112 高普考高考三級 職業安全衛生 機電防護與防火防爆 考古題詳解

核心觀念

本題聚焦於營造工程重大災害（如塔式起重機拆卸／吊掛工安事故）所衍生之機械安全防護技術與法規要求。核心觀念涵蓋：

1. 起重機四大基本動作與風險危害：捲揚（Hoisting）、起伏／小車牽引（Luffing/Trolleying）、旋轉（Slewing）、走行（Traveling）的力矩平衡破壞與組件失效機制。
2. 本質安全防護原理：故障安全（Fail-Safe）設計、聯鎖控制（Interlock System）、極限遮斷（Limit Switching）與主動聲光預警。
3. 法規基準：以命題當年（民國 112 年）勞動部發布之《固定式起重機安全檢查構造標準》及《起重升降機具安全規則》為依準。

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解題方法

本題屬標準的「時事結合法規與工程原理」之高普考申論題型，答題架構應分為兩大主軸：

1. 第一部分：原理與構造功能分析 針對塔式起重機（Tower Crane）最具代表性之核心安全裝置，分別就「構造組成」、「保護功用」及「作動原理」採三段式深層剖析，展現機械防護之工程專業素養。
2. 第二部分：法規強制裝置條列 嚴格依據《固定式起重機安全檢查構造標準》（民國 112 年版）各條文規定，分類列出法規明定必須設置之「安全保護裝置」，精準寫出法條關鍵名詞與規範數值（如安全間隔、停機風速等），以獲取高分。

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選項分析

本題為專業科目申論題，非選擇題，無選項設計。答題時切忌條列雜亂，應依功能屬性（極限限制、超載預防、制動安全、防脫防逸、環境監測與電氣安全）建立清晰架構。

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解題技巧

1. 結構記憶口訣——「捲、載、程、鉤、煞、風、停」：

• 捲：過捲預防裝置（防衝頂、防拉斷）。
• 載：過負荷防止裝置（力矩限制器 LMI）。
• 程：行程極限開關（起伏、小車、旋轉極限）。
• 鉤：防脫舌片（防止索具跳脫）。
• 煞：機械制動器（常閉型煞車）。
• 風：風速計與防逸走裝置／順風自由旋轉機構。
• 停：緊急停止裝置。

2. 常見陷阱與評分關鍵：

• 過捲間隔：不可只答「過捲開關」，應寫出法規規定之滑輪間隔距離（一般起重機 $0.25\text{ m}$ 以上；直動式 $0.05\text{ m}$ 以上）。
• 煞車機構屬性：務必強調「常閉式（Normally Closed, Fail-Safe）」，即失電或故障時立即藉由彈簧力抱死。
• 塔吊的風力釋放：塔式起重機非工作狀態（如颱風）時，旋轉機構通常須解除制動，具備「自由旋轉（Free-Slewing）」功能，使吊臂順風向擺動以減小風阻，此為塔吊極具代表性之安全設計。

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【答案】

一、塔式起重機核心安全裝置之構造、功用與作動原理

1. 過捲預防裝置（Over-hoisting Limit Device）

• 構造：主要由配重重錘（或連桿轉臂）、復位彈簧、微動開關（常閉接點）及電氣配線組成；亦有與捲胴同軸之齒輪凸輪極限型式。
• 功用：防止吊鉤組過度上升衝頂，避免碰撞桁架臂桿或滑輪組，防止鋼索拉斷造成吊具與吊物墜落。
• 原理：吊鉤上升至上限位置時頂起重錘，重錘對微動開關的拉力消除，開關在彈簧彈力下跳脫切斷捲揚上升電磁接觸器線圈迴路，馬達斷電且煞車同時抱死，吊鉤立即停止上升，但仍保留下降功能。

2. 過負荷防止裝置（Overload Limiter / Load Moment Limiter, LMI）

• 構造：包含荷重感測器（Load Cell）、起伏角度感知器（或小車半徑傳送器）、中央微電腦運算控制器、聲光顯示器及控制繼電器。
• 功用：防止起升載重超過該作業半徑對應之額定力矩，預防起重機金屬結構變形、吊臂折損或整機傾倒。
• 原理：力矩平衡原理（$\text{力矩 } M = \text{荷重 } W \times \text{作業半徑 } R$）。感測器持續將即時重量與作業半徑訊號傳送至控制器，當力矩達額定值之 $90\% \sim 100\%$ 時，發出聲光警示；

核心觀念

本題結合了「消防工程滅火原理」與「工業通風稀釋計算」，主要測驗以下法規與學理觀念：

1. 二氧化碳滅火原理與氧氣稀釋計算：二氧化碳（$CO_2$）滅火系統主要藉由置換空氣中的氧氣，以「窒息作用」達到滅火效果。新鮮空氣中氧氣約佔 $21\%$（體積分率），當注入特定體積的二氧化碳氣體使其均勻混合時，氧氣濃度會等比例被稀釋。
2. 通風稀釋微分方程與排氣標準：

• 依命題當時（民國 112 年）之《各類場所消防安全設備設置標準》第 229 條規定，二氧化碳全區放射或局部放射之滅火防護區域，專用排風設備之排風量需具備每小時 5 次以上之換氣量（$ACH = 5\text{ hr}^{-1}$）。
• 依命題當時之《勞工作業場所容許暴露標準》，二氧化碳之八小時日時量平均容許濃度（PEL-TWA）為 $5,000\text{ ppm}$（即 $0.5\%$）。
• 室內污染物濃度稀釋模型遵循一階指數衰減方程式： $\frac{dx}{dt} = -\left(\frac{Q}{V}\right) x$ 積分後即得題目提示之線性形式：$\ln x = -\frac{1}{12}t + c$。

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解題方法

(一) 計算滅火時之氧氣濃度

1. 基本假設：

• 放射前防護區域內為標準新鮮空氣，氧氣體積分率為 $21\%$。
• 二氧化碳藥劑均勻擴散於防護空間內，且滅火過程無外氣劇烈干擾。

2. 推導與計算：

• 當二氧化碳放射達設計濃度 $34\%$ 時，防護區域內原新鮮空氣所佔體積分率降為： $100\% - 34\% = 66\% \quad (0.66)$
• 此時殘存之氧氣濃度（體積分率）為原空氣中氧氣之等比例稀釋： $O_2\% = 21\% \times (1 - 0.34) = 21\% \times 0.66 = 13.86\%$

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(二) 計算排放後之二氧化碳濃度與安全評估

1. 通風方程式與常數求解：

• 專用排風機換氣率為每小時 5 次，換算為每分鐘之換氣次數： $\frac{Q}{V} = \frac{5\text{ 次}}{60\text{ min}} = \frac{1}{12}\text{ min}^{-1}$
• 題目提示之通風稀釋公式為： $\ln x = -\frac{1}{12}t + c$
• 於排放起始點（$t = 0\text{ min}$），二氧化碳初始濃度為滅火設計濃度 $x_0 = 34\%$： $\ln(34) = -\frac{1}{12}(0) + c \implies c = \ln(34) \approx 3.5264$
• 濃度與時間的特定方程式為： $\ln x = -\frac{1}{12}t + \ln(34) \iff x(t) = 34 \cdot e^{-\frac{1}{12}t}$

核心觀念

本題考查「防爆電氣危險區域劃分」中通風條件之定性與定量評估機制，核心依據為國際標準 IEC 60079-10-1 及我國國家標準 CNS 3376-10-1《爆炸性環境－第10-1部：區域劃分－爆炸性氣體環境》（法規層面參照勞動部《職業安全衛生設施規則》第177條、經濟部《用戶用電設備裝置規則》危險場所相關條文，以命題當年民國 112 年法規為準）。

1. 危險區域劃分三要素：釋放源等級（連續級、一級、二級）、通風條件（通風等級與通風有效性）、爆炸性氣體物理化學特性（燃燒下限 $LEL$、蒸氣密度等）。
2. 通風的作用：藉由空氣流動將外洩之可燃性氣體／蒸氣稀釋至 $LEL$ 以下，並將其帶離危險場所，進而縮小危險區域範圍（Extent）或降低區域劃分等級（Zone）。
3. 評估通風的兩大維度：

• 通風等級（Degree of ventilation）：評估通風「稀釋氣體至安全濃度」的能力大小。
• 通風有效性／可靠度（Availability of ventilation）：評估通風設備「維持連續運轉不中斷」的能力與可靠程度。

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解題方法

本題為純申論論述題，答題架構應條理分明、層次遞進：

1. 通風等級（Degree of Ventilation）：從「稀釋能力」與「可燃性蒸氣雲消散容積」切入，依據標準劃分為高（High, $V_H$）、中（Medium, $V_M$）、**低（Low, $V_L$）**三級，逐一說明其定義與實質效果。
2. 通風設備有效性（Availability of Ventilation）：從「設備運轉可靠性」與「中斷頻率／持續時間」切入，劃分為良好（Good）、正常（Fair）、**不良（Poor）**三級，說明其判定條件（如備援風機、自動切換、警報連鎖等）。
3. 綜合效應矩陣：最後簡要說明「通風等級」與「有效性」如何交互作用影響危險區域等級（Zone 0、Zone 1、Zone 2），展示對題旨之完整掌握度。

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選項分析（本題為申論題，此處為閱卷評分要點解析）

本題非選擇題，閱卷評分重點著重於專有名詞定義精準度及分類完整性：

• 得分要點一（通風等級之分類與定義）：需完整列出「高通風」、「中通風」、「低通風」，並點出關鍵評估指標（釋放源周圍濃度能否即時壓低於 $LEL$ 以下、釋放停止後之消散時間）。若僅回答「通風好、普通、不好」未寫出標準定義者，予以扣分。
• 得分要點二（通風設備有效性之分類與定義）：需完整列出「良好」、「正常」、「不良」，並說明設備故障停機時的備援機制與中斷容許程度。
• 加分要點（對區域劃分之實務影響）：能說明通風等級與有效性結合後，如何使連續釋放源、一級釋放源或二級釋放源降級或升級（例如良好高通風可使區域降為非危險區，而不良通風會使危險區域升級）。

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解題技巧

1. 對比記憶法：

• 通風等級看「風量與稀釋濃度」：高通風 $\rightarrow$ 幾乎無危險範圍；中通風 $\rightarrow$ 範圍受控且消散快；低通風 $\rightarrow$ 釋放時濃度累積超標、消散慢。
• 有效性看「斷電與備援」：良好 $\rightarrow$ 雙風機自動切換／不斷電；正常 $\rightarrow$ 短暫停機可被接受；不良 $\rightarrow$ 停機頻繁或無預警斷風。

2. 答題陷阱提醒：切忌將「通風等級」與「通風設備有效性」混為一談。通風設備就算風量極大（高通風），若三天兩頭跳電且無備用風機（不良有效性），依然無法有效降低該場所的危險等級。

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【答案】

依據 CNS 3376-10-1（IEC 60079-10-1）標準規範，通風等級之分類與通風設備之有效性說明如下：

一、 通風等級之分類（Degree of Ventilation）

核心觀念

本題旨在評量考生對粉塵爆炸學理（爆炸五角形，Explosion Pentagon）以及工業場所中可燃性粉塵危害防制工程與管理實務的掌握程度。

1. 粉塵爆炸五要素： 粉塵爆炸相較於一般氣體燃燒火災三要素（可燃物、氧氣、引火源），必須同時具備以下五項要件：

• 可燃性粉塵（Combustible dust）
• 助燃物／氧氣（Oxygen / Oxidant）
• 引火源（Ignition source）
• 懸浮狀態（Dispersion / Suspension）
• 密閉或侷限空間（Confinement）

2. 防爆基本原則：

• 主動預防（Prevention）：消除五要素中的一項或多項，使爆炸反應不具備引發條件。
• 被動防護與減災（Mitigation / Protection）：預期爆炸可能發生時，藉由工程結構與安全連鎖裝置限制爆炸壓力及火焰傳播，保護作業人員與建物設備安全。

3. 法規依據（以命題當年民國 112 年法規為準）：

• 《職業安全衛生設施規則》第 175 條（通風、換氣或除塵以維持低於爆炸下限）、第 176 條（排除粉塵滯留）、第 177 條（電氣防爆性能）、第 179 條（嚴禁煙火）、第 180 條（防止靜電危害）及第 184 條（防止摩擦衝擊火花）。

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解題方法

本題為標準申論題，答題策略應採用「先學理定位、再分層防治」的結構化論述：

1. 破題：明確指出防止粉塵爆炸必須從「消弭爆炸要素（預防）」與「抑制爆炸後果（減災）」雙軌並進。
2. 主體展開：

• 控制可燃物與浮游狀態（抑制粉塵濃度、防範二次爆炸）。
• 消除與控制引火源（電氣、靜電、機械、動火）。
• 控制氧氣濃度（惰性化技術）。
• 爆炸防護與洩壓隔離（洩爆、抑爆、隔爆、耐壓）。
• 安全管理機制（制度、教育訓練、動火許可）。

3. 條列化呈現：標籤明確、層次清晰，以標準工程防護用語作答。

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解題技巧

1. 記憶口訣與結構聯想： 答題時緊扣「物（粉塵）、源（著火源）、氧（惰化）、防（洩抑隔耐）、管（管理維護）」五大構面，避免遺漏任何關鍵控制點。
2. 常見失分陷阱：

• 忽略「二次爆炸（Secondary Explosion）」：許多考生只寫設備內的防護，忽略建築物內部沉積粉塵遭震落揚起引發更大規模二次爆炸的危險。務必強調良好內務整理（Housekeeping）。
• 只答「預防」未答「減災」：防止「危害」包含防範爆炸發生，以及爆炸發生後的損害控制（洩爆、抑爆、隔爆），缺少後者分數難以拿滿。

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【答案】

防止建築物或設備中可燃性粉塵爆炸危害的方法，應基於「粉塵爆炸五要素」，從「防止爆炸發生（預防措施）」與「減輕爆炸損害（防護措施）」兩大方向進行工程控制與安全管理：

一、 控制可燃性粉塵與防止粉塵浮游（控制可燃物）

1. 防止粉塵沉積與落實內務整理（Housekeeping）：

• 廠房建築結構（樑柱、天花板、管線、燈具外殼等）應採用平滑傾斜設計，減少水平死角，避免粉塵堆積。
• 建立定期清掃機制，嚴禁使用壓縮空氣吹掃（避免形成懸浮粉塵雲），應採用具防爆認證的工業級真空吸塵設備或濕式擦拭清理，以杜絕毀滅性的「二次爆炸」。

2. 設備密閉化與負壓操作：

• 粉碎、研磨、篩選、混合與輸送等粉塵製程設備應保持高度密閉，並維持微負壓運轉，防止粉塵溢散至作業環境中。

3. 設置局部排氣與除塵系統：