杜風74 期特別報導

烈火的試煉
簡介變電所高壓變電器火災控制系統
HV Transformer Fire Mitigation System (TFMS) for Substations

牟致遠

1967年班土木人

背景

在超過卅年的安全無火災紀錄後，自2002起的兩年內，南加州愛迪生電力公司（Southern California Edison, SCE）所屬的變電所中，連續發生了三起500 / 220kv高壓變電器故障起火事件。因當時沒有特別為高壓變電器設計的防火設施，每起火災中，火勢都從起火的變電器，隨著洩出的油料迅速蔓延。所及之處，一片火海，造成逾千萬美元的損失。遭受池魚之殃的，包括鄰近的其他變電器，各型變電機具，溝道中的全部電纜，高逾百呎，在烈火中燒彎變形而必須更換的鋼架，以及鋼架上被燒斷的電纜等。

TFMS 興建前變電器火災中變形的鋼架

TFMS 興建前一次火災中數台變電器遭焚毀

由於高壓變電器是變電所中最關鍵的機具之一，通常變電所中都有備份機組供緊急切換之用。但當多台變電器同時受損時，就無可避免的影響供電，這是電力公司亟欲避免的底線。在這幾起火災後，SCE深切地認識到，除了要加強變電器本身的保養維修，防止爆炸起火外，還必須在防不勝防的不特定變電器（尤其是系統中較老舊的機組）故障起火後，控制火勢不使蔓延，將火災損失減到最低，且最好能侷限於起火的變電器本身。如此不僅能減低財務損失，增加供電的穩定性，也能減少因油料滲入土壤及濃煙蔽空引起的環保問題。高壓變電器火災控制系統（HV Transformer Fire Mitigation System，簡稱TFMS）的必要性自然不言可喻。

設計考量

SCE為此成立了一個工程小組，負責研發TFMS。經與鄰近及外州數家姊妹電力公司工程部門諮訊，並實地參訪多處變電所中現有的各式防火系統後，歸納出結論：

各電力公司變電所中現有的變電器防火系統，通常包含兩部份：

變電器之間固定的混凝土澆鑄或混凝土空心磚防火牆，用以防止火勢的直接延燒, 並抵擋爆炸碎片。
變電器周邊的儲油池，承接全部洩油，以防止著火的洩油四處溢流。

但綜合各方火災經驗得知，二者都有缺點：

固定的混凝土澆鑄或空心磚防火牆，在維修或更換變電器時，必須拆除以提供所需的空間，且混凝土受長時間高熱後，會龜裂成塊狀剝落而露出鋼筋，修補不易。
因大量洩油長時間燃燒產生的高溫，足以將高架百呎的電纜熔斷，並引起變電器主油槽爆炸，所以必須儘量減低在變電器周邊可燃的油量與燃燒時間。若由變電器周邊的儲油池承接全部洩油，而準備在其著火時使用泡沫滅火劑，因需要量大（高壓變電器中油料動輒數萬加侖），且泡沫滅火劑有化學年齡的限制，在各變電所中大量儲存泡沫滅火劑備用並定期更新，極不經濟。

綜合考慮下，我們決定將各電力公司現階段普遍採用的設計，加以大幅的改良：

防火牆應選用性質優於混凝土的耐火材料，以能迅速拆卸重組為設計原則。
儲油池應移至遠離關鍵機組之位置，縱使其中儲油復燃，亦不致造成重大損失。

變電器火災控制系統 (TFMS) 的組成

依據上述的設計原則，TFMS可分為四個主要部份：

防火牆：位於各變電器之間，用以防止火勢的直接延燒，並抵擋爆炸碎片。使用耐高溫而不變形碎裂，耐撞擊又輕便的材料，且必須能迅速拆卸重組。現階段SCE各TFMS系統的防火牆，雖統一採用結構鋼柱與磷酸水泥( Phosphate Cement ) 製的空心牆板及鋼柱護板，未來若有更好的設計，將隨時改進。
集油池：位於各變電器四周防火牆之間，用以承接故障變電器洩出的油料及滅火或降溫用水，並將此油水混合液導引至地下排水管道。進入管道前的排油口設碎石過濾層，以限制管道中的含氧量，達到滅火目的。
地下排水管道：連接集油池與儲油池。使用預鑄混凝土排水管，接縫處使用耐熱材料從管外密封，以免油料漏出污染土壤。在經過碎石過濾層，再經長距離在低氧的管內流動後，油水混合液不再燃燒且溫度降低，抵達儲油池時再復燃的可能性也大為降低。因慮及火災時可能停電與火場中人工操作閥門之危險性，管道全程必須為下坡, 不使用任何抽水幫浦或閥門。
儲油池：用以暫時儲存因火災而產生的油水混合液，或從各變電器集油池集流來的雨水。其設計容量為變電所中最大一座變電器的全部容油量加上四倍的滅火或降溫用水，或五十年一度暴雨降在各變電器集油池匯集後的總水量。將其置於變電所中最遠離重要機具之處，如此則萬一其中儲油復燃，損失亦有限。為避免因浮油感應器故障而誤將含廢油的污水排入雨水下水道系統，儲油池配置的抽水幫浦，必須用人工而非自動開關，唯有在確定池水中不含廢油或其他化學污染物質後，才人工啟動幫浦將廢水排入下水道。池側並設車道供油罐車出入，以便將含廢油的污水運走。

變電器火災控制系統平面圖

1. 變電器基座
5. 地下管道

2. 防火牆
6. 儲油池

3. 集油池
7. 人工開關幫浦

4. 集油池排油口

火災經過

2012年2月18日凌晨，SCE的一座 AA級變電所中的一具500/220kv單相變電器上的瓷瓶電極突然爆炸。碎片與洩油飛濺四射100多呎，因短路造成的電弧引燃了洩油，整座變電器立刻陷入一片火海。在該變電所甫於數週前完工，及在SCE各變電所中已建成的高壓變電器火災控制TFMS系統，第一次面臨了真正烈火的嚴峻考驗。

消防人員與設備雖迅速抵達現場，但因涉及高壓電及其他種種顧慮，雖密切監視火勢，但直至黎明六時左右才開始噴水降溫，至七時左右將火勢完全撲滅。災後檢查，除起火的變電器完全燒燬而必需更換外，鄰近變電機具設備雖受輕微損壞，但都能迅速修復而不影響運作。整座變電站供電的能力，完全未受影響。

災情分析

電極爆炸起火後，防火牆首當其衝。它不但有效的擋住爆炸的碎片，保全了鄰近的其他變電器，也成功的阻止火勢的直接蔓延。當夜風向朝北，所以起火變電器北側的防火牆承受了最猛烈的炙烤。因北牆距爆炸的電極較近，也承受了大部份爆炸碎片的撞擊。災後的檢查顯示：除因較大的爆炸碎片撞擊，而在北牆數片牆板上造成裂痕外，整座牆體基本完整，因而能阻絕火舌的穿透，成功的保全了隔鄰的變電器。牆體設計的標準，除了要能承受時速百哩的風壓或0.5 G的水平方向地震外，還要能連續四小時承受1200°C高溫。實際上至次晨七時許火勢完全撲滅，起火變電器兩側的防火牆成功的阻擋火勢約六小時之久。災後將兩片受火最烈的牆板送到材料試驗室測試，結果顯示：強度雖略低於新牆，但仍超過需要的標準。所以除受爆炸碎片損壞及用作強度測試的幾片外，其他的牆板在清除火痕後，都仍繼續使用不須更換。

變電器四周的集油池，也如預期的發揮了功效；燃燒的洩油，在集油池中自動流向排油口，通過碎石過濾層後，排入地下管道。因變電器周遭可燃油量的大幅減少，而避免了變電器主油槽受熱爆炸，洩出全部存油的最壞結果。周圍其他變電設備及鋼架，也因免於暴露在洩油持續燃燒產生的高熱中，而得以保全。

災後從人孔豎井（man hole）清洗地下管道中的油漬時，並未發現管路內壁上有燃燒的火痕，因此推斷當洩油通過碎石過濾層，流入地下管道時，火頭已經熄滅。在流經約二千呎管道抵達儲油池時，洩油顯然已冷卻到不能再自燃的溫度。

從午夜火災初起，至清晨六時左右消防車開始噴水降溫其間，由於TFMS系統有效的將大部份洩油自動迅速排除，在火場繼續燃燒的，只剩下從變電器破損處繼續漏出，流向集油池排油口之間的洩油。因此大大的減低了燃燒的範圍與產生的熱量。這是能將火災損失，減低到只限於起火變電器本身的最大原因。

因化學泡沫消防車容量有限，在確知變電器周遭的集油池排水系統，能將油水混合液自動排送至儲油池，而不致四溢橫流，散播火勢之後，消防人員才決定噴水，使著火變壓器與周邊其他機具降溫，避免因超溫而可能引起的爆炸。這降溫用的水，最後都流到儲油池，成為儲油池中廢液的主要部份。災後廢液由油罐車抽起運走，再循適當的環保程序處理。

結語

從2005年起，SCE已有十座500 kv（AA級）變電站陸續完成此TFMS火災控制系統。在平面安排、材料選擇、細部設計上，通過從建造與維護中汲取的經驗不斷改良，迄今此系統已趨於成熟。SCE已決定在全部 AA級變電站完成此系統後，將之推廣至供電網中較為重要的200kv（A級）變電站。

自從獲得2008年美國土木工程師協會（ASCE）的Charles Pankow獎以來，高壓變電器火災控制系統，以及其採用的易拆裝式防火牆，開始受到美國電力工程界與各電力公司的注意及採用。變電站的火災經驗在2012年七月份的Transmission & Distribution World工程期刊，以及在2013年四月加州聖地牙哥的變電器技術交流會上發表後，來自國內外的訊問更是不斷。SCE雖獨力完成此系統的研發，但樂於從與同業分享的過程中，追求更多的改進。