電力系統(tǒng)3-臺電電力品質(zhì)

1電力系統(tǒng)品質(zhì)吳元康2目錄電力品質(zhì)定義配電系統(tǒng)常見之電力品質(zhì)問題電力品質(zhì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)解決方法3電力品質(zhì)定義電機(jī)與電子工程師學(xué)會對電力品質(zhì)的定義為電力系統(tǒng)擾動的相對缺失程度。得到電力公司與用戶雙方皆能接受或滿意度，至於滿意與否之界定就必須由電力品質(zhì)相關(guān)因素之管制標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)範(fàn)，如諧波標(biāo)準(zhǔn)與電壓閃爍標(biāo)準(zhǔn)。一般可以歸納為三點即電壓、頻率與連續(xù)不斷之供電，即良好電力品質(zhì)應(yīng)含有電壓大小與頻率固定且為連續(xù)穩(wěn)定。4不良電力品質(zhì)因素◎電力中斷(Powerinterruption)◎三相不平衡(Three-phaseunbalance)

◎電力諧波(Harmonics)◎電壓閃爍(Flickers)◎電壓驟降(Voltagesag/dip)◎電壓昇(Swell)◎突波(Inrush)◎電磁場(Electricmagneticfield)電力品質(zhì)定義5電力品質(zhì)定義「恢復(fù)供電次數(shù)(SAIFI)」與「恢復(fù)供電時間(SAIDI)」是衡量電力系統(tǒng)可靠度之2項重要指標(biāo)SystemAverageInterruptionFrequency/DurationIndex6電力品質(zhì)定義可靠度統(tǒng)計原則事故一分鐘以上統(tǒng)計原則:事故發(fā)生後，所有受影響用戶於一分鐘內(nèi)恢復(fù)供電者，不列入統(tǒng)計。(輸電系統(tǒng)事故如輸電系統(tǒng)於一分鐘內(nèi)復(fù)電，但引起配電系統(tǒng)停電超過一分鐘者，則輸電系統(tǒng)用戶不列入，配電系統(tǒng)用戶需統(tǒng)計。)重大天然災(zāi)害(颱風(fēng)地震水火災(zāi)等)事故停電不列入統(tǒng)計。統(tǒng)計臺灣電力系統(tǒng)設(shè)備(含IPP)非僅臺電公司系統(tǒng)設(shè)備引起之事故停電。用戶設(shè)備實施定期歲修停電工作者不列入。單回線供電單一用戶，該用戶不同意事故時不經(jīng)連絡(luò)逕行試送電，且其操作人員聯(lián)絡(luò)不易或設(shè)備不良，導(dǎo)致拖延復(fù)電時間者不列入。系統(tǒng)同型設(shè)備有弱點，主管處要求停電檢查或更換設(shè)備及縮短機(jī)檢週期者不列入。(輸電系統(tǒng))火災(zāi)事故如未涉及配電線路為搶修而予停電者不列入(配)7電力品質(zhì)定義可靠度與停電時間概念說明8配電系統(tǒng)常見之電力品質(zhì)問題9配電系統(tǒng)常見之電力品質(zhì)問題10◎電力諧波(Harmonics)11◎電力諧波(Harmonics)12◎電力諧波(Harmonics)定義：除基頻外之交流週期性訊號，如臺電系統(tǒng)之基頻即為60Hz，屬其他頻率之電壓或電流即為諧波成份。

13◎電力諧波(Harmonics)14◎電力諧波(Harmonics)因觸發(fā)角度不一樣，所產(chǎn)生之CF值不一15◎電力諧波(Harmonics)經(jīng)過一個6脈波整流器後，在輕載時5、7諧波佔比反而高原因根本波掉下幅度大重載中載輕載16

配電系統(tǒng)諧波來源電力電子設(shè)備：整流器、變頻器、靜態(tài)變頻器(SVC)與UPS等含有鐵心之飽和電抗設(shè)備：變壓器、電抗器迴轉(zhuǎn)電機(jī)：電動機(jī)與發(fā)電機(jī)等照明設(shè)備：日光燈、水銀燈、霓紅燈與調(diào)光燈等電子設(shè)備：電腦、電視、音響等◎電力諧波(Harmonics)諧波對電力設(shè)備之影響諧波電流增加，使得設(shè)備過熱、超載甚致燒毀容易導(dǎo)致系統(tǒng)共振使得電子設(shè)備有干擾誤動作之情形增加系統(tǒng)損失使得電容器故障或熔絲熔斷17◎電力諧波(Harmonics)三倍數(shù)諧波會累計在中性線18總諧波失真率諧波成份為基頻外之部份，總諧波失真率(Totalharmonicdistortionofvoltage,VTHD)定義為

C1

基頻電壓或電流成份

C2,C3,C4……..整數(shù)倍諧波電壓或電流成份

※諧波電流為諧波污染之原因，諧波電壓為諧波污染之結(jié)果。

◎電力諧波(Harmonics)19臺電諧波暫時管制標(biāo)準(zhǔn)◎電力諧波(Harmonics)81年11月25日公告實施82年6月4日完成第一次修訂20IEEEStd519-1992TDD:TotalDemandDistortionPCC:PointofCommoncoupling◎電力諧波(Harmonics)21(69001VThrough161000V)

20

2.01.00.750.30.152.520503.51.751.250.50.254.0501005.02.252.00.750.356.010010006.02.752.51.00.57.5

10007.53.53.01.250.710.0MaximumHarmonicCurrentDistortioninPercentofIL

IndividualHarmonicOrder(OddHarmonics)

Isc/IL

1111h

1717h

2323h

3535hTDD22IEEEStd519-1992VoltageDistortionLimits

BusVoltageatPccIndividualVoltageTotalVoltageDistortion(%)DistortionTHD(%)69kVandbelow3.05.069.001kVthrough161kV1.52.5161.001kVandabove1.01.5◎電力諧波(Harmonics)PCC:PointofCommoncoupling23各先進(jìn)國家諧波標(biāo)準(zhǔn)比較◎電力諧波(Harmonics)◎IEC、法國、瑞典皆以管制諧波電壓為主。◎美國和英國採諧波電流與諧波電壓雙重管制且管制方式很相近?！蚋飨冗M(jìn)國家管制標(biāo)準(zhǔn)之幾個管制辦法共同點：＊諧波電壓管制值分佈在1.5％～5％之間。＊供電電壓等級越高管制百分比越嚴(yán)。＊諧波電流之管制值均針對各級諧波值分別限制。＊諧波電壓以管制THD％為主。＊偶次諧波之管制值較奇次嚴(yán)格。24AtargetlevelofharmoniclimitationinJapan

Voltagetotalharmonicdistortion:Lessthan5%Harmoniccurrentsfrompowerconsumers:Lessthan1/2Harmoniccurrentsfromhouseholdormassproducedequipments:Lessthan3/4HarmonicsHarmonics在臺灣科技園區(qū),一般技師處理Harmonic,僅改善8%--無規(guī)範(fàn)可依循◎電力諧波(Harmonics)25SolarcellpowergenerationinverterFuelcellpowergenerationinverterWindpowergenerationinverterNewenergypowergenerationsystemHarmoniccurrentfromtheutilityinteractivesystemHarmoniccurrentlimitationfromtheinverterCurrenttotalharmonicdistortion:Lessthan5%Currentharmonicdistortion:Lessthan3%◎電力諧波(Harmonics)26InJapan,twoguidelinesareissuedbytheAgencyofNaturalResourcesandEnergy.(1)Forthepowerconsumerswhoreceivetheelectricpowerbythehighvoltageorextrahighvoltage.(2)Forhouseholdormassproducedequipments.IEC1000-3-2Limitsofharmoniccurrentemissions(equipmentinputcurrent≤16Aperphase)IEEEstd519-1992‘IEEERecommendedPracticesandRequirementsforharmonicControlinElectricalPowerSystems’HarmonicsHarmonicsHarmonicslimitationguidelines◎電力諧波(Harmonics)27三相不平衡分析與改善三相電壓有以下情形之一者即為電壓不平衡﹕振幅(大小)不同相角偏離平衡條件(就三相系統(tǒng)而言，係指非互差120o)電壓平衡條件﹕振幅(大小)相同相角平衡(就三相系統(tǒng)而言，係指互差120o)以上兩者必須同時成立何謂電壓不平衡？│Va││Vb│=│Vc│Θa=Θb-120°=Θc-120°28◎三相不平衡分析與改善電壓不平衡是重要電力品質(zhì)問題之一，主要關(guān)注點在配電系統(tǒng)上，一般發(fā)電及輸電系統(tǒng)的電壓大都能維持甚為良好的平衡度。主要成因是系統(tǒng)阻抗不均等(Unequalsystemimpedances)及單相負(fù)載分佈不均等(Unequaldistributionofsingle-phaseloads)。電壓不平衡超過程度，將造成感應(yīng)電動機(jī)的嚴(yán)重衝擊，電流不平衡的程度將為電壓不平衡程度的數(shù)倍之多。此一感應(yīng)電動機(jī)線電流的不平衡可能造成定子及轉(zhuǎn)子過大的損失，而導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)動作，使電動機(jī)停轉(zhuǎn)。感應(yīng)電動機(jī)在設(shè)計上是允許少許的不平衡，但不平衡超過一定程度時，必須降載運轉(zhuǎn)，否則電動機(jī)的壽命將大為縮短。採用較大容量的感應(yīng)電動機(jī)可解決上述問題，但其效率及功率因數(shù)都非最好。電壓不平衡雖然無法完全消弭，但是可以透過各種方法，控制在一定的水準(zhǔn)之內(nèi)。電壓不平衡概述29◎三相不平衡分析與改善不平衡之影響增加額外的線路與設(shè)備損失造成運轉(zhuǎn)機(jī)械過熱(Overheating)或需降載(Derating)運轉(zhuǎn)造成電磁干擾導(dǎo)致保護(hù)電驛誤動作，斷路器不正常跳脫增加負(fù)載轉(zhuǎn)供的困難度不平衡之成因與影響不平衡之成因受電電源本身的三相不平衡配電饋線採用欠相佈設(shè)變壓器三相結(jié)構(gòu)不對稱負(fù)載三相不平衡(單相負(fù)載分佈不均)饋線上之電力電容器組欠相運轉(zhuǎn)不平衡故障(UnbalancedFault)單或二相開路故障(OpenCircuitFault)30◎三相不平衡分析與改善嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?正確的)電壓不平衡率定義三相不平衡計算公式嚴(yán)謹(jǐn)(正確)的定義(Correctdefinition)又被稱為精確的定義(exactdefinition)及真實的定義(truedefinition)正確的定義不僅考慮電壓大小的不同也考慮電壓相角的差異正確的電壓不平衡率定義又被稱電壓不平衡因素(voltageunbalancefactor,VUF).31◎三相不平衡分析與改善NEMA的定義三相不平衡計算公式此定義係以電壓相互間差異量的最大值，除以平均電壓求得NEMA(NationalElectricalManufacturersAssociationofUSA)係以假設(shè)平均線電壓總是等於額定電壓(以美國供給電動機(jī)的低壓三相系統(tǒng)為例為480V)為前題NEMA的定義只考慮電壓的大小而不考慮電壓的相角NEMA對電壓不平衡的定義又被稱線電壓不平衡率(linevoltageunbalancerate,LVUR)其他電力界的定義通常採用此公式32IEEEstd141-1993,1994對電壓不平衡率的定義有兩種﹕三相不平衡計算公式定義一﹕定義二﹕此定義與NEMA相同，唯一的差別是採用相電壓(phasevoltages)而非線電壓(linevoltages)此定義也只考慮電壓的大小而沒有考慮電壓的相角此定義又被稱相電壓不平衡率(phasevoltageunbalancerate,PVUR).同正確的定義◎三相不平衡分析與改善33

◎三相不平衡分析與改善bcca34電壓不平衡因數(shù)(d2)對三相不平衡輸電線線路損失的影響曲線，其大小與三相不平衡輸電線線路損失成正比、角度成弦波變化，因此兩者之間有較規(guī)律的對應(yīng)關(guān)係。

343434TPCTaiwanPowerCompany◎三相不平衡分析與改善35

電壓不平衡造成的衝擊最大者為三相感應(yīng)電動機(jī)(Three-phaseInductionMotor)，三相感應(yīng)電動機(jī)是配電網(wǎng)路中最普遍的負(fù)載，尤其在工業(yè)場所中常見有大數(shù)量的感應(yīng)電動機(jī)。感應(yīng)電動機(jī)由不平衡系統(tǒng)供電時，其造成的電流不平衡程度將為電壓不平衡程度的數(shù)倍之多，約6至10倍。例如﹕假設(shè)堵住轉(zhuǎn)子電流(Lockedrotorcurrent)為運轉(zhuǎn)電流(Runningcurrent)的6倍，則外加電壓不平衡率為5%時，線電流不平衡率約達(dá)30%之多。假設(shè)在系統(tǒng)不平衡時，感應(yīng)電動機(jī)運轉(zhuǎn)在滿載情況下，則不平衡電流將造成過多的損失，這些損失是以熱的方式呈現(xiàn)，電動機(jī)的效率及絕緣壽命(Insulationlife)將因過熱而縮減。電壓不平衡對感應(yīng)電動機(jī)的衝擊◎三相不平衡分析與改善36引起保護(hù)電驛誤動作配電系統(tǒng)之饋線在對過載與短路故障方面通常藉由過電流電驛〔CO〕之保護(hù)，而在接地故障方面則藉由過電流接地電驛〔LCO〕保護(hù)。然而因單相變壓器與開Y-開Δ變壓器的結(jié)構(gòu)並非三相對稱配置，因此會產(chǎn)生較高的中性線電流，再加上此種系統(tǒng)相電壓本身及負(fù)載不平衡與日益增多的非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流，亦可能使得中性線電流之問題日益嚴(yán)重中性線電流增加而超過DDCS設(shè)定之過電流接地電驛〔LCO〕警報設(shè)定值時，系統(tǒng)便會發(fā)出警報，嚴(yán)重時還可能會引起LCO誤動作(誤判為高阻抗接地事故)◎三相不平衡分析與改善37過電流接地電驛〔LCO〕38

目前，我國並無正式的電壓與電流不平衡率管制標(biāo)準(zhǔn)，僅臺電有相關(guān)規(guī)範(fàn)如下：本公司「架空配電線路設(shè)計手冊」規(guī)定，線路不平衡電壓應(yīng)限制在4.5%以內(nèi)，如不平衡電壓超過4.5%，應(yīng)追究原因，以期改善?！笜I(yè)務(wù)處所屬發(fā)變電所配電線路運轉(zhuǎn)操作規(guī)則」第23條規(guī)定，配電線路電流不平衡率係數(shù)達(dá)0.4或以上者，發(fā)變電所值班員應(yīng)將不平衡情形報告發(fā)電股長轉(zhuǎn)請規(guī)劃(或設(shè)計)股擬定負(fù)載調(diào)整方案後，交由配電線路維護(hù)單位設(shè)法調(diào)整負(fù)載。臺電第8710-1170號公文規(guī)定，高鐵電壓不平衡率之限制值正式標(biāo)準(zhǔn)為「長時間(一天營運時間)不大於1.0%，短時間(15分鐘)不大於1.2%」。不平衡限制值◎三相不平衡分析與改善39

配電饋線沿線三相功率、電壓及電流的不平衡，似乎是無法防止的。饋線三相不平衡影響配電系統(tǒng)的供電平安、品質(zhì)與可靠度至鉅。傳統(tǒng)上依經(jīng)驗法則所為的改善措施效果有限。則即使能令饋線源頭之三相電流達(dá)於平衡，饋線各區(qū)段內(nèi)之三相電流並不見得就會隨之平衡，其為不平衡的機(jī)率甚高?！蛉嗖黄胶夥治雠c改善40

改善策略及方法◎三相不平衡分析與改善分析配電饋線三相不平衡的成因。評估各個不平衡因素對饋線三相不平衡的影響程度。利用配電系統(tǒng)模擬程式配合饋線、變壓器與負(fù)載間的歸屬關(guān)係、負(fù)載的類別及其相對應(yīng)之日負(fù)載曲線(Dailyloadcurves)等分析出配電饋線及變壓器的三相不平衡情形。經(jīng)由最正確化理論的應(yīng)用可以得到最正確的變壓器所屬負(fù)載配置方式及變壓器與饋線間之最正確配接方式。依據(jù)此分析結(jié)果調(diào)整與安置變壓器及其負(fù)載。未來負(fù)載增加時依循前述方法找出其最正確配置方式，可使配電饋線全線及各個變壓器組之三相平衡度隨時維持在一定的水準(zhǔn)之上。41電壓閃爍定義與管制標(biāo)準(zhǔn)◎電壓閃爍定義：電力系統(tǒng)中電壓閃爍公害嚴(yán)重時，會造成日光燈或白熾燈等燈具光度的閃變，使人的眼睛視覺產(chǎn)生不舒適感覺。例如目前傳統(tǒng)日光燈具的安定器，係由漆包線繞在漏磁非常大的矽鋼片鐵心上所構(gòu)成的，導(dǎo)入60Hz交流電後，會產(chǎn)生不明顯的光線跳動現(xiàn)象〔120次/秒〕，稱為閃爍〔flicker〕。特別是當(dāng)供電電壓過低、電壓不穩(wěn)定、低溫環(huán)境或燈管老化時，閃爍就越嚴(yán)重。42電壓閃爍定義與管制標(biāo)準(zhǔn)-相關(guān)名詞

上述目前較為各國採用之電壓閃爍管理標(biāo)準(zhǔn)有等效每秒變化10次之

V10與短時間嚴(yán)重性(PST)。◎電壓閃爍43△

V10之定義日本中央電力研究所〔CentralResearchInstituteofelectricPowerIndustry，CRIEPI〕於實驗中發(fā)現(xiàn)人類的眼睛對光束照明度的變化頻率有不同的敏感度，頻率在1~30Hz間的電壓瞬間變動會對人類眼睛視感度造成影響，而頻率在10Hz時的電壓變動造成最大的閃爍視感度，頻率超過30Hz或低於0.1Hz時之電壓變動則人的肉眼感覺不出閃爍現(xiàn)象。◎電壓閃爍44臺灣電壓閃爍與電壓變動管制方式臺電「屋內(nèi)線路裝置規(guī)則」第四三一條七十九年八月二十日修訂為「電弧爐等遽變負(fù)載在共同點之電壓閃爍值，其每秒鐘變化十次之等效電壓最大值(△V10max)以不超過百分之0.四五為準(zhǔn)」。八十四年底曾研擬用戶分配量核供原則，並邀請國內(nèi)學(xué)者專家參與諮詢會議。臺電更草擬完成「臺灣電力股份電壓閃爍管制準(zhǔn)則」草案送經(jīng)濟(jì)部審核，惟並未獲經(jīng)濟(jì)部同意核備?！螂妷洪W爍45電壓閃爍管制與監(jiān)測各轄區(qū)電壓閃爍值如有超過標(biāo)準(zhǔn)值之趨勢時，由該區(qū)供電營運處或負(fù)有饋供鋼鐵用戶之電廠知會所屬區(qū)營業(yè)處，並由區(qū)營業(yè)處接洽電弧爐鋼鐵用戶進(jìn)行量測DV10及DQ，量測時間視實際需要可延長至二個月，且不得少於二星期。如發(fā)現(xiàn)超過原審核容許值或容許量時，應(yīng)通知該用戶限期改善至遲不得超過三個月，經(jīng)二次複測如仍超過，則以書面通知並依營業(yè)規(guī)則執(zhí)行停止供電?！螂妷洪W爍46電壓驟降電壓驟降原因與特性電力系統(tǒng)設(shè)備遭受無法預(yù)期的天然災(zāi)害如雷擊、鹽霧害等破壞，或當(dāng)外物如樹木、風(fēng)箏、鳥、蛇貓、白蟻等碰觸，或年久劣化，均有可能造成輸、配電設(shè)備或線路發(fā)生短路故障。短路故障引起的故障電流流經(jīng)鄰近線路所造成的瞬間電壓下降現(xiàn)象，稱為電壓驟降。電壓驟降現(xiàn)象以標(biāo)稱電壓之下降幅度大小及期間表示。電壓驟降是指電壓有效值下降至標(biāo)稱值(nominalvalue)的10%至90%之間，且持續(xù)0.5週波至數(shù)秒

47故障發(fā)生後電壓變化示意圖◎電壓驟降48供電可靠度與電壓驟降◎電壓驟降49電壓驟降會影響控制系統(tǒng)，甚至?xí)斐蓹C(jī)臺急停或誤動作、生產(chǎn)線停工或產(chǎn)品損壞等重大損失事件。供電品質(zhì)不良引起的高科技產(chǎn)業(yè)損失將包括當(dāng)機(jī)、復(fù)機(jī)、直接產(chǎn)品損失和復(fù)機(jī)產(chǎn)能損失等。高科技用戶期望電力公司能夠提供優(yōu)質(zhì)電力即長時間(最好一年365天)不停電的供應(yīng)正弦電壓波形(定振幅、定頻率和定相位電力)供設(shè)備使用。電壓驟降對高科技用戶之影響◎電壓驟降50IEEEStd.1159-1995CBEMACurve1970EstablishedTodeterminetheappropriateresponseofcomputerequipmenttoundervoltageconditionsandovervoltageconditionsITICurve1995EPRIReviseCBEMA

Curve(CBEMA96)SEMIF47ReviseCBEMACurveLimitation:Voltagesagduration<0.05S;Voltagesagduration>1.0S電壓國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)範(fàn)◎電壓驟降51DefinitionsofvoltagemagnitudeeventsasusedinIEEEStd.1159-1995(IEEErecommendedpracticeformonitoringelectricpowerquality,IEEEStd.1159-1995,NewYork:IEEE,1995)IEEEStd.1159-1995◎電壓驟降52TheCBEMAPowerCurveComputerandBusinessEquipmentManufacturersAssociation◎電壓驟降53CBEMAComputerBusinessEquipmentmanufacturesAssociation(CBEMA)Itprovideslowandhighvoltagecompatibilitylimitsforcomputerequipment.ItadoptedbytheIEEEtobecomeastandard◎電壓驟降54TheITICPowerCompatibilityCurve◎電壓驟降55ITIC和SEMIF47標(biāo)準(zhǔn)比較◎電壓驟降56SEMIF47-2000標(biāo)準(zhǔn)曲線RequiredSemiconductorEquipmentVoltageSagRide-ThroughCapabilityCurve◎電壓驟降57SEMI2000

DurationofVoltageSaginSeconds0.050.10.20.51.0PercentofEquipmentNominalVoltage1009080706050403020100RequiredSemiconductorEquipmentVoltageSagRide-ThroughCapabilityCurve◎電壓驟降58EPRI’SPQSURVEY-ContinuedVoltagesagandmomentaryinterruptionsarethemostcommonlyencounteredpower-qualityproblems98%ofallpower-qualityproblemsareattributabletovoltagesagandinterruptionsof15seconddurationorlessSagsontheorderof10%ormorearecommonandaregenerallycausedbyadjacent-feederfaults◎電壓驟降59只依賴供電端之電力品質(zhì)改善，並不是最經(jīng)濟(jì)有效方法。依電力系統(tǒng)特性改善機(jī)臺性能，提升其容忍度和系統(tǒng)相容性之整合。目前有SEMIF47電力品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)可較明確代表高科技公司的電力品質(zhì)實際規(guī)格/需求，作為電力公司供電參考。改善電力品質(zhì)需要三大要角；電力公司、機(jī)臺製造廠和高科技公司通力合作探討成因藉以發(fā)展改善技術(shù)。電力公司正面臨客戶需求相互衝突之困難，即有些客戶需較高品質(zhì)供電服務(wù)，而有些客戶需較低費率之供電。先進(jìn)國家之管理趨勢◎電壓驟降60◎電壓驟降電力公司作法對高科技客戶提供較佳品質(zhì)之網(wǎng)路設(shè)計增設(shè)網(wǎng)路應(yīng)由雙方訂定付費原則提供用戶表後服務(wù)，分析當(dāng)機(jī)之原因長期駐在客戶工廠協(xié)助用戶改善生產(chǎn)運作高科技用戶看法電力品質(zhì)是高科技產(chǎn)業(yè)最重要的課題電力品質(zhì)改善的實證與效益陸續(xù)被報導(dǎo)電力擾動對半導(dǎo)體製程與機(jī)臺容忍度之影響尚未完全掌握電力品質(zhì)改善對策須全面考量電力