Fab8年度維修報告與GIS操作機構異常處理分享

1. 前言

F8為八吋晶圓廠，前身為世大積體電路，自2000年為台積電併購，故部分電力相關運轉設備與台積家族較為不同，如DUPS系統、GIS供電架構…等。自今已持續運轉超過22年，截至2022共經歷20次歲修作業，近期一次為2020年，此次於2022/01/04~01/06共三天進行全廠小APM，執行50%高壓電力設備保養。

準備從2021年10月開始，針對人機料法進行各式準備，其中本次APM長交期備品為高壓保護電驛，因此提前9個月進行採購流程與追蹤廠商交料進度。其餘如廠商工安訓練、原廠技術支援、每週固定檢討會議、電力專家參與檢討操作程序及電力課進行現場操作跑位，吸收過往歲修經驗及專家建議後，於12月完成歲修準備。在不影響工廠生產下完成10項工程，完成436個電氣設備保養，期間七個時段總計執行1311項電力系統切換步驟，累計三天出工廠商115人次及竹科廠務電力人員85人次(含APM團隊)達到系統切換及歲修品質維護及經驗傳承。

2. 歲修計畫

F8採用三年一輪歲修模式，規劃廠區內所有變電站設備停電保養：其中2年分批停電保養各50%高壓變電站設備(小P)，歲修期間工廠單迴路供電可持續生產；第3年進行所有低壓變電站停電保養(大P)，機台端除長復機機台供電外，其餘機台配合停電，無塵室溫度及濕度維持in Spec，所有電力停電維修以16小時內完成為原則。

F8 Y2022為第一年小APM，高壓 PM O.I.保養項目共七項，執行50%高壓電力設備保養，預計2022/2023二次小APM完成高壓停電保養。本次APM執行日期為1/4~1/6橫跨三天，其中DUPS系統於1/4~1/6進行停機開關盤保養，期間廠區無壓降保護；1/5為執行PM O.I.所規範50%高壓電力設備保養共436個；1/6執行161kV GIS SF₆ Pump更換2組，期間廠區單環供電。

2.1 APM人員組織架構圖

本次APM各課(電力、儀控、水系統、氣化及機械)值班人員負責SCADA/廣播/戰報，並將現場狀況彙整給總指揮及FAC戰情。現場各工程負責人整點匯報工程進度給值班，由Quality小組負責管控各課工程進度及戰報製作(圖1)。

2.2 APM Utility供應狀態表

全廠小APM執行50%高壓電力設備保養，不影響工廠生產，Utility供應狀態正常。其中1/4 執行DUPS電力系統切換至市電供電期間發現共9機台疑似加熱器功率不足出現FDC警報，切換期間電壓波動幅度約1.9% (210V至206V，允收於10% SEMI47規範內)，因此在1/6復歸切換至DUPS系統供電時，操作前主變壓器全廠調升電壓 1.25%。1/4受影響迴路(LV-21A/21B/21D)，電力課配合投入低壓電容器進行局部升壓，此操作經驗證符合廠區設備供應電壓品質需求。

2.3 電力切換

1/4~1/6皆需執行電力切換，電力切換按照操作程序書執行，期間七個時段(圖2)，總計執行1311項電力系統切換步驟，1/4主要切換項目為DUPS旁路轉換市電供電及機組停機(圖3)、1/5高壓10/20系列停復電切換、1/6 GIS E02台電環路切換(斷環及成環)；DUPS機組復機及市電轉DUPS供電。 電力切換前執行MTR OLTC TAP鎖定及高壓並聯減少切換期間電流環流影響，再進行低壓並聯切換，歲修期間值班人員隨時確認變壓器負載率(<80%)。

DUPS機組停復機及市電供電切換為F8特有電力操作，其餘台積家族廠區無此系統操作，原因為其餘台積廠區使用SUPS(Static Uninterruptible Power Supply)系統，由低壓保護下游負載，而DUPS則由高壓迴路保護廠區供電穩定度，因此在執行DUPS系統停機保養時，需從高壓逐步切換至低壓，將DUPS迴路供電轉由市電供應，最後再將機組進行停機，才能執行該保養作業。

各項電力操作前課內每一動逐條查核並帶隊跑位，確保操作程序正確性。 除了主站切換外，各子站皆有駐站操作人員，增加切換效率。 電力課主管由中控室指揮統一現場切換人員，採用對講機搭配投影幕CCTV進行聯絡及確認操作區域，確保人員定位、每個執行動作正確，上下游人員都能及時掌握現場狀態，避免誤操作風險。

2.4 APM保養維護工程總表

本次APM工程共十項(表1)，其中高壓 PM O.I.保養項目工程共七項，執行50%高壓電力設備保養，保養設備為22.8KV 高壓開關及盤體、保護電驛、XTR、DUPS(圖4)，CIT相關工程共二項，T/S工程共一項，每項工程皆依據施工前中後檢查 SOP 執行施工前切換/隔離/PM/施工後交回/系統恢復。

2.4.1 DUPS系統停機保養(PM, 施耐德/Hitech)

F8-DUPS 系統配合歲修進行停機保養(圖5)，執行：22.8KV 高壓開關盤( 廠牌型號：施耐德SFI 系列) 清潔 & 螺絲定磅檢點、高壓電纜頭清潔& 放電檢查、模鑄式變壓器清潔定磅檢點 以及Relay 檢測(圖6)。

DUPS 為F8 主要的電力壓降防禦系統，該系統由高壓側供應F8 廠區多迴路電力系統，保護當台電壓降時的電力系統供應，其餘台積廠區使用SUPS 系統，DUPS與SUPS 區別為：DUPS 運轉模式可分為正常模式、緊急模式(圖7)，平時以IK(Induction coupling) 進行動態儲能；SUPS 以電池進行儲能。當有電力壓降產生時，DUPS 以IK 的動能轉換成電力暫時供應下游電力設備，當市電異常DUPS 系統引擎會帶動IK 進行持續發電( 緊急模式)；而SUPS 則以電池進行壓降電力穩定，當壓降過久或市電停電可能會因電池耗盡造成電力保護功能喪失，SUPS 及DUPS 相關特性比較可參照(表2)。

2.4.2 施耐德停產高壓電驛汰換(CIT, 施耐德)

現有F8所使用施耐德SEPAM 2000高壓保護電驛已停產且元件超過15年，有電容老化風險造成電驛特性異常，當下游電力設備產生異常故障電流，且電驛故障失效、特性曲線偏移時，恐擴大廠區電力系統故障範圍，因此利用APM停電期間進行針對停產保護電驛元件進行預防性汰換工程，汰換為SEPAM S40系列(圖8)。電驛更換後執行Relay竣工試驗及檢測，本次更換數量共40 EA，汰換總進度81%(表3)，預計2023年全數汰換完成。事前與施耐德及機電顧問公司三方討論更換時序，汰換工程與電驛測試分頭進行，避免因汰換工程與電驛測試同時進行造成相互干涉導致施工進度延後。

2.4.3 14G24G 高壓電纜頭Tie-in(CIT, 眾利)

CUB 3F 已新增14G/24G低壓列盤用於系統擴充使用，本次工程利用14G/24G高壓開關停電時進行設備二次側Cable Tie-in(圖9)。

2.4.4 宗賢PD Sensor缺失改善(T/S, 宗賢)

CUB 3F、CUB 4F、8B 4F、Gas Yard 4F有部分變壓器宗賢PD Sensor 安裝不符合規範，為避免造成部分放電風險，排定利用變壓器停電保養時重新安裝(圖10)。

2.4.5 161kV GIS SF₆泵更新（T/S，西門子）

本次更換F8 161Kv GIS E01-T & E03-S 共2組SF₆ 泵更換，原因為SF₆ 泵運轉已達原廠建議壽命10萬次，本次歲修隨同161kV GIS維護保養執行停電更換及檢測。由於161kV GIS為台積電的供電主要命脈，施工過程中由西門子德國原廠技師現場督導，以確保施工過程前中後各項規範符合原廠規範，確保更換品質。

2.5 APM緊急應變備品規劃

針對此次APM相關保養設備，盤點廠區內既有備品，建立APM緊急應變備品清單(表4)，避免施工保養時出現故障時無料件可供替換，延宕APM整體排程。其中針對重要電力設備161kV GIS，F8與F14、F6及友達針對長交期重要備品(表5)，位於龍潭建立共同備品倉庫並定期盤點，能隨時支援所需備品，當發生故障時不至於因長交期備品耽誤復歸時間。

2.6 APM人員及施工進度管控表

值班室建立APM人員及進度管控海報，歲修前會議告知F8廠務人員及支援人力到廠及離廠皆須簽到，以掌握人員動態。APM參加人員共85人(F8工程師共20人，支援人力14人，施工廠家數7家，施工廠商共115人)，排程07:00~17:00，施工時間10小時。 建立工程時序管控表(表6)，每小時紀錄完成百分比於表上；工程項目位置圖：以不同顏色磁鐵標示未開工、施工中、已收工狀態，掌握各項工程進度。

1/5 APM支援人力共14員(共一天)，其中工程組13員，機動組1員，支援8區域變電站，執行10項工作項目，一站有平均兩位支援人力協助，以資深人員為主手；資淺人員為副手配置，平均各自負責4項歲修工作項目，此人員配置依檢討符合本次歲修需求。 APM前共舉行兩次行前會議，宣導APM期間各項注意事項，會後F8工程負責人帶領支援人力現場走訪，說明工項內容、注意事項及物料放置位置。

2.7 APM安全宣導

進行兩次APM工具箱會議宣導，第一次06:30於FAB 1F碼頭及CUB停車場舉行，F8工程師進行第一次宣導；第二次7:00於各變電站前由支援工程師點名與安全宣導，包含變電站逃生動線、廠區CO₂滅火系統安全注意事項及Level-2開盤作業施工檢查重點。 由於APM皆在變電站執行，雖然保養設備為斷電執行保養作業，但現場仍有其餘帶電設備運轉中，因此在歲修前以及執行期間現場拉設警示帶，區分帶電及非帶電區域，以符合職業安全衛生設施規則第二節第254條規定，避免人員誤觸帶電設備(圖11)。

3. 執行成果

本次保養電力課共執行十項PM作業，其中17:00開始工程進度落後於原先預期，主因為停產高壓電驛汰換工程因現場與值班室進行圖控通訊測試時發現通訊異常，查修造成後續電驛連動跳脫測試保養無法執行，因此造成延誤，總進度落後約兩小時(圖12)。

3.1 APM當日工程進度管控表

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，不影響工廠生產，其中1/4 因電壓波動造成部分CVD敏感機台共9台FDC加熱器功率不足溫度警報，因此1/5~1/6高壓電力設備保養當天電力切換前執行主變壓器全廠調升電壓 1.25%，部分迴路配合投入低壓電容器進行局部升壓，歲修期間透過記錄全廠區電壓變化盒鬚圖(圖13)，可視化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，其餘FAC Utility品質皆回線正常。

3.3 APM歲修保養項目完成統計表

F8高壓系統依APM團隊規範保養執行率50%(436/ 871)，異常率19.5%(85)，如表7所示。

3.3.1 GIS泵異常及開關氣室內漏

F8 GIS共4 Bay，相較於台積其他廠區GIS為油壓驅動，F8開關驅動方式為氣動，驅動方式為氣壓缸經氣動閥驅動，快速帶動開關起斷及投入。 2022進行E01-T & E03-S共2組SF₆ 泵更換過程中發現原本E01-T相SF₆ 泵有漏油現象(圖14)，當SF₆ 泵故障可能導致無法補氣造成開關氣室內部壓力降低超過標準值，使消弧能力喪失，可能發生短路事故，嚴重時將如同如同2022/03/03興達全台大停電故障模式：相鄰斷路器內絕緣氣體喪失下供電，造成隔離開關毀損，可能造成全廠停電和設備損毀，導致大範圍停電。

此外，施作2 Bay(Bay-1/Bay-3)保養發現二顆氣室壓力偏低異常，經德國原廠技師研判SF₆氣體洩漏共兩處(圖15)：氣室逆止閥栓塞頭滲漏、高壓氣室及低壓氣室之間內部滲漏。

氣室逆止閥栓塞頭滲漏：閥栓塞頭異常導致氣密效果不良造成微量漏氣(圖16)，主因為SF₆ 泵將SF₆ 氣體由GIS 開關下氣室( 約-0.5Mpa) 輸送回上氣室維持上氣室壓力(6.8Mpa)(圖17)，當中上下氣室氣密異常使SF₆ 氣體微量滲漏，造成SF₆ 泵動作次數異常偏高。改善作法為調整逆止閥接頭並補填充SF₆，填充SF₆ 過程中依照西門子原廠規範，每次0.1Bar (10kPa) 逐次上升至額定壓力值。

高壓氣室及低壓氣室之間內部滲漏：目前原廠沒有維修GIS 氣室內部滲漏作法，如需根解此問題，需全廠停電進行上下氣室更換，其中因F8 GIS 供電架構為Single bus，會有一端仍帶電無法隔離(圖18)，經歷此問題，F8 將評估GIS 改為Double bus，此架構如遇到該問題可將區域停電隔離，期間採另一個Bus 供電，將問題區域停電維修，期間不影響廠區供電。

目前台積採Single bus 架構共計6 個廠區為：F8、F6、F12P12、F14P12、F3、F12P3+3E，其中F8、F6、F12P12、F14P12 架構較為相似為兩顆主變壓器架構。若將F8 廠區GIS 供電架構改為Double bus，以空間位置評估目前F8 GIS 現地旁邊為暫存區域，若進行relayout 有機會容納Double bus GIS 設備(圖19)。若採不斷電進行Double bus GIS Tie -in，可將Double bus GIS 設備先建置完成，再逐步將MTR-1或MTR-2 Tie-in，最後由台電側解環及成環送電至新設GIS，Tie-in 期間廠區單邊供電便可完成F8 廠區GIS 供電架構改為Double bus。

經過以上檢測也終於發現SF₆ 泵動作次數異常偏高原因：SF₆ 氣體微量滲漏，導致SF₆ 泵需頻繁動作補氣。APM 後針對更換後SF₆ 泵每日紀錄動作次數及監控泵動作電流值持續觀察正常，後續針對高動作次數 Pump 每三年利用APM 進行停電更換，可控制於動作次數6 萬次內，提前於原廠標準規範10 萬次內進行預防性更換。此外，SF₆ 泵為長交期料件，原廠需備料8 個月，目前廠區常備有1 備品，GIS 泵每日運轉次數及運轉電流已上Auto Trend Chart 每日晨、夕會進行Review 及管制。

3.3.2 GCB輔助接點阻抗偏高跳脫時間過長異常檢討

F8本次進行ABB HPA及施耐德SFI GCB高壓開關保養檢測，內容為：斷路器機構保養、斷路器清潔、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、三相動作時間及馬達/線圈特性檢測、底座接觸電阻)。 保養檢測結果為：

ABB GCB有49台輔助接點阻抗偏高(ABB原廠規範需<=50Ω)、3台跳脫時間過長(ABB原廠規範需<45ms)及3台投入跳脫時間相間誤差(ABB原廠規範投入時間相間誤差需<4.2ms、跳脫時間相間誤差需<2.8 ms)。此為老化導致，輔助接點(圖20)阻抗異常時GCB將無法正確傳輸正確訊號讓本體跳脫或投入；投入跳脫時間異常無法將故障即時隔離。 其中因ABB HPA系列原廠已停產，相關料件原廠回覆全球皆已停止生產及供料，因此無法單獨將老化元部件進行汰換回春，F8藉由系統化的歲修保養看到F8斷路器存在老化風險，因此將評估汰換及改造(Overhaul)計畫。

施耐德GCB 測試時發現其中14 台GCB 有跳脫、投入速度老化趨勢( 圖21)。該迴路為F8 壓降防禦系統DUPS，當台電壓降跳脫投入速度過慢，DUPS 可能無法即時投入扛載，擴大壓降影響範圍，因料件已為長交期，F8 已排定2023 年執行預防性更換。

此外，執行GCB 機構保養發現1 台連桿變形(圖22)，該迴路為F8 主要迴路之一(HV-14D)，若不及時發現及處理，將導致GCB 無法確實定位，影響該迴路送電時間，經調整機構後已修復；9 組DUPS MG GCB 導軌軸套C 扣day-1 缺件(圖23)，GCB 推入較吃力，2022/3月停機季保養施耐德原廠已補齊。以上狀況皆已處理完畢，同時記錄在保養廠商檢測報告書中。 

3.3.3 模鑄式變壓器溫控器故障更換

在執行變電站日常巡檢發現部分模鑄式變壓器溫控器有數值異常現象(圖24)，更換熔絲仍無法恢復正常，故本次歲修規劃10系列迴路變壓器溫控器更換(型號：UIC TFCEU-01S)，更換期間同步確認變壓器Pt100溫度傳感器已確實固定於變壓器本體且溫控線無異常，研判溫控器內部電容老化導致，更換測試後確認功能正常。

3.3.4 高壓電纜絕緣電阻劣化

APM執行電纜絕緣電阻量測發現，共4迴(MV-14EB /MV-14EC/MV-24AA/MV-24AC)絕緣電阻有劣化現象，評判標準：Result≧400MΩ：良好；400MΩ>Result≧100MΩ：劣化；Result<100MΩ：不良。 該量測迴路下游為冰水主機，若電纜絕緣電阻劣化導致故障，將造成冰機迴路跳脫導致無塵室溫溼度失控、製程冷卻水系統(Process Cooling Water System)水溫異常，進而影響廠區生產。 歲修後拆除啟動盤至高壓開關之間的電纜重新量測後正常，經研判為下游冰水主機啟動盤內部元件(例：電容)造成量測絕緣數值偏低，此為檢測手法不一致造成此虛驚(圖25)，已要求廠商當電纜量測時需將不必要元件隔離進行量測。

3.3.5 DUPS relay信號傳輸異常

DUPS BCP(Bypass Control Panel) relay故障造成信號傳輸異常(圖26)，該功能為emergency stop relay，導致無法順利啟動機組，因廠內針對本次電力保養設備已準備相對應緊急應變備品，更換測試確認功能正常並順利啟動機組。

4. 檢討傳承

4.1 DUPS電力切換電壓波動

F8主要的抗壓降系統為DUPS，大部分的敏感機台皆涵蓋在此系統下，與其他台積家族廠區較為不同，因此F8將敏感機台UPS切換至INV(Invertor)操作較少。 在1/4 執行 DUPS電力系統切換至市電單邊供電期間，因變壓器重載導致電壓波動幅度約1.9%(210V至206V，允收10% SEMI F47規範)。 為避免電壓再次波動，1/6復歸切換至DUPS系統供電時，操作前主變壓器全廠調升電壓 1.25%。1/4受影響迴路(LV-21A/21B/21D)(圖27)，電力課配合投入低壓電容器進行局部升壓。 藉由APM Workshop的分享，後續F8將採更為系統性做法，藉由學習F15B廠務團隊透過ETAP(Electrical Transient Analysis Program)電力暫態分析軟體模擬分析歲修期間各變電站切換至單邊操作時的電力壓降分析，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，能事前以更加數據、理論化的進行Utility電壓品質管控措施，避免影響到下游機台。

4.2 保護電驛汰換通訊異常問題檢討

本次歲修進行停產保護電驛汰換工程，期間涉及到汰換工程廠商-施耐德、保護電驛竣工試驗及檢測-高安及圖控通訊測試-邑力三方廠商互相配合，雖然歲修事前與三方討論更換時序及通訊功能測試，但仍在歲修當天高壓電驛汰換後現場需與值班室進行圖控通訊測試時發現通訊異常，因此造成延誤總進度約兩小時。

問題有以下兩點：問題一：汰換迴路通訊Baud Rate設定為9600與既設Sepam2000設定一致，歲修當天汰換後發生部分通訊在測試時有不穩定斷訊狀況，因此將迴路調整至19200，調整後通訊狀況良好，因F8保護電驛通訊設定需要在現場實際設定，因此延誤後續保養作業，此為主因。 問題二：施工人員手法不一致，導致部分線材壓接不確實，導致通訊傳輸異常。

關於上述問題，已針對通訊設定、通訊線壓接加入原廠施工前後點檢項目(圖28)，供廠商及台積人員進行確認，其餘工作電源、CT、PT、控制邏輯已在點檢表內，以期後續相應工程能夠透過施工手法的改進解決通訊異常問題。

5. 結論

F8首次執行三年一輪歲修模式，本次APM如期結束，順利完成50%高壓設備停電保養以及異常改善，發現四項共60個電氣設備Finding，避開三項(GIS、GCB跳脫投入速度老化、保護電驛)電力系統風險，強化電力系統體質，也藉由本次的歲修將上述異常改善完成並完成風險經驗傳承，將持續進行細部檢討,

本次APM由2021/7月開始規劃，歷經六個月，從工項規劃及Scope確認、PRPO開立、人機料法環Review、全廠切換規劃與跑位、支援人力說明會、物料進廠及暫存等，期間與廠區各單位溝通協調，最終順利完成。 一切都要感謝本次APM所有長官們的經驗傳承與技術指導，提點準備過程中各種注意事項，以及各廠支援人力的參與及檢核。最後，感謝先前待過F8廠區的同仁不辭辛勞在電力切換上強力支援，讓歲休當中最重要的電力切換能準確無誤地配合執行。