Fab3年度維修報告與GIS開關SF6灌充手法分享

1. 前言

晶圓三廠為台積電最老的自建八吋晶圓廠，肩負台積公司八吋Embedded Flash技術的精進與擴展，以及MEMS製程研發與量產的重要使命，不僅不斷提升既有技術，同時追求創新，屢創佳績。

電力架構，相較於它廠架構是2顆主變壓器，F3廠是3顆主變壓器，因此在保養的過程中，會多了更多的開關切換步驟及流程，我們必須要做更充足的訓練，才能避免出錯。因此我們從歲修開始前的5個月就開始做準備(表1)，從工項規劃、洪男雄經理的三次Review(APM工項的確定、人機料法Review及現場廠勘)、高壓電盤的對相，並且我們將歲修的每一個時間點要做的事項寫全寫在檢點表中(表2)，APM當天就可以依照檢點表操作及追蹤進度，演練再演練就為了萬無一失。

依據廠務電力系統歲修規範定義各廠電力設備APM保養項目與施作週期。F3採用三年一輪歲修模式，2022、2023年為小APM。2024年為大APM，無塵室溫度及濕度維持in Spec，APM歲修時間以16小時內完成為原則。

2. 歲修計畫

F3於2022/05/11~5/13進行全廠小APM執行高壓電力設備保養，包含363項設備保養。於2022/05/11 (三) 06:00~19:00 (13hrs)，執行高壓設備不停電切換PM，並於2022/05/12~13 (四~五) 執行急電迴路高壓設備PM(平時不帶電)。整體的APM時間規畫與電力架構如圖1及圖2所示。

2.1 APM人員組織

F3 小APM組織分成三組，值班組、切換組及工程組(圖3)。值班組負責SCADA/廣播/戰報，並將現場狀況彙整給電力組長與總指揮；切換組負責工程開始前進行開關的切換；及工程組負責工程的進度和品質確認。

2.2 APM Utility供應狀態

小APM執行高壓電力設備保養，為了不影響生產，執行了包含高壓電容及高壓開關的投切、MTR#1和3 OLTC TAP手動維持及變電站的TIE投入等項目，總計執行513項切換步驟，達到Utility供應狀態正常。

2.3 APM保養維護工程總表

本次F3小APM保養項目分為五大項(表3)，GIS_760開關、69kV MTR2、傳統高壓盤、模鑄變壓器清潔+測試及機電檢測，共計363項設備。其中69kV MTR2的保養，包含了一項CIT項目(老舊電表&電驛更換共六個設備)：包含布氏電驛、放壓裝置、針盤油面計(本體)、針盤油面計(OLTC)、針盤溫度計(繞組)、針盤溫度計(油溫)。原油面計已經看不清楚，更換後可以更清楚看到表頭液位，如圖4所示。

2.4 APM人員管控表

5/11 執行高壓設備不停電切換APM參加人員總計47人(工程師共11人，廠商36人)，2022/05/12~13 (四~五) 執行急電迴路高壓設備APM(平時不帶電)參加人員總計66人(工程師共22人，廠商44人)，藉由在FMCS架設人員簽到表(表4)及歲修工程紀錄表(表5)，由值班組負責追蹤人員人數，確保人員的入廠狀況。

2.5 APM安全宣導

本次保養正值COVID-19染疫高峰期，為了讓APM能順利完成，工具箱宣導有特別加強防疫宣導。(圖5)

3. 執行成果

3.1 APM 當日工程進度管控

藉由Facility APM戰報(圖6)及操作檢點表，有效做到PM時間控管避免延遲APM結束時間。規劃2022/05/11 (三) 06:00~19:00 (13hrs)，行高壓設備不停電切換PM，並於2022/05/12~13 (四~五) 09:00~17:00(8hrs)執行急電迴路高壓設備PM(平時不帶電)。實際保養時間為2022/05/11 (三) 06:00~18:00 (12hrs)，提前原因為MTR年度保養因下雨天取消(已由2022/11/08補PM)，2022/05/12~13則跟規劃一樣，時間一致。

3.2 APM FAC Utility品質回線大盤表

全廠小歲修執行電力設備保養，不影響工廠生產，FAC Utility品質正常，電壓變化為11.4kV正負5%以內(圖7)。

3.3 APM歲修保養項目完成統計表

本次APM保養363項目中，共計發現12項異常，異常率約3%；包括有三項主要異常及九項次要缺失，重大異常包含GIS CB氣室露點超標、兩顆VCB跳脫時間較長，及其他缺失包含DS接觸電阻較高及NGR支撐絕緣礙子裂痕等，皆已完成改善。(表6)

3.3.1 GIS CB氣室露點異常

台灣日立永續能源公司工程團隊於2022年05月11日針對F3 69kV GIS 760 進行6年細部保養，其項目有:「斷路器啟斷閉合時間量測、斷路器接觸電阻量測、斷路器操作機構功能檢測、SF₆氣體含水量檢測、SF₆氣體純度量測、SF₆氣體露點、斷路器氣室SO2含量檢測、SF₆氣體壓力檢測、GIS開關控制及狀態指示功能檢測、SF₆氣體密度計檢測、接線箱接線檢查、隔離接地開關機構保養及功能測試、快速接地開關機構保養及功能測試、GIS本體及內部檢查清潔保養、氣室氣體品質改善、GIS各氣室SF₆洩漏檢測，相關維護作業。

本次保養共有兩項發現:

發現一：F3於2021/12月執行GIS CB氣室乾燥包更換，於2022/5月複測發現CB氣室露點再次超出SPEC，露點decay超乎預期(量測值-3.9°C, SPEC < -5°C @20 °C)，經與APM團隊及ABB檢討(參照操作手冊)，判斷為開蓋前回收SF₆時, 過度負壓導致外部空氣進入，再加上氣室抽真空時間不足造成(原廠標準氣室內壓力約0.1 kPA 維持大於4小時, 當時只維持1小時)。當天即按照此程序執行此更換動作，經過半年後，我們再複測其氣室露點為仍符合標準。(圖8)

上述缺失若無發現，當水分在絕緣物件表面凝霧時，其絕緣性能會顯著下降，導致開關切換有爆炸的可能導致全廠停電。

發現二：斷路器操作機構漏油(圖9)，漏點研判為儲能模組，規劃後續於每月月點撿時進行檢查油位(目前高度已做記號)，油位下降50% 需做補油動作，擬於下次APM進行操作機構更換。

3.3.2 VCB跳脫時間異常

VCB保養，包含機構的潤滑、相間高阻量測及投入&跳脫時間量測等項目(圖10)，其中VCB HV01B跟HV02B的跳脫時間over spec (spec 20ms)為22跟23ms(圖11)，雖然經過電力顧問評估，暫時無立即性的危害，但是需要持續觀察(上下游開關藉由微小的跳脫時間差異做不同等級的保護)，如果沒有及時保養發現問題可能造成嚴重的廠級事故。

3.3.3 DS開關接觸電阻異常

DS保養，包含機構的潤滑及阻值量測(圖12，DS的HV19B接觸電阻異常430uΩ(spec. 400uΩ)，PM後電阻11uΩ，如果沒有即時的保養，接觸電阻持續惡化導致溫度的上升，危害設備的運作。

3.3.4 NGR支撐盤體絕緣礙子裂痕

NGR保養，發現NGR3支撐盤體絕緣礙子裂痕(圖13)，可能跟近幾年頻繁地震有關，除了將其換掉，將持續地觀察。

3.3.5 高壓盤內部異常(螺絲鬆脫、掉落及絕緣礙子裂痕)

高壓盤體清潔，發現包括EHV4E7 & EHV4E8支撐cable絕緣礙子裂痕、帶電螺絲盤點5,148顆，1顆可迫緊1圈(圖14)，及非帶電螺絲盤點2,808 顆及CT固定螺絲未鎖緊*1。螺絲掉落，可能造成銅排相間短路，因而產生短路電流。

3.3.6 模鑄式變壓器支撐物異常(絕緣礙子裂痕、螺絲墊片斷裂)

變壓器保養，發現EM02支撐電纜的絕緣礙子裂痕及T相螺絲墊片斷裂跑出(圖15)，應為之前保養迫緊太大力導致，現已改用扭力板手鎖固，墊片的斷裂可能導致阻抗的上升，久而久之接點溫度上升，影響設備運作安全。

4. 檢討傳承

4.1 GIS CB氣室露點超標原因探討

F3的GIS已經使用28年，在2018 12月APM時就已經發現有露點超標的情形，由於當時並未準備乾燥包，所以採取的措施是進行內部氣體的置換，但是在隔年PM時複檢發現其露點又掉到標準之下(表7)，所以很明確的確認必須更換乾燥包才能解決此問題，故安排在去年12月大APM利用GIS全停電時做乾燥包的更換，我們利用今年5月執行小APM時複測，發現露點依然未達到標準。所以我們與APM 團隊及原廠技師間討論後，發現是當時在做乾燥包更換時有２個程序未按照原廠手冊執行，手冊是寫到SF₆ 回收應略小於外氣，以及氣室抽真空須維持4Hrs，而當時我們已經抽到0.2Bar，導致氣室開蓋時，外部大量含水氣的空氣進入氣室內，再加上氣室抽真空時間只抽了1 個小時，也就導致這次失敗的結果。

 

由於我們廠區仍是Single Bus的GIS，所以能不能找到在不停Bus電的條件下去更換乾燥包，這樣對工廠的影響才減到最低，我們與APM團隊及ABB技師共同在標準程序中進行修正找出一個不執行Bus斷電的手法，我們可以看到流程中幾個差異點，包含不讓氣室變負壓來降低外部空氣進入的比例，更換乾燥包後以氣體置換來取代抽真空(圖16)

4.2 F3 MTR未設置灑水系統的風險

依2022/05/19亞東司馬庫斯MTR事故L/L(圖17)，APM team提出主變壓器區域應設消防設施(灑水系統)，避免油浸式變壓器故障導致事故擴大。台積電僅F3 & F7建廠設計將主變壓器設置於全戶外區，故未設置消防設施(圖18)，我們規劃在2023年增設消防設施。

5. 結論

4.1 PVD機台 FDC High Alarm檢討

依據FAC Power APM Ground Rule，F3首次執行三年一輪歲修模式，已順利完成363項設備停電保養，也將12項異常順利改善完成。

本次APM由2022年1月開始規劃，歷經五個月，從工項規劃、洪男雄經理的三次Review(APM工項的確定、人機料法Review及現場廠勘)、高壓電盤的對相、全廠切換規劃與跑位及竹科電力專家(黃昭文/歐人華/馮智賢經理) APM 指導，一步步照著規畫，按部就班順利執行。此外，特別感謝APM TEAM幫忙及建議讓此次APM順利完成。