地震來襲也不怕！科學家研發變壓器「防震神器」守護電網安全

維持全美電力供應可不是件簡單差事。我們習以為常的電網系統，其實仰賴許多造價高昂的大型裝置，其中又以電力變壓器最為關鍵。一旦變壓器故障，不僅更換時間可能長達一年以上，所需費用更是驚人。對於加州、太平洋西北部等人口稠密又位處地震帶的地區來說，時間就是金錢。

地震發生時，高壓變壓器最脆弱的部位就是「套管」——這種中空絕緣體負責安全引導變壓器內部繞組與外部輸電線路之間的電流。由於陶瓷具有優異的絕緣特性，能有效隔離銅或鋁等導電材料，避免高壓電流洩漏或引發爆炸，因此成為套管的主要製作材料。

這些套管通常以螺栓固定在變壓器油箱上方的突緣上。愛達荷國家實驗室（INL）的研究團隊特別針對這個連線部位展開研究，目標是開發一種結構簡單、可調式的「解耦器」。這種裝置能安裝在套管基部，透過調整來避免套管與突緣產生共振頻率——這種現象會導致陶瓷套管承受過大的機械應力。

「共振頻率是問題的核心。」研究計畫主持人、2025年美國總統早期職業獎得主Bjorn Vaagensmith強調。所有物體都有固有共振頻率，當外界振動頻率與之吻合時，就會產生最大振幅。就像聲波能震碎紅酒杯或鏡子一樣，1940年塔科馬海峽吊橋的倒塌就是最著名的工程案例——風速、橋梁設計與材料特性共同形成的共振頻率，讓橋面劇烈擺動，最終在通車四個月後解體墜入普吉特海灣。

地震時，地震波會造成地面上下或前後震動，這種動能會傳遞到大型變壓器。由於鋼製變壓器油箱本身具有彈性，加上內部絕緣油的密度特性，容易與安裝其上的裝置產生動態共振。當油箱與套管的振動頻率同步時，地震能量就會被放大，最終可能導致套管不堪負荷而毀損。

Vaagensmith與INL同事Chandu Bolisetti、工程公司WEGAI的Jon Bender正聯手開發一種解耦裝置，能改變套管的共振頻率，使其偏離變壓器的固有頻率。這種設計簡便的解耦器可直接安裝在現有變壓器套管基部，改裝成本低廉。研究團隊已為此設計申請專利。

研究團隊計劃在2026年進行一場史無前例的大型測試——他們已取得一臺重達50萬磅的變壓器，準備運往加州大學聖地牙哥分校的地震模擬器。該校擁有全美最大的振動臺，規模僅次於日本同型裝置。這項測試將首開先例，可能從此改變地震帶變壓器的安全標準。

「這可是千載難逢的機會。」Bolisetti難掩興奮：「在我看來簡直是奇蹟！」團隊與紐約州立大學水牛城分校合作期間，獲得充分空間進行各種嘗試與錯誤——這正是實驗的意義所在。「我們可以盡情測試各種失敗情境。」Vaagensmith說：「在前往聖地牙哥之前，我們必須確保解耦器的設計萬無一失。」

這項創新已在業界引發熱議，特別是INL團隊在2024年10月IEEE電力與能源學會變壓器工作組年會上的主題演講後。這個會議正是制定變壓器相關行業標準的重要場合。「業界反應非常熱烈。」Vaagensmith表示：「我們有機會解決長期以來關於變壓器抗震措施的爭議，為套管製造商提供無需大幅改裝的解決方案。電力公司將樂見其成，電網也會更加穩健。已經有人迫不及待問我們：『什麼時候開始販售？』可見業界有多重視這項技術。」

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