電容器應用原理 與火災調查分析與預防對策
Capacitor use principles and fire scene investigation analysis and prevention measures
壹、前言

電器設備為民眾日常生活中必會接觸之用品,而電器設備的運作,須靠電源供應。電源供應由臺灣電力公司發電設施經由輸配電路(饋電線)送至消費用戶,惟電力公司輸電系統之基幹為超高壓輸電系統,輸送長距離之大容量電力,除有效功率外,還有與工作非相關的虛功,故有效功率的使用效率,以「功率因數」來衡量電力是否被有效利用之程度。為了減低無效功率、提升功率因數,於配電系統靠近負載的地方裝置電容器,以電容器來供給負載所需之無效電力(虛電流),穩定負載端電壓,降低線路損失,增加系統的有效供電容量。電容器常見於各式各樣之電器設備,無論是大樓的配電盤與動力設備、照明器具、電冰箱、冷氣機等,皆須由電容器來改善功率因數或穩定電壓電流,因而電容器若使用維護不當,可能導致爆炸、起火、燒損,故電容器應用原理的認識,有助於火災現場調查的參考。

People frequently come into contact with electrical equipment in daily life and its operation depends on power supply. Power is supplied to users through Taipower’s electricity distribution circuits (feeder lines). However, the backbone of Taipower’s transmission system is the super high voltage transmission system. Bulk power transmitted over long distances has effective power and also reactive power unrelated to work, so the efficiency of uses of effective power uses power factor to measure the degree to which electricity is being effectively used. To reduce ineffective power and increase power factor, capacitors are installed in the power distribution system near load and used to provide the ineffective power (reactive current) needed for load, stabilize load-end voltage, reduce line loss and increase the system’s effective power capacity. Capacitors are used in various kinds of electrical equipment; building distributor discs and power equipment, lighting equipment, refrigerators and AC machine etc. all use capacitors to increase power or stabilize voltage and current. If capacitors are improperly maintained they can explode, catch fire or be damaged by burning, thus knowing capacitor application principles can provide reference for fire scene investigations.

貳、基本學理
■電容器基本構造。

  一、構造:電容器具有儲存電荷的能力,基本構造為兩金屬片(兩電極)間加入一介質(不導電物質或絕緣材料,如空氣、雲母、陶瓷等),金屬片之面積越大或相互距離越近,電容量也越大。
  二、優點
  (一)電容器充放電速度非常快(通常以ms或μs計算),可在一些電路上做輔助電源使用,故許多電源的輸出端或負載的輸入端,都會併入一個大電容,做為輸出或負載發生劇烈變動時,提供瞬間的電流以穩定電壓因負載所產生的變化。
  (二)電容器可將強大的電場表現在小容積內,故可做為儲存能量之有用器具。
  (三)電容器與其他電子元件聯用時,可以減少電壓的變化、可以產生脈波信號、可以提供時間的延伸(調整電流相位),用途極廣,其最大目的在於「改善功率因數」。
  三、電容器種類
  電容器一般依照所用的介質來分類,可分為空氣電容器、紙質電容器、雲母電容器、陶瓷電容器、電解電容器。
  四、三相電容器內部構造
  以工廠、大型商業場所設置三相電容器為例,金屬盒內部有數個電容器元件並排,且連接電源配線,再藉由金屬盒上方端子與電力系統連接(電容器內部構造圖見第57頁),故依據火流研判為電容器起火時,不一定只有電容器內部電極、介質受燒燒熔、燒損碳化的痕跡可以判別起火原因,亦可能在電容器金屬盒或電容器附近找到電源配線短路跡證協助判別。

參、電容器起火原因

  電力電容是改善電能質量、降低電能損耗、提高供電設備效率的常用設備。由於電力電容器內部採用的絕緣油、介質材料等皆為可燃物,因而運行中的電力電容稍不注意就會因種種原因引發火災,甚至爆炸。
  電力電容最普遍的故障是電極間或對外殼絕緣的擊穿,故障發展過程一般為先出現熱擊穿,逐步發展到電擊穿,在高溫和電弧作用下,產生大量氣體,使壓力急劇上升,最後電容器外殼膨脹破裂,直至爆炸起火,當某一電容器發生爆炸後,極有可能引發其餘電容器的群爆,流油燃燒起火,引起整個電容器室著火。
  由於電容器種類繁多,故障原因難舉一而足,除了電容器使用不當故障外,於製造、安裝工程上所發生之問題亦相當多,故以下僅就常見的原因做列舉(註3)。
  一、初期性故障
  電容器本身產品製造過程有缺陷,使用中易加速劣化引起故障。
  二、偶發性故障
  安裝時接線不牢固或遭外力破壞、安裝處所通風不良,周圍溫度過高等。
  (一)安裝不良:如引線端子與電源線接線鬆動,使電容器接觸不良局部發熱,直至起火。
  (二)使用不當:投入運行的電力電容,如不嚴格按安全規程操作,很容易引發火災;另外,電容器質量太差、對地絕緣不良等,同樣會導致事故發生。
  (三)溫度過高:電力電容的運行依介質材料和浸漬劑的不同,都有規定的最高允許溫度,在運行過程中,若電容器內部介質溫度超過規定、或室溫過高,可導致介質耐壓強度降低和介質損耗增加而起火。
  三、過載使用引起之故障
  (一)過電壓運轉:電容器使用電壓超過最高容許過電壓限值,致運行電壓過高,容易擊穿電容器絕緣,形成相間短路或對地短路而著火。
  (二)過電流運轉:電容器之充電電流含有諧波狀況下,使電流之有效值大於容許過電流值,造成電容器的溫升增加,破壞熱平衡,導致火災。
  (三)使用於自動功率因數調整盤(APFR)之電容器,因隨負載之變化,有經常性之投入與跳脫,其投入瞬間之突增電流,如未加抑制,極易造成電容器故障及電磁接觸器接點損壞。
  四、老化性故障
  電容器使用多年後,由於電源配線絕緣物老化和內部介質損耗等因素,造成絕緣強度降低而引起損壞。

肆、調查鑑定注意事項

  隨著時代進步及科技日漸發達,許多工廠、商場等規模較大型之場所用電量相對提高;高樓大廈規模大,且常設有休閒設施如游泳池、SPA等,住家加上公設用電總量亦極高,因此,諸類場所常將電容器和電源供電線路並聯,以提高功
率因數,降低場所相關電源線路無效功率損失,進而提升電力系統的供電效率。故身為火災調查人員,對於電容器原理、構造等應有一定認識,並注意各種電容器特性可能造成起火之原因。
  電容器為最容易起火之電氣元件,如依據火流研判為電容器起火時,不一定只有電容器內部電極、介質受燒燒熔、燒損碳化的痕跡可以判別起火原因,亦可能在電容器金屬盒或電容器附近找到電源配線短路跡證協助判別;其需了解、事
先掌握之事項如下:
  一、電容器若集中裝置,通常都裝置在總電源處,並裝設自動功率因素調整器,偵測電感負載的變化,當電感負載增加、功率因數降低時,啟動電磁接觸器,將適當容量電容器投入電源;若電感負載減輕,自動偵測裝置會命令電磁接觸器跳開,將電容器斷離,如此用電效率隨時保持在最佳狀態。
  二、電容器起火燃燒與電路上之電壓、電流過高有關,若研判電容器起火,亦應注意該電路起火前使用狀況,有無電壓、電流異常情形發生,並勘查斷路器或保險絲是否有跳脫或熔斷的情形。
  三、電容器依介質不同,有最高允許溫度的限制,若介質內部超過該溫度,可能導致介質耐壓強度降低及介質損耗增加而起火;然室內溫度升高亦可能是引發電容器起火之原因,例如大樓電源配電盤為一密閉金屬箱,若內部溫度升高又無散熱設備,則可能會對內部的電容器產生影響。故對於起火前室內溫度或是否使用散發熱源設施設備情形亦須有所掌握。
  四、裝置不良亦可能引起電容器起火,故勘查時應注意是否有引線端子與電源線接觸不良、脫落情形,端子處有無局部受燒變色、燒熔嚴重。
  五、研判屬電容器故障起火,應調閱參酌過往電氣室或電器設備檢修紀錄,有無頻繁更換燒損電容器情形;並了解該電容器所屬電路有無裝設自動功率因素調整器,是否有負載瞬間增加的情形。

伍、火災調查案例
■清理復原災戶1 樓倉庫東南側樓梯附近,樓梯下方堆放之木
棧板及紙箱受燒碳化、燒失嚴重,東南側牆面懸掛三相電容
器【標示牌1】外箱受燒變色嚴重。
■勘查災戶東南側牆面懸掛三相電容器外觀及內部電容受燒嚴
重碳化,檢視三相電容器內部電源配線絕緣被覆燒失、裸露
花線熔斷燒損嚴重。
■三相電容器內部電源配線熔斷處呈現短路熔痕巨觀特徵。

  下列2 件案例(藥妝賣場及早午餐店)均為電容器引燃火災,電容器之燒損狀況均為外殼爆裂、內部電極燒損。
案例1
  發生時間:1月19日上午3時38分
  建築物用途:藥妝賣場
  燒損範圍:藥妝賣場及3 戶延燒戶
  (一)火災概要
  1.起火處:1樓東側倉庫通往夾層的樓梯轉折平臺下方附近。
  2.起火原因:以電容器故障引燃火災的可能性較大。
  3.燒損概況:火災現場藥妝賣場及3戶延燒戶,是連棟鐵皮建築物,因藥妝賣場內部堆放大量易燃物,火勢迅速蔓延,高溫輻射火流並波及緊鄰之延燒戶。
  (二)延燒情形分析
  1.1樓賣場輕鋼架裝潢天花板、木質裝潢牆面受燒燒損均呈愈往東側倉庫附近愈嚴重跡象,倉庫東南側附近燒損嚴重,樓梯下方堆放約60公分高的紙箱嚴重受燒碳化、燒失,倉庫東南側水泥被覆層牆面懸掛的三相電容器外觀及內部電
容素體燒損嚴重。
 2.調閱附近監視器畫面顯示,於案發當日上午3時27分,藥妝賣場1樓倉庫東側窗戶附近有火光(花)產生,之後火勢不斷擴大;經查藥妝賣場設置保全系統較其他延燒戶設置保全系統,最先有系統迴路異常發報情形。
  (三)火災原因分析
  1.查訪藥妝賣場店長表示公司員工無人抽菸,也未使用蚊香;另勘查現場燃燒後之燒損跡象,與菸蒂、蚊香遺留火種燃燒之低處點狀碳化殘跡不同,現場清理勘查亦未發現菸蒂遺留殘跡,故研判菸蒂、蚊香遺留火種引燃火災之起火原因可排除。
  2.查訪藥妝賣場店長與負責人均表示最近店裡無異常人、事發生,另清理勘查起火處附近水泥地板面,無嚴重燒損跡象,且經查門、窗亦無遭破壞侵入跡象,故研判人為侵入縱火引燃火災之起火原因可排除。
  3.火災調查人員清理復原1樓東側倉庫樓梯附近,通往夾層樓梯轉折平臺附近梯階受燒變色嚴重,東南側水泥被覆層牆面懸掛三相電容器外觀及內部電容素體受燒嚴重碳化,附近遺留之三相電容器內部電源配線絕緣被覆燒失、裸露銅線(花線)熔斷燒損嚴重,且熔斷處發現有短路熔痕;綜合現場燃燒後狀況、燒損程度事實與關係人談話筆錄供述分析,研判本案起火原因以電容器故障引燃火災之可能性較大。

案例2
  發生時間:11月11日上午8時27分
  建築物用途:早午餐店
  燒損範圍:火勢僅侷限於早午餐店內部
  (一)火災概要
  1.起火處:廚房六門電冰箱上方附近。
  2.起火原因:廚房六門電冰箱上方壓縮機電容器故障引燃火災之可能性較大。
  3.燒損概況:早午餐店廚房附近燒損嚴重,其餘僅高處有燒損跡象。
  (二)延燒情形分析
  1.勘查早午餐店內部以廚房燒損最嚴重,北側木質裝潢牆面碳化、燒失,呈愈往東側六門電冰箱附近碳化、燒失愈嚴重;勘查廚房東南側擺放六門電冰箱燒損變色嚴重,電冰箱內部冷藏物品上層燒損碳化、變色程度明顯較下層嚴重,上層蒸發器呈北側燒損掉落傾斜跡象,電冰箱上方冷凝器受燒變色嚴重。
  2.查訪早午餐店3名員工均表示,目擊初期火勢位於廚房六門電冰箱上方,與現場燒損火流跡象吻合。
  (三)火災原因分析
  1.清理勘查起火處附近,未發現蚊香、菸蒂殘留跡象,據目擊員工表示:「…火災發生前我在店內西北側廚房燒開水,聽到六門電冰箱有碰的一聲,轉頭看到六門電冰箱上方中間位置起火燃燒…」,顯示初期火勢燃燒現象與蚊香、菸蒂等遺留火種需長期蓄熱悶燒碳化的燃燒現象不同,故研判遺留火種引燃火災的原因可排除。
  2.清理勘查起火處附近,未發現易燃液體劇烈燃燒跡象,且案發當時4名員工均於飲食店內作業,研判無外人侵入縱火的可能性,故人為縱火引燃火災之起火原因可排除。
  3.清理勘查六門電冰箱上方殘留許多燒損碳化物,其殘留碳化物多為裝潢木板、衛生紙、紙箱、塑膠雜物等,中間壓縮機、電容器配件組與冷凝器風扇馬達燒損變色嚴重,壓縮機及冷凝器風扇馬達電源配線經查無短路熔斷燒損跡象,電容器配件組固定金屬板受燒變色、氧化嚴重,兩顆電容器均有燒損跡象,其中運轉電容器上段呈燒熔爆裂狀,內部電容素體呈現燒熔碳化型態。
  4.據其中1名員工表示:「…火災發生前我在店內準備營業前的前置作業,其他3名員工在廚房告訴我廚房內六門立式冰箱已跳電,他們正在檢查冰箱線路,我隨即檢查電源開關箱內,發現貼有廚房冰箱的分路無熔絲開關跳脫,我將開關恢復呈使用狀態,1秒後該無熔絲分路開關又跳脫,隨後約2至3秒廚房內員工就大喊失火了…」,顯示六門電冰箱通電後隨即無熔絲開關又產生跳脫現象。綜合現場燃燒後狀況、採樣證物鑑識結果與關係人談話筆錄供述內容分析,研判本案起火原因以廚房六門電冰箱上方壓縮機電容器故障引燃火災之可能性較大。
陸、預防對策電容器火災預防,除平時對電容器裝置處所、電容器本身維護檢查,電容器組裝廠商、維修檢查人員、施工品質亦為關鍵。其事故預防對策詳述如下(註4):
  一、保養檢查
  (一)溫度、濕氣:電容器溫度異常上升,若非故障即為使用溫度範圍不當,應詳加檢查導致異常溫度上升原因,倘為故障則立即更換;若發現電容器外殼生鏽,應採取塗刷除銹塗料等防銹處理;電容器裝置場所不應有淋水或滴水情形,若有應立即改變電容器設置地點。
  (二)外箱:三相電容器金屬外箱若出現變形、爆裂、開孔現象,檢查是否有漏油、滲油情形,並立即更換電容器;若電容器本體出現膨脹,係因安全裝置啟動所致,應究察造成電容器異常之原因,並更新電容器。
  (三)固定電容器螺絲鬆動:可能是因為裝置環境之振動因子,導致固定電容器螺絲有鬆動情形,應改變設置地點或採取防振措施。
  (四)檢查電容器有無異常響聲、斷路器或保險絲是否正常、電線接頭是否過熱(絕緣被覆燒熔變形)。
  (五)電力電容運行的電壓、電流和環境溫度不得超過製造廠商規定的範圍。
  二、定期停電檢查
  定期檢查電容器各螺絲接點的鬆緊和接觸情形,及斷路器、保護裝置、接地線等是否良好。不論是高壓電容器還是低壓電容器,均不允許在帶有殘留電荷的情況下拆接,否則極可能產生很大的衝擊電流,引起火災,故定期檢查前,應將電源切斷後充分放電或等3 至5 分鐘才能拆接。
  三、設置安裝
  (一)斷路器或保險絲額定電流應在電容器額定電流之一定倍數範圍間。
  (二)電容器室嚴禁使用木板、油毛氈等易燃材料,不應安裝在潮濕、多塵、高溫、有腐蝕氣體、通風不良及長期受振動的環境裡運行,其周圍環境應散熱良好。
  (三)電容器室避免陽光直射,室內應保持通風良好、乾燥。
  (四)電容器裝置處所附近勿堆放雜物、可燃物。因電容器若故障起火,其近旁無可燃物,火勢應不致擴大延燒,而僅燒損電容器本身,故無可燃物之堆放,可提高電容器使用的安全性。
  (五)場所內電源線路及電器設備裝設、維護保養等,應由合格的電氣技術人員擔任,其所屬的機電工程公司亦須為合格有證照的公司。

■勘查六門電冰箱上方壓縮機附近殘留許多燒損碳化物,
其殘留碳化物多為裝潢木板、衛生紙、紙箱、塑膠物、
雜物等;中間冷凝器燒損變色嚴重。

■清理勘查壓縮機電容器配件組固定金屬板受燒變色、氧
化嚴重,兩顆電容器均有燒損跡象,靠西側(近冷凝器)
之運轉電容器上段爆裂燒熔(紅箭頭處)。

■消防署鑑定報告指出,電容器燒損情形為編號1 電容器外殼燒
失,內部電容素體僅上部碳化,下部仍保有原鋁箔構造;編號
2 電容器上蓋局部燒損,內部電容素體呈現燒熔碳化形態。

■比對同型式壓縮機電容器配件組(啟動電容器為黑色塑
膠外殼,運轉電容器為銀色鋁質外殼)。

柒、結論

  隨著電子科技進步及電氣設備使用品質要求提升,重視電源線路有效功率之增加、減少諧波影響送電品質的要求已然成為趨勢,故電容器瞬間充放電、穩定電壓電流、提升送電品質之功能常被應用在電力系統及各式電器設備。臺灣電力公司提倡用戶於負載側加裝電容器以降低電費、減少電力損失,因此民眾生活中常用的照明器具或工廠的動力設備、商業或住宅大樓的電氣室內配電盤皆裝置電容器來提升功率因素。由此可見,電容器之應用相當廣泛,因而電容器起火案例時有所聞,期能藉由本篇應用原理與調查案例敘述提供火災調查人員參考,於火場調查時遇有裝置電容器之場所(電氣室配電盤)或電器設備(冷氣機、電冰箱等),能慎重釐清電容器引燃火災因素,使火災原因調查結果更客觀、正確及具有公信力。
註釋
1.施純協、柯秉鈞,基本電學(上)(知行文化事業有限公司,1991),第126至130頁。
2.圖片由臺灣電力股份有限公司臺中區營業處專員翁進良提供。
3.高低壓電容器設置參考要領(裕昌機電工廠股份有限公司製作pdf檔)。
4.高低壓電容器設置參考要領(裕昌機電工廠股份有限公司製作pdf檔)。