921抗震啟示錄 強化南北電力融通 淬鍊系統韌性

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20年前的921地震重創臺灣,電力系統及部分輸電設備嚴重受損,然而黑暗就是光明的起點─台電在921之後通盤檢討,以強化南北電力融通為核心,從調度、發電、輸電、配電線路等端點,全面提升系統規劃、硬體設備耐震係數,並導入新技術、強化人員訓練,方能在災害發生的時候守護這座島嶼,將損害降到最低。

台電中央調度中心負責全臺電廠與輸電網路的即時調度,「臺灣電力系統要互通有無,才能推動經濟成長,創造隨時隨地有電可用的便利生活。」電力調度處鄭有財調度監表示電力系統需靠「調度」才能運轉、發揮作用,921後台電從硬體建置、軟體研發與人才培養三方面展開電力調度抗震新頁。

異地備援 世界首創雙核心主控

過去,台電只有一個中央調度中心,設於臺北總管理處26樓,921之後,台電深感「異地備援」的重要性,於民國98年在高雄增設一個中央調度中心,也是全世界第一套雙主控中央調度中心。

林昭琦副調度監進一步指出,「臺北、高雄中央調度中心從設備到人員編制都一樣,互為平行單位,就像電腦雙核心的概念,若一邊出問題,另一邊可即時、獨立承接所有電力調度工作。」在人力規劃方面,北、高兩處每班皆有一名值班經理與兩名值班(電網及電源)主任當值,北、高值班經理則輪流擔任總值班經理,負責當天所有決策。

電力調度工作除先進的設備、技術外,更需仰賴調度員的專業與經驗,因此南、北中央調度中心皆導入證照制度並設有模擬訓練中心,藉由模擬訓練中心與真實調度台幾乎一模一樣的系統和設備,讓調度員透過不同情境的設定,學習並精進電力調度能力。

BOSS 提高全黑啟動成功率

921地震重創中寮超高壓開閉所,導致中、北部地區全黑,鄭調度監說:「電力系統最困難的就是全黑啟動」,而當時採人工計算的方式規劃復電加壓路徑,需小心控制加壓過程,「就好像用火種點火,需慢慢加木炭,不然火就滅了。」

為了強化復電效率,民國96年台電與臺灣大學研究團隊共同發展全黑啟動線上支援系統(Blackstart Online Supporting System,BOSS),當發生全黑事故時,調度員只需決定以哪座電廠做為全黑啟動的起點,系統即可自動避開故障線路,計算出到目標電廠的最短路徑,提供最佳全黑啟動決策,幫助調度員快速研判及提高復電成功率。

House Load Operation 加速系統重建及復電

電力系統全黑復電時,須靠全黑啟動機組加壓供電給火力電廠的輔機後,方能啟動大型火力機組運轉,也就是說一般的火力機組需藉助外電才能啟動,為縮短系統復電時間,目前部分燃氣複循環火力機組亦具備了全黑啟動功能,若真的遇上系統全停電事故,就能立刻搖身變成系統全黑啟動機組。

921後新設立的大潭發電廠,時任副廠長的陳建益副總經理創新導入了「廠用電運轉(House Load Operation)」功能,當系統發生全停電事故時,機組會在不跳機的情況下自動卸除負載並脫離電網,發電量則瞬間降到僅供電廠內自身輔機所需負載,俟外在電力系統加壓路徑規劃好之後,無需重新啟動機組,即可隨時併網發電,不僅加快了系統重建及復電的速度,也大幅提高了機組運轉的可靠性,House Load Operation也成為了後來新設燃氣複循環機組的標準必備能力之一。

高低頻卸載電驛 助系統供需平衡

系統全黑將造成國家安全風險及龐大經濟損失,且全黑再復電的過程相當艱辛,所以台電以各種保護裝置,從發、輸、配電端全方位確保系統平衡,避免電網崩潰,「只要系統沒全黑,尚存一口氣,也許只要幾個小時,系統就可起死回生。」系統規劃處(以下簡稱系規處)劉運鴻處長說。

劉處長表示,921因南電無法北送,北部供電不足而機組全停,事後檢討北部雖發電不足,但若能同時卸載,達到供需平衡,北部機組就不會全部跳脫造成全黑,而這個問題需以變電所安裝低頻卸載電驛來解決。

低頻卸載電驛能在許多發電機跳脫時自動卸掉負載,讓電網達到供需平衡,所以在921前,以各縣市平均分配的方式,達到27%的安裝率;921之後,則將低頻卸載電驛安裝比率調高至33%,同時考量北部缺電,將其中一半安裝在北部,另外一半則分布在中、南部,至民國88年底完成全部低頻卸載的設置。

相對於北部缺電,南部則是電力過剩,需在電廠安裝高頻電驛,發電處張天瑞副處長指出,當電力供給過多,高頻電驛會啟動自動跳脫,降低發電量,讓系統回歸穩定。

SPS隔離事故區域 維持系統穩定性

「以前只針對單一設備或單一線路進行保護,921後在輸電線路裝置特殊保護系統(Special Protection System,SPS),並自95年起建置全系統特殊保護監測系統,24小時監控、確保系統穩定度。」調度處林昭琦副調度監說,若某地區發生大地震,SPS為了讓系統存活,會隔離發生大地震區域的電力系統,保全其他區域用電,並且自動選擇卸載或跳機,讓正常區域的供需平衡。

核電廠挺過921考驗 防、減、救災全面俱到

國內三座核能發電廠建廠階段,均參照美國法規要求,除了需建築在堅硬的岩盤之上,並經由嚴格的歷史地質調查與評估,進而訂出各廠耐震基準,其耐震能力遠大於一般建築。921發生時,北部第一和第二核能發電廠均安全停機,南部第三核能發電廠兩部機組僅高頻降載,安全未受影響。透過無預警的天災強震考驗,也證實國內核能電廠耐震設計安全無虞。

核能發電處(以下簡稱核發處)簡福添處長表示,「以前全世界只有日本安裝強震自動急停裝置,所以台電派人到日本取經,之後國內三座核電廠,也在民國96年完成安裝,只要地震強度達到設計安全停機的一半,電廠就會自動停機,確保機組安全無虞」。台電核能電廠對於民眾的安全防護持續強化,可以從「防災、減災、救災」等面向,看出其努力的成效。

耐震「防災」持續強化

在防災部分,民國96年及98年經濟部中央地質調查所分別公布北部山腳斷層及南部恆春斷層為第二類活動斷層(3萬5千年曾經錯動過),台電展開一系列調查評估,並對於營運中電廠進行耐震補強,補強後,第一、二、三核能發電廠耐震度分別由0.3g、0.4g、0.4g提高至0.51g、0.67g及0.72g,簡處長指出「核電廠耐震度提高到0.72g是世界第3高。」以中央氣象局公告的地震震度分級,921最高震度為7,相當於最大地表加速度0.4g,而核能電廠耐震設計是以岩盤加速度為準,代表其地表的耐震能力更遠大於此。

核電廠的耐震補強項目包括安全停機注水系統的管線補強及閥體、泵浦、馬達、電器控制盤等加固,當中最困難的是桶槽加固。桶槽對核能機組至關重要,一是供給水冷卻,二是供給油做為緊急發電,因此在桶槽跟管子接合面採用可撓性接頭,桶槽若因地震位移才不會拉斷管子。核發處劉明輝副處長也指出,為強化桶槽的穩固及限制位移量,確保管路不脫節,每個桶槽平均約用18根直徑1.2公尺、長達15至16公尺的地樁,直接打入地底岩盤,而此項基樁環梁固定工程還獲得了亞洲電力金牌獎的肯定。

隨時做好「減災」應變

「減災」是指訓練人員如何在災害發生時,能夠迅速動員應變處理,並進行相關通報等作業要求,簡處長指出,每座核電廠設有模擬器控制室,可反覆訓練同仁面對地震災害的應變操作。2011年日本311福島核災事件後,國內核能電廠更汲取經驗,加強各項防災演練。核電廠除了定期進行救災演練外,核發處並於夜間辦理無預警抽測,確認電廠人員可以在規定的時限內完成各項救援準備。

為了確保電廠人員隨時處於機警狀態,管制機關行政院原子能委員會(以下簡稱原能會)及核發處也會於夜間進行無預警動員及通訊測試,甚至原能會也會無預警地會同相關單位進行視察,確保電廠同仁隨時做好緊急應變的準備!

對於核電廠的「救災」,台電於總管理處設有緊急計畫執行委員會(以下簡稱緊執會),為核子事故緊急應變專責單位,並於每年辦理核安演習,進行跨部會演練,在事故發生後,緊執會相關人員依據任務編組進駐位於台電總管理處26樓的核子事故應變中心,與核電廠連線掌握狀況及採取必要應變措施,並配合中央災害應變中心,協助跨部會人力救災調度,將災害降到最低。「防災、減災、救災」的三道嚴密防護,有效鞏固臺灣核能安全。

開通骨幹輸電線路 強化融通能力

強化南、北電力融通第一要務就是提升整體輸電線路效能,目前國內分別有345kV超高壓輸電線、161kV特高壓輸電線、69kV高壓輸電線三種輸電線,其中345kV相當於電網的國道,做為大電量、長距離傳輸之用,系統規劃處劉運鴻處長指出,921前南北電力靠兩條超高壓輸電線路互通有無,但隨著電力系統壯大、尖峰負載成長,需要建置第三條線路,增加融通能力。

其實第三超高壓輸電線路(簡稱超三路)在921前就已經規劃完畢,但因地方阻力重重,遲遲無法完工,921後大家體認到南北融通骨幹輸電線路的重要,才加快速度於民國91年5月完工。鄭有財調度監說:「超三路的完成,是臺灣電力發展一個重要的里程碑。」以102年芮氏規模6.2的327地震為例,當時超一、超二、超三路共六條回線中,有一條正在定期檢修,另外四條因為地震而跳脫,所幸還有一條勉強維繫南北系統融通,順利化解臺灣再度發生全黑事故的危機。

另外,中寮開閉所一向扮演匯集中、南部電力及調度傳輸的重要角色,在921之前,包括超一、超二路,就有多達20幾條線路在此匯流,台電也從921中寮開閉所震毀事件中得到寶貴經驗,重新規劃系統線路時,將超一路旁通中寮,也就是讓電力從龍崎直接接入天輪超高壓變電所,以分散風險。

隨著材料科技進步,系規處持續強化輸電線路工程,預計在民國114年12月完成超二路中寮至霧峰、超三路義和到峨眉、峨眉至竹園、峨眉至龍潭(南)的線路更換,新的耐熱、超耐熱導線預估能增加50~70%的送電容量。

輸變電設備防震(災)對策 抗震規格再提高

除了強化線路輸電能力,為避免因地震再度引發長期或大範圍停電,台電以歷年變電所地震損壞檢討紀錄及921地震後供電系統防震對策為基礎,訂定《輸變電設備防震(災)對策》,這也成為新設、汰換設備的準則。

輸變電工程處(以下簡稱輸工處)陳永源副處長表示,「這本對策是學習及借鏡日本的防震經驗,從地震檢討結果得出設備防震、土木改善、輸電線路的精進等方法,再彙整成書。」供電處鄭壽福副處長也指出,「對策就是SOP,能讓後輩有所依循。」

921地震造成中寮開閉所比壓器、避雷器、匯流排鋁管及支持夾板斷裂、蓄電池組倒塌,負責變電所設計的輸工處在通盤檢討工法與耐震規定後,訂立變電所設備基本耐震規範為水平加速度0.33g、垂直加速度0.22g;含161kV以上套管的設備並具防震阻尼構造,因套管較高及地震波放大效應,耐震係數增加至水平0.5g,垂直0.3g;配電盤、交直流電源、蓄電池及充電機等基礎螺栓需達水平靜態1.5g地震力。

陳副處長進一步說明,921前對避雷器、比壓器設備的防震震度要求為「地表上」,但礙子、礙管是安裝在離地2公尺的台架上,地震波會有放大效應,因此921後採購規範增列「耐震條款」,規定產品必須承受水平方向0.3g加速度之地面波共振正弦波2週波,避雷器交貨之前由台電抽樣交由國家地震工程研究中心放置於2公尺高的台架上,進行搖晃測試。

工法再提升 以裕度、可撓性導線抗震

在工法變革上,加大避雷器、比壓器之間的引線裕度並採獨立配置,減緩因地震造成錯動時,引線保有空間拉伸,不會拉扯設備,也同時避免設備損斷後甩盪至其他設備,造成連帶損毀。

匯流排的支持夾板在921後也做了耐震措施改進,但前提是不能因地震時吸收位移而受損程度超過礙子,否則支持夾板沒斷,造成造價較昂貴、難以維修、汰換的礙子反而先損毀,避免匯流排掉落,造成停電範圍及修復時間擴大;輸工處徐仁正組長表示,依據這個原則,將支持夾板底座螺絲孔從8孔改為4孔,避免應力集中,厚度則從19mm增加至23mm。

921後新設或汰換的變電所一律採用新標準,對於既設部分,供電處徐榮彬課長指出,屋內型的配電變電所(D/S)設備防震能力較強,因此改善重點會放在屋外型的超高壓變電所(E/S)及一次變電所(P/S)的防震措施加強。

塔基深入堅實地盤 分色管理與補強

在輸電鐵塔方面,供電處林世孺組長表示鐵塔構件本身損壞的狀況非常少,「鐵塔本身是經得起強震,問題在鐵塔基礎。」因應不同需求,鐵塔地基有淺基礎、深基礎等不同型式,黃漢承課長指出,依據受損程度分析,土壤基礎、普通基礎(屬淺基礎型式)受損較為嚴重,深基礎、連梁基礎或大口徑樁、沉箱基礎、單基樁(屬深基礎型式)等則幾乎無損,因此921後山區新設鐵塔都改為深基礎型式,以確保輸電線路基礎的安全。

輸工處陶恕課長表示,一般來說基礎埋入堅實地盤,應不致隨地表土石滑動,所以深基礎型式基礎設計乃是將基礎體埋入堅實地盤2公尺以上為原則,一般需挖至地下15公尺以上,相較於僅挖至地下3~6公尺的淺基礎型式更具穩定性。另外,位在山區的鐵塔,地質鑽探之鑽孔數量也從1孔增加為3孔,陶課長指出:「3孔形成一個面,這3孔鑽探時須錯開 ,最高、最低各鑽1孔,其間再鑽1孔,3孔須隔開一定距離以上 ,若遇岩盤並需繪製岩盤走向,如此更能探測出塔址整體的地盤狀況,以便確實了解堅實地盤之位置。」

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