換至#2/#4/#6迴路；最後由下游往上層層操作電力轉供並將本次保養的設備斷電隔離，始能開始保養作業，而保養結束後的復電順序是由高壓側往低壓側逐步往下游送電，再操作不斷電轉供以確保下游負載不受到任何影響。
2.3 APM保養維護工程總表
高壓保養項目總共六項，執行50%高壓電力設備保養，保養設備為161kV GIS ( IN01 / TIE01 / 100 / 300 / 500 CB*5Bay & DS*7Bay總計12個Bay)、MTR ( #1 / #3 / #5共3台 )、HV Cable VLF ( 100迴路 / 300迴路 / 500迴路共3迴路 ) 、 22.8kV CGIS ( GEN迴路 / 100迴路 / 300迴路 / 500迴路 共101 Bay ) 、保護電驛 ( GIS系統 / CGIS系統 / Gen系統共171顆 )、模鑄式變壓器 (共58台)。 (表1)
| 項目 | 主項目 | 子項目 |
|---|---|---|
| 1 | MTR保養(#1/3/5) |
|
| 2 | MTR 22.8kV cable VLF極低頻測試 |
|
| 3 | CGIS保養(100/300/500) |
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| 4 | ACB MTM XTR保養(100/300/500) |
|
| 5 | GIS保養(IN01/TIE01/100/300/500) |
|
| 6 | Relay保養(100/300/500) |
|
2.4 APM人員管控表
APM四天參加人員共416人，平均每天104人(工程師21人，廠商83人)，08:00~18:00，APM時間10小時，以區域分布及設備保養數量做分組。(圖4)
圖4：歲修人員數量控管
3. 執行成果
3.1 APM當日工程進度管控表
FF18P1 APM共分4日施作，總計174組開關設備(GIS/MTR/CGIS/LVSG)需進行切換操作，詳盡的準備工作使每日實際施作進度皆較計畫提早1.5小時完成，能達成此順暢且安全切換的原因歸因於以下幾點事前準備，如圖5所示。(舉第一天及第二天為例)。
圖5：歲修工程進度控管表(第一天及第二天)
- 切換流程檢查表嚴謹且詳細，其中APM 4日總計174組設備及2285項操作步驟，每一項皆有其對照操作表(共計186張，每一GIS /MTR/CGIS/LVSG皆有專屬確認表)，如表2及表3所示；而每一項操作及確認步驟皆表列於檢查表中，可節省人員與中控台再次確認時間，並能在預期時間內完成電力系統停電及復電操作。
表2：歲修切換流程檢查表(低壓站)
表3：歲修切換流程檢查表(主變壓器)
- 現場操作順序標示齊全，於高壓盤面使用操作順序標示牌(白色：停電標示，紅色:復電標示)，使人員於重點操作步驟可快速確認操作順序，避免操作失誤風險，如圖6所示。
圖6：人員切換操作示意圖
- APM前實地演練，確保每位人員皆完整熟悉操作及確認流程。
3.2 APM FAC Utility品質回線大盤表
全廠小APM執行50%高壓電力設備保養，目標為不影響工廠生產，FAC 供電Utility品質必須正常。因此操作電力轉供時依據低壓站BUS電壓值的變動率不得超過5% (正常市電變化範圍) ，如表4所示。
| Substation | 切換前電壓 | 切換後電壓 | 復歸後電壓 | 電壓變動處理方法 |
|---|---|---|---|---|
| F10H-N4-515 | 484 | 489 | 485 | NA |
| F10H-N4-516 | 486 | 488 | 484 | NA |
| F10K-N4-517 | 482 | 489 | 483 | 調整OLTC檔位 |
| F10K-N4-518 | 483 | 491 | 484 | NA |
| F10K-N4-519 | 487 | 490 | 486 | NA |
| F10K-N4-51A | 484 | 489 | 485 | NA |
| F10K-N4-51B | 487 | 494 | 486 | 調整OLTC檔位 |
| F10K-N4-51C | 487 | 490 | 485 | NA |
| F10K-N4-51D | 486 | 487 | 484 | NA |
| FB1G-N4-511 | 486 | 493 | 486 | 調整OLTC檔位 |
| FB1J-N4-514 | 487 | 489 | 485 | NA |
| H40L-N4-521 | 486 | 489 | 484 | NA |
| H40L-N4-522 | 487 | 488 | 485 | NA |
| F40G-N4-523 | 484 | 487 | 483 | NA |
| F40G-N4-524 | 489 | 493 | 487 | NA |
3.3 APM歲修保養項目完成統計表
F18P1本次保養設備為161kV特高壓開關&主變壓器、22.8kV 高壓開關&模鑄式變壓器、保護電驛，共有3項主要缺失，12個電氣設備異常；主要缺失為急電系統變壓器高壓電纜頭溫差過大(共計8條)，需找專家分析解剖，其他缺失包括C-GIS CT端子缺少短路片、避雷器缺少O-Ring、跨盤電源線插pin變形、及DS開關螺絲鬆脫，與保護Relay端子裂開及輔助繼電氣缺少二極體等缺失，上述缺失皆已利用APM保養期間改善完成，歲修保養統計表與異常案件說明，如表5所示。
| 項目 | 系統 | 總數量 | 保養數量 | Finding (件) | 缺失率 (%) | 缺失 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | MTR (台) | 6 | 3 | 0 | 0.0% | |
| 2 | XTR (台) | 130 | 58 | 6 | 10.3% | GEN XTR二次側電纜IR發現局部溫差(6台共8條) |
| 3 | 22.8kV Cable (迴) | 6 | 3 | 0 | 0.0% | |
| 4 | GIS (Bay) | 24 | 12 | 0 | 0.0% | |
| 5 | CGIS (Bay) | 296 | 101 | 4 | 4.0% | EH-01/02/03 CT端子台缺少短接片 MTR01 LINE避雷器缺少O-ring NH-115跨盤控制電源插PIN變形 NH-519 R相DS開關螺絲鬆脫 |
| 6 | Relay電驛(顆) | 472 | 171 | 2 | 1.2% | NH-300-M Relay端子裂開 NH-300 (SPARE) K27輔助電驛缺少二極體組件 |
3.3.1 模鑄式變壓器盤體髒污及電纜頭局部高溫檢討
模鑄式變壓器盤體內部發現有許多灰塵，並於保養時清潔，主要原因為新建廠區建廠時間急促，變電站環境控制不易，環境灰塵量大。此灰塵可能造成電氣設備動作不慎或絕緣礙子發生閃絡，極可能造成停電事故及更久復線時間。未來建議新廠應於量產前完成一次盤體清潔保養。
另外，銅排螺絲皆已確認依螺絲磅數鎖緊及畫線各項數據也確認正常，保養後以內視鏡檢查線圈皆無殘留異物，確保送電安全。
急電系統變壓器於PM後啟動測試發現二次側電纜頭局部高溫，可能原因為電纜頭瑕疵，若啟動運轉將有電纜事故產生可能，嚴重將影響電力系統緊急供電導致停電風險，此狀況仍需請專家入廠檢測分析電纜頭狀況後確認改善方式，預計將電纜解剖分析問題為安裝手法或是材料問題，並安排將有問題接頭全數重作，如圖7所示。
圖7：升壓變壓器電纜頭溫度異常
3.3.2 CGIS控制端子異常與螺絲鬆脫檢討
CGIS盤體內部發現多灰塵並已於保養時完成清除，CGIS氣室內的SF6氣體含水量、純度、壓力、露點、SO2等數據與建廠竣工時的數據相比較無異常現象。其中有4項缺失Finding，為DS開關螺絲鬆脫及CGIS盤內控制端子排缺失，已完成零件鎖固及更換，推測原因為建廠安裝缺失，如圖8所示。
圖8：CGIS DS開關連桿未鎖固及控制電源插PIN變形
3.3.3 保護Relay插pin裂開與缺少零件異常檢討
Relay保養部分，於設定值及功能檢測皆正常發現，保養廠商保護Relay功能及動作測試相片，如圖9所示；本次保養發現2項缺失，包括背後插pin裂開及CGIS備用盤輔助繼電器缺少二極體保護零件，後續已完成新品更換，如圖10所示。
圖9：Relay功能及動作測試
圖10：保護Relay端子裂痕與輔助電驛缺少二極體
3.3.4 變電站電氣設備積塵異常
本次保養多處發現設備積塵問題，主因為建廠時變電站環境控制不易且工程落塵量大導致；當送電後這類灰塵之累積，可能造成電氣設備導體間發生閃絡短路或誤動作發生，此結果將造成停電事故或是更久復電時間。建議新廠應於量產前完整執行一次設備盤內/盤頂全面清潔。
其中GIS外觀、主變壓器二次側電盤、XTR盤內之大量積塵皆已於保養時完成清潔 ，如圖11~ 圖12所示。
圖11：GIS外觀積塵清潔
圖12：主變壓器高壓電纜頭及礙子清潔(上)、模鑄式變壓器盤體清潔( 下)
4. 檢討傳承
4.1 電力系統無感切換
本次APM於電力系統切換方面，採用以下幾項方式，使切換能順暢且安全的提前1.5小時完成，有以下幾個作法：
A.採用Teams群組分組，作為切換操作之聯絡方式，用以取代一般無線電對講方式(僅能一對一發話，現場仍備有無線電以供緊急呼叫)，本次分為兩組監控螢幕配合兩組現場切換人員同時進行操作，不僅能更有效且及時的確認各站點人員狀況以下達操作指令及確認現場狀態，更能藉由分組操作的調度，達成順暢且安全的切換。
B. 切換流程檢查表嚴謹且詳細，每一動作皆紀錄其中，如電流/電壓紀錄，選擇鍵切換步驟，檢查現場設備動作是否到位…等等(共計2285項操作及確認步驟，對應各自檢查表)，可節省人員與中控台再次確認時間。
C. 高壓系統現場操作順序標示齊全，使用停電(白色磁力牌)及復電(紅色磁力牌)順序排取代現行手寫標示順序(可用兩種顏色區分停電與復電兩種不同順序)，可使人員操作時更易於辨識及操作完成後之移除。
D. APM前多次現場模擬操作演練，每位人員皆完成演練(高壓/低壓切換演練)，完整熟悉操作步驟及確認流程。
另外，為了確保供電穩定度，操作電力轉供時依據低壓站BUS電壓值的變動率不得超過5% (正常市電變化範圍)，設立專責人員及時監視下游變電站電壓變動，避免因變電站單邊供電造成重載狀況使變電站電壓波動造成生產機台警報。讓整個電力系統切換過程的實際電壓變動率降低至2.5%內，如圖13所示。
圖13：切換電壓變化比較(2022 vs. 2021)
5. 結論
根據P.M.O.I.定義，執行三年一輪歲修模式，完成50%高壓設備停電保養，並將異常問題順利改善完成。感謝F18/F14/F6廠區同仁在保養上強力支援，讓此次APM順利完成。
本次在九月開始密集的準備工作中，從確認並制定保養範疇及規劃行程開始，直至細部流程與保養標準確認，也對同仁舉辦實地教育訓練與行前會議，使APM能順利進行。因同仁們一步一腳印地完成每一步驟的電力系統切換操作以及與廠商共同遵照保養程序及內容，讓本次APM順利完成且沒有影響工廠生產或發生ESH問題。
參考文獻
- F-GEC-99-03-010，TSMC FAC POWER APM GROUND RULE O.I.，2022。
- 用戶用電設備檢驗辦法(台灣電業法第32條第5項)
- 電力設備和系統驗收測試規範標準(美國國家標準學會-ANSI/NETA MTS-2019)
- 電力設備預防性試驗規程 (中國電力行業標準DL/T596-2021)
- ABB GIS原廠設備保養手冊
- 西門子CGIS原廠設備保養手冊
- 士林MTR原廠設備保養手冊
- F18P1 竣工資料，2019。
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