115 高普考普通考試 輪機技術 船用電學與自動控制概要 考古題詳解

核心觀念

短路是電路中不同電位的導體因絕緣破壞、誤接或其他故障而形成低阻抗通路，使故障電流大幅增加。短路電流主要受電源電壓與故障回路總阻抗限制，依歐姆定律可表示為：

故障回路阻抗愈小，短路電流愈大。船舶電力系統重視短路，是因為短路會迅速造成設備損壞、引發火災，並可能使重要用電設備失電，影響船舶安全與運轉。

解題方法

依「電流增大、熱效應加劇、保護裝置切除故障」三個層次說明：

1. **電流方面：**短路回路阻抗遠低於正常負載阻抗，故障電流可遠大於額定電流。大電流也會在導體及電機繞組中產生電磁力，造成導體變形、絕緣受損或機械部件受力破壞。
2. **熱效應方面：**導體的焦耳熱功率為 $P=I^2R$。短路電流即使只持續很短時間，仍會因電流平方效應快速發熱；累積熱能可用 $Q=I^2Rt$ 表示。

核心觀念

本題考查三種常見船舶照明光源的發光原理、電氣特性與使用場合。比較時可抓住三個問題：光如何產生、是否需要安定器，以及效率、壽命與啟動特性如何。

燈具的發光效率可用每消耗一瓦電力產生的光通量表示：

其中 $\Phi$ 為光通量，$P$ 為輸入功率。效率愈高，表示相同耗電量下產生的光愈多。

解題方法

依「發光原理 → 輔助電路 → 性能優缺點 → 船上用途」逐一說明，再比較效率與啟動特性。白熱燈以燈絲熱輻射發光；螢光燈與 HID 燈則利用氣體放電，因此需要控制放電電流的電路。

三種照明設備的特性

一、白熱燈（Incandescent lamp）

• **發光原理：**電流流過鎢絲，使燈絲升至高溫後以熱輻射方式發光。
• **電氣特性：**通常不需另接安定器，電路簡單；可直接供電，調光也容易。
• **優點：**啟動迅速、演色性佳、光線連續，且燈具初始成本低。
• **缺點：**大量電能轉成紅外線與熱，發光效率低；燈絲耗損使壽命較短，燈泡表面溫度也較高。
• **船上用途：**適合構造簡單、需要快速點亮或局部照明的燈具；但耗電與更換頻率較高。

二、螢光燈（Fluorescent lamp）

• **發光原理：**燈管內的低壓汞蒸氣放電產生紫外線，再由管壁的螢光粉轉換成可見光。
• **電氣特性：**需要安定器限制放電電流；傳統燈具通常另有啟動器，電子式安定器則可控制啟動與運轉。
• **優點：**發光效率與壽命通常高於白熱燈，燈管表面溫度較低，適合提供大面積、均勻的照明。
• **缺點：**燈具電路較複雜；

核心觀念

本題考查電力計器中三種主要構件的分工：驅動裝置產生作用力矩，控制裝置建立平衡與定位，制動裝置抑制運動並使指示穩定。三者共同決定指示器如何偏轉、停在哪裡，以及如何迅速穩定。

解題方法

依照計器指示的運作順序說明各構件：先看誰使指示器動，再看誰決定平衡位置，最後看誰使運動平穩。指示器達到穩定讀數時，驅動力矩與控制力矩互相平衡：

其中 $T_d$ 為驅動力矩，$T_c$ 為控制力矩；制動裝置則提供與運動速度相關的阻尼或制動作用，使指示器不致持續振盪。

三個主要構件的功能

一、驅動裝置

產生使計器活動部分偏轉的驅動力矩。它通常由被測電量作用於計器內的線圈或磁路而形成；例如電力計的驅動力矩與電壓、電流及兩者相位差有關，因而能反映電功率。驅動力矩的大小決定指示器偏轉的趨勢。

二、控制裝置

核心觀念

本題考查船用電機的絕緣狀況判斷與絕緣電阻測試的安全操作。絕緣電阻是電機繞組與機殼（船體）之間，或不同繞組、相線之間，對直流電流的阻抗指標，通常以兆歐（MΩ）表示。絕緣電阻愈低，表示漏電通道愈明顯，絕緣失效風險愈高。

高阻計（絕緣電阻計、Megger）會對被測設備施加直流測試電壓，依電壓與漏電流測得絕緣電阻，可概括表示為：

$R_{\mathrm{ins}}=\frac{V_{\mathrm{test}}}{I_{\mathrm{leak}}}$

測值會受溫度、濕度、污損、鹽霧、油污及設備停用時間影響，因此應記錄測試電壓、溫度與測值，並與設備標準、過往紀錄及相同設備相互比較。

解題方法

作答分成兩部分：先說明檢驗的維護與安全目的，再依照「停電隔離、確認無電、適當接表、施測、放電復歸」說明操作注意事項。如此能同時涵蓋為何要測，以及如何避免人員觸電或測試損壞設備。

絕緣電阻檢驗的重要性

1. 預防觸電與漏電事故：絕緣劣化可能使繞組或導線對金屬機殼、船體漏電，危及人員安全；在船舶環境中，潮濕、鹽分與振動會增加絕緣劣化的風險。
2. 預防短路、接地故障與火災：絕緣破損可能造成相間短路或對地故障，引發保護裝置跳脫、設備損壞，甚至火災。
3. 判斷設備是否適合投入運轉：檢修、長期停用、受潮或異常故障後，量測可作為送電前檢查的一環，避免絕緣狀態不良的電機投入運轉。
4. 掌握劣化趨勢，安排預防保養：定期記錄與比較測值，可及早發現受潮、污損或絕緣老化。絕緣電阻是狀況診斷的重要指標，但應配合設備規範、溫度及歷史趨勢判讀，不宜只憑單一測值下結論。

使用高阻計的安全事項