AP3年度維修報告與急電絕緣礙子異常處理分享

1. 前言

AP3為台積公司2015年向高通公司購買的工廠，既有設計監造廠商為漢唐，為2010年開始監造，既有需求為面板廠，所以電力系統設計相對單純，依無塵室柱位範圍可大致區分供應變電站，供電上游統一從Fab北側三空間變電站供應；AP3與台積既有廠不同之處為設備變電站分路均由大容量busway供應(圖1)，W台積既有廠多由小容量busway供應。

AP3廠務變電站設計分路多為MCCB直接供應(圖2)，故急電應變必須由使用端停止啟動操作，而非台積標準設計全數分路由ACB控制，可以直接由變電站端決定是否供應電力。

變電站方面，既設低壓變電站均為士林傳統盤，2016年擴充7套南亞定型低壓變電站與1套低壓士林變電站(圖3)，全廠共22套低壓變電站，包含廠務8套與設備14套，南亞站統一使用施耐德ACB；士林站統一使用ABB ACB。此外設備變電站供應2種電壓208V或480V，變電站使用模鑄式變壓器均使用士林廠牌，共有5種規格(表1)，既設變壓器高壓側均有安裝避雷器，參考電力連線會議結論，本次歲修保養對象均移除避雷器。2016 擴充1套中壓變電站，共3套中壓變電站。高壓則沿用4套22.8kV變電站，中壓與高壓變電站均使用南亞傳統盤，開關均為ABB VD4 type。

高壓變電站特殊部分為所有分路設計均使用感應式CT與適用性relay，最大的問題在於已無備品可供採購外，亦無法更換成有AR功能的Relay與dual Relay的安裝，考量影響甚廣，有賴與新工設計部檢討後續改善。

另外，既設一期發電機與2016年擴充之二期發電機均使用康明斯緊急發電機，與台積大多數廠區安葆發電機不同；康明斯發電機均為國外設計到廠安裝，控制邏輯與安葆版本有些許差異，主導併聯供電啟動端不同，安葆由PLC控制，康明斯則由個別發電機行控電腦控制。此外，因康明斯發電機將絕多數保護功能建立在行控電腦，無法藉由傳統Relay測試方式確認功能，仍待克服。

昇壓變壓器統一使用士林廠牌，變壓器盤一期為南亞，二期則為士林，兩造防水性與密閉性設計概念不同，後續發現鏽蝕程度有極大差異，後面有專章討論。

一期發電機輸出盤為HV-10E，二期發電機輸出盤為HV-20E，發電機並聯Tie盤則長期投入則與既有廠設計相同。一期NGR設計為多接地系統，二期設計NGR為單接地系統，參考新廠設計與保護協調合理性，未來規劃將一期修改與二期一致。

161kV則使用西門子8DN9 GIS，與前段最大不同，設計規範使用ANSI非IEEE，其規格全台僅AP3使用，備品需求則為未來考量重點。在2017依未來需求替換成標準設計60/75/90 MVA士林油浸式變壓器，目前常態使用需求合併約50%上下。

自2015年承接廠區開始，已進行7次歲修，2022起則依tsmc制定之廠務APM規範執行規劃保養。

2. 歲修計畫

AP3因產品特性，採用模式2(３中Ｐ)，Y2022為小P作業，高壓 PM O.I.保養項目共七項工項，預計2022/2023 兩次APM完成，本次APM預計14.5小時，依照原計畫總共花費時間14.5小時，符合預期，切換流程(停電)：06:30-07:30，各工項執行時間：08:00-19:00，切換流程(復電)：20:00-21:00。(圖4)

2.1 APM人員組織架構

考量AP3廠區變電站配置相對單純，本次APM指揮體系區分成六組(圖5)，區長由支援副理擔任，負責現場巡視與檢視細緻保養成效，值班長負責SCADA/廣播/戰報，並彙整進度給總指揮，站長負責安全事宜（作業前工具檢查與作業後盤內安全檢查）與統計進度（回報值班長），應變組負責組織保固班現場協助事宜與緊急應變，施工負責人負責現場巡視/機動備援與開關操作，支援人力負責專責區域細緻保養。並提供支援人力handbook現場保養項目提示，以CUP4F作業說明為例(圖6/圖7)

2.2 APM Utility供應狀態

因本次APM執行高壓電力設備保養，目標為不影響工廠生產與Utility供應狀態正常。考量操作時間複雜度，執行規劃11/22急電保養完成後當晚進行全廠並聯，11/23隔日上午進行全廠1X側電源轉供(圖8)，確保保養期間落實執行安全點隔離操作將細部流程均規劃進操作checklist，以HV-10E步驟為例。(圖9/表2)

本次開關操作人員由兩員資深正手帶副手兩人操作，並以操作路線方便性區分兩組，並以無線電與值班通聯(圖10)，所有步驟均序號編輯並不重複，確保正手與值班人員快速查找比對。

2.3 APM廠商人力規劃

本次歲修共動員廠商119人，為有效管理人員工作效率與縮短移動時間，保養對應儀器均事前放置施作變電站定位，分組中僅Relay測試人員需要進行移動，其餘施作人員均採定點施作。11/22進行急電保養，共區分2個變電站施工，7組廠商組別；11/23進行市電保養，共區分6個區域施工，20組廠商組別，以11/22規劃說明為例(圖11/圖12)。

2.4 APM保養維護工程總表

本次保養項目包含八工項時程表(表3)，依APM作業規範執行高壓電力設備保養，保養對象為161KV GIS、主變壓器、22.8KV VCB、保護電驛、電纜量測、配電盤(含避雷器拆除)、模鑄式變壓器(含避雷器拆除)、MTR#1 161kV側支撐架補強。

現場人員作業目標著重在保養後安全交回，支援人力落實檢查廠商保養步驟，而站長負責確保現場工具檢查與接地線移除/盤內6S確保後才能關盤，以變壓器完成確認表為例(表4)，各站長與支援工程師均提供一份handbook-保養進度表以進行保養對象與進度追蹤，以變壓器工程進度表為例(表5)。

2.5 APM人員管控表

11/23 APM參加人員共136人(工程師共33人，廠商103人)，06:30~21:00， APM時間共14.5小時，６區8工項如(表6)所示，標示出負責工程師工項起終點並於歲修中追蹤進度。

2.6 APM安全宣導

APM工具箱會議於07:30於大碼頭舉行(圖13)，工程師進行點名與安全宣導，提示作業安全規範與相關防疫作為。

3. 執行成果

3.1 APM當日工程進度管控表

本次保養共執行八項PM作業，皆順利完成(表7)，落後時間差造成原因是CUP4F變電站作業項目較多(增加>75米以上電纜AC耐壓量測)，於他站人員支援後，於２小時內追回進度。

3.2 APM FAC Utility品質回線大盤表

全廠小APM執行高壓電力設備保養，不影響工廠生產，觀察歲修前後22.8kV層電壓盒鬚圖(圖14/圖15)，歲修後供電品質正常。送電前，所有拆裝之鎖點/接點，均確保接觸電阻正常後才可進行送電，送電後持壓24小時針對曾操作過之DS IR SCAN(圖16)，確保無熱點發生。

3.3 APM歲修保養項目完成統計表

本次APM共發現6件異常(表8)，包括主變壓器NGR的CT絕緣值不良、VCB接線軟管老化破裂、發電機盤Relay與VCB連動測試異常、87T dual Relay參數設定錯誤、高壓配電盤盤內異物與螺絲滑牙，急電變壓器高壓礙子絕緣異常與盤體生鏽及1項改善工程為MTR#1 161kV側電纜固定架因酸氣影響腐蝕，增設電纜固定架與密封洩氣源藉以強化系統穩定性，上述可能造成廠區50%斷電而嚴重影響生產之風險，藉由本次歲修發現並改善完成。

3.3.1 主變壓器NGR的CT絕緣值不良

AP3於11/23(三) 順利完成MTR年度保養，總結有二項發現：

1. MTR NGR CT絕緣值量測僅400 MΩ，疑當天濕度偏高造成，安排適當天氣候時機再行補測。
2. 因濕度>80%，MTR不執行OLTC吊出作業(圖17)，而士林主變壓器管路與爬梯欄杆外觀相近，保養人員安全掛鉤恐有誤鈎管路風險(圖18)，預計2023年一月進行油漆標示。

3.3.2 VCB接線軟管老化破損

AP3於11/23(三) 順利完成SWGR年度保養，總結有三項發現：VCB接線軟管破裂(圖19)，將造成影響開關投切的風險，故即時更換成鈕扣式束帶，共更換30組，故障者均是使用超過10年，懷疑是材質老化問題，規劃後續保養時預備束帶更換；另外保養期間發現4個開關的timer破損，無立即風險，將安排更換。

3.3.3 高壓配電盤盤內異物與螺絲滑牙

AP3在本次保養的81個高壓配電盤盤體清潔保養中，共有47個盤體後背板金固定螺絲滑牙or缺螺母，2個盤內接點螺絲無鎖記，及2個盤內有金屬異物，均利用此次APM進行處理，確保供電的可靠度(圖20)。

另外，於台積電其他廠曾經發生遮蔽銅帶過長導致垂落碰到火線事故，此次歲修發現有3條電纜頭接地軟銅帶固定方式不佳，立即增加束帶固定點，避免垂落導致故障發生(圖21)。

3.3.4 發電機Relay與VCB連動測試異常

發電機測試Relay與VCB連動測試時，因發電機持續外部命令VCB開啟，暫時性脫離外部控制線後測試復歸(圖22)，外部控制線行為與台積其他廠相同，因發電機PLC預設條件即為發電機不啟動下，VCB必須是啟斷狀態，發電機並聯設定條件，此現象是正確的，唯有連動測試時需特別註明有這個現象，避免花費時間對圖澄清。

3.3.5 87T Relay參數設定錯誤

本次歲修進行RCP盤Relay測試，測試過程中發現新增之87T dual Relay RET630 參數設定顛倒(圖23)，比對原始Relay SPAD346C2與台電送審書，確認RET630 pick-up(設定35%，正確40%)與slope (設定40%，正確35%)數值設定顛倒，重新設定正確並測試完成。

3.3.6 急電變壓器高壓礙子絕緣異常與盤體生鏽探討

AP3自2015成廠，2016擴充二期發電機，與一期發電機建置間隔相差約6年，昇壓變壓器盤內外生鏽問題卻有明顯差異(圖24)，雖然一期發電機房於2019年已做過補漆翻新，與二期比對之下，養護程度有極大的差異，一期使用南亞盤且密閉性較佳(無安裝加熱器)，二期使用士林盤密閉性較差但內部有安裝加熱器(原啟動條件濕度>80%，未來調整>60%或修改盤型)，推測原因如下：盤體密閉性問題-密閉性越差者影響越嚴重；盤體加工程度-士林盤內部使用大量植釘進行對外濾網的固定，鏽蝕最嚴重的地方就是配件固鎖部位；加熱器效果不佳-因AP3長期環境潮濕，加熱器大多維持開啟狀態，縱使形成循環，流進的仍是濕度偏高的空氣，無法有效減緩鏽蝕問題。

AP3與目前各廠備用電力設置於半開放環境，而變壓器盤體鏽蝕及絕緣礙子絕緣不良，極可能導致備援電力因絕緣狀況下供電發生廠內斷電全黑嚴重事故。廠區吸入屋外濕氣及樓頂冷卻水塔逸散水氣進入變壓器盤體內，長期濕度偏高(約80 %)，絕緣礙子容易沾黏灰塵，造成絕緣礙子絕緣能力不佳為原因(圖25)。

而解決問題刻不容緩除了先將吸濕嚴重絕緣礙子更換外，新廠區透過新盤體設計來因應，而盤內濕度控制則透過實驗數據比對來掌握適切數據。因此，依照用電設備檢驗標準公會版-2020-11(修訂版)標準為測試電壓10kV，測得電阻值>1000MΩ要求進行F12P12 TR#5 的礙子特性觀測。

根據表9所示，既設廠區將急電變壓器盤濕度控制設於60%，而相關改善方案如下。

• 新廠 design in 盤外安裝倒口外罩減少水氣直接從通風孔進入盤內，並於盤內下方設置 7 ~ 8 個加熱器，設定濕度控制 60 %。透過廠定期保養，搭配發電機年保清潔絕緣礙子表面灰塵，維持絕緣礙子的絕緣能力(圖26、圖27)。

  圖26：一般型與新廠區設計壓變壓器盤體實體差異

  

  圖27：新廠區壓變壓器盤體設計圖

  
• 新廠可評估變更材質來防止變壓器盤體於半開放空間的嚴重鏽蝕問題。
• 既設廠區急電變壓器盤應設置濕度控制Heater，控制濕度60%。可透過新增、加裝濕度Heater及盤體修改達成。
• 變更絕緣礙子材料，減少礙子吸濕(圖28)。

  圖28：複合礙子與陶瓷礙子特性差異

  

另外，於歲修當天進行變壓器表面介質電力因數量測時，部分變壓器有量出負值情形，與物理現象明顯相悖，於外觀清潔後重新量測有獲得有效顯著的改善，說明了變壓器外觀有效清潔與量測結果有顯著關係。

因此在半開放空間之變壓器量測時，變壓器外觀明確的清潔完成，因環境的濕度偏高，仍無法量出正常結果，如圖29說明了表面介質電力因數進行過程極易受外在環境的潔淨度與濕度影響，測試過程電流會走阻值相對小路徑(如灰塵/水氣)，即收到錯誤測試結果，與新工設計部討論後，建議於盤內增設加熱器，以維持濕度60%以下環境。

4. 檢討傳承

4.1 歲修電力操作書編輯方式修改

此次歲修首度嘗試因應廠區小/混編課與保養對象少的特性，事前準備明確劃分出廠商施作組別(二十組)與支援人力(十七人)定點施作，檢驗設備各點提前定位，人移機不移模式，人員移動時間越少施作時程壓力越小；並因應龍潭電力工程師人力不足問題，適性安排課內機械工程師(站長)確認安全性，大幅縮短電力工程師複檢時程，妥善利用分工手法提高施作人員的專注度(圖30)

以往AP3歲修電力操作書編輯方式為變電站為單位，區分不同時段的以sheet分類(圖31)，此作法不方便修改與查找，今年歲修嘗試彙整為一個sheet並編輯成可樞紐模式，並區分出人/事/時/地/物/目的，可大幅縮短查檢修改過程(圖32)，本次歲修共操作159個開關與1446個操作步驟，操作過程值班與現場均可以清晰辨識。

4.2 電壓感應式 CT與Relay無備品影響與問題探討

AP3自2015年成廠，因承接高通電力系統設計，高壓變電站分路開關均使用感應式CT，感應式CT二次側以感應電壓(mV)，輸入ABB REX 521 Relay，如圖33所示，判定風險進行保護，感應式CT好處包含感應式CT無磁飽和現象，耐用性較傳統式高，而承擔的風險為感應式CT與適用性Relay均為ABB停產產品，已無備品可購買。此外，既有Relay無法增設UV/AR與增設外掛Relay，含UV/AR替代性Relay也面臨汰換無備品可用，電力保護完整度將受到影響。現況已開立訂單增設外部UV/AR模組，唯CT與Relay備品問題仍待改盤才有解決方法。

另外電力專家亦有建議欲提升完整性測試，Relay測試應尋求從CT側灌入對應電流方式，確保CT匝比與輸出正常，此部分有賴與機電顧問確認其可行性。

4.3 康明斯發電機運轉保護無法檢測問題探討與改善

AP3使用康明斯發電機，多數保護功能是直接規劃進發電機的engine controller裡(圖34)，因本身是模組化設計，機電顧問無法透過傳統手法確認保護有效性，康明斯原廠亦回覆不提供engine controller內部詳細資訊，此部分仍待努力克服。

5. 結論

依據FAC Power APM Ground Rule，AP3首次執行三年一輪歲修模式，預計14.5小時，如期完成歲修保養，順利完成50%高壓設備停電保養，也將異常現象順利改善完成，另有關康明思發電機之保護控制盤，擬持續發展測試與驗證技術。

本次APM原定4月執行，從前一年12月開始規劃，歷經五個月，從工項規劃、PRPO開立、人機料法環Review、全場切換規劃與跑位、支援人力說明會等，除遇到疫情攪局改至11月，重新檢討施作範圍與廠商備援人力，總算設定出日後好維護的保養大表與操作大表，一切都要感謝同仁的協同合作與各路英雄們的經驗傳承與技術指導，按部就班順利執行。此外，感謝竹科同仁在保養工項上強力支援，讓此次APM順利完成，畫下完美的句點。