电力系统3-台电电力品质

1電力系統品質吳元康2目錄電力品質定義配電系統常見之電力品質問題電力品質相關標準解決方法3電力品質定義電機與電子工程師學會對電力品質的定義為電力系統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相關因素之管制標準來規範，如諧波標準與電壓閃爍標準。一般可以歸納為三點即電壓、頻率與連續不斷之供電，即良好電力品質應含有電壓大小與頻率固定且為連續穩定。4不良電力品質因素◎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)電力品質定義5電力品質定義「恢復供電次數(SAIFI)」與「恢復供電時間(SAIDI)」是衡量電力系統可靠度之2項重要指標SystemAverageInterruptionFrequency/DurationIndex6電力品質定義可靠度統計原則事故一分鐘以上統計原則:事故發生後，所有受影響用戶於一分鐘內恢復供電者，不列入統計。(輸電系統事故如輸電系統於一分鐘內復電，但引起配電系統停電超過一分鐘者，則輸電系統用戶不列入，配電系統用戶需統計。)重大天然災害(颱風地震水火災等)事故停電不列入統計。統計台灣電力系統設備(含IPP)非僅台電公司系統設備引起之事故停電。用戶設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連絡逕行試送電，且其操作人員聯絡不易或設備不良，導致拖延復電時間者不列入。系統同型設備有弱點，主管處要求停電檢查或更換設備及縮短机檢週期者不列入。(輸電系統)火災事故如未涉及配電線路為搶修而予停電者不列入(配)7電力品質定義可靠度與停電時間概念說明8配電系統常見之電力品質問題9配電系統常見之電力品質問題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，如台電系統之基頻即為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)因觸發角度不一樣，所產生之CF值不一15◎電力諧波(Harmonics)經過一個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

配電系統諧波來源電力電子設備：整流器、變頻器、靜態變頻器(SVC)與UPS等含有鐵心之飽和電抗設備：變壓器、電抗器迴轉電機：電動機與發電機等照明設備：日光燈、水銀燈、霓紅燈與調光燈等電子設備：電腦、電視、音響等◎電力諧波(Harmonics)諧波對電力設備之影響諧波電流增加，使得設備過熱、超載甚致燒毀容易導致系統共振使得電子設備有干擾誤動作之情形增加系統損失使得電容器故障或熔絲熔斷17◎電力諧波(Harmonics)三倍數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果。

◎電力諧波(Harmonics)19台電諧波暫時管制標準◎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各先進國家諧波標準比較◎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。◎各先進國家管制標準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。＊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格。24AtargetlevelofharmoniclimitationinJapan

Voltagetotalharmonicdistortion:Lessthan5%Harmoniccurrentsfrompowerconsumers:Lessthan1/2Harmoniccurrentsfromhouseholdormassproducedequipments:Lessthan3/4HarmonicsHarmonics在台灣科技園區,一般技師處理Harmonic,僅改善8%--無規範可依循◎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問題之一，主要關注點在配電系統上，一般發電及輸電系統的電壓大都能維持甚為良好的平衡度。主要成因是系統阻抗不均等(Unequalsystemimpedances)及單相負載分佈不均等(Unequaldistributionofsingle-phaseloads)。電壓不平衡超過程度，將造成感應電動機的嚴重衝擊，電流不平衡的程度將為電壓不平衡程度的數倍之多。此一感應電動機線電流的不平衡可能造成定子及轉子過大的損失，而導致保護系統動作，使電動機停轉。感應電動機在設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，否則電動機的壽命將大為縮短。採用較大容量的感應電動機可解決上述問題，但其效率及功率因數都非最好。電壓不平衡雖然無法完全消弭，但是可以透過各種方法，控制在一定的水準之內。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備損失造成運轉機械過熱(Overheating)或需降載(Derating)運轉造成電磁干擾導致保護電驛誤動作，斷路器不正常跳脫增加負載轉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變壓器三相結構不對稱負載三相不平衡(單相負載分佈不均)饋線上之電力電容器組欠相運轉不平衡故障(UnbalancedFault)單或二相開路故障(OpenCircuitFault)30◎三相不平衡分析與改善嚴謹的(正確的)電壓不平衡率定義三相不平衡計算公式嚴謹(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)係以假設平均線電壓總是等於額定電壓(以美國供給電動機的低壓三相系統為例為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(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律的對應關係。

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電動機(Three-phaseInductionMotor)，三相感應電動機是配電網路中最普遍的負載，尤其在工業場所中常見有大數量的感應電動機。感應電動機由不平衡系統供電時，其造成的電流不平衡程度將為電壓不平衡程度的數倍之多，約6至10倍。例如﹕假设堵住轉子電流(Lockedrotorcurrent)為運轉電流(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30%之多。假设在系統不平衡時，感應電動機運轉在滿載情況下，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，電動機的效率及絕緣壽命(Insulationlife)將因過熱而縮減。電壓不平衡對感應電動機的衝擊◎三相不平衡分析與改善36引起保護電驛誤動作配電系統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，而在接地故障方面則藉由過電流接地電驛〔LCO〕保護。然而因單相變壓器與開Y-開Δ變壓器的結構並非三相對稱配置，因此會產生較高的中性線電流，再加上此種系統相電壓本身及負載不平衡與日益增多的非線性負載所產生的諧波電流，亦可能使得中性線電流之問題日益嚴重中性線電流增加而超過DDCS設定之過電流接地電驛〔LCO〕警報設定值時，系統便會發出警報，嚴重時還可能會引起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準，僅台電有相關規範如下：本公司「架空配電線路設計手冊」規定，線路不平衡電壓應限制在4.5%以內，如不平衡電壓超過4.5%，應追究原因，以期改善。「業務處所屬發變電所配電線路運轉操作規則」第23條規定，配電線路電流不平衡率係數達0.4或以上者，發變電所值班員應將不平衡情形報告發電股長轉請規劃(或設計)股擬定負載調整方案後，交由配電線路維護單位設法調整負載。台電第8710-1170號公文規定，高鐵電壓不平衡率之限制值正式標準為「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的供電平安、品質與可靠度至鉅。傳統上依經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於平衡，饋線各區段內之三相電流並不見得就會隨之平衡，其為不平衡的機率甚高。◎三相不平衡分析與改善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。利用配電系統模擬程式配合饋線、變壓器與負載間的歸屬關係、負載的類別及其相對應之日負載曲線(Dailyloadcurves)等分析出配電饋線及變壓器的三相不平衡情形。經由最正确化理論的應用可以得到最正确的變壓器所屬負載配置方式及變壓器與饋線間之最正确配接方式。依據此分析結果調整與安置變壓器及其負載。未來負載增加時依循前述方法找出其最正确配置方式，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之上。41電壓閃爍定義與管制標準◎電壓閃爍定義：電力系統中電壓閃爍公害嚴重時，會造成日光燈或白熾燈等燈具光度的閃變，使人的眼睛視覺產生不舒適感覺。例如目前傳統日光燈具的安定器，係由漆包線繞在漏磁非常大的矽鋼片鐵心上所構成的，導入60Hz交流電後，會產生不明顯的光線跳動現象〔120次/秒〕，稱為閃爍〔flicker〕。特別是當供電電壓過低、電壓不穩定、低溫環境或燈管老化時，閃爍就越嚴重。42電壓閃爍定義與管制標準-相關名詞

上述目前較為各國採用之電壓閃爍管理標準有等效每秒變化10次之

V10與短時間嚴重性(PST)。◎電壓閃爍43△

V10之定義日本中央電力研究所〔CentralResearchInstituteofelectricPowerIndustry，CRIEPI〕於實驗中發現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象。◎電壓閃爍44台灣電壓閃爍與電壓變動管制方式台電「屋內線路裝置規則」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」。八十四年底曾研擬用戶分配量核供原則，並邀請國內學者專家參與諮詢會議。台電更草擬完成「台灣電力股份電壓閃爍管制準則」草案送經濟部審核，惟並未獲經濟部同意核備。◎電壓閃爍45電壓閃爍管制與監測各轄區電壓閃爍值如有超過標準值之趨勢時，由該區供電營運處或負有饋供鋼鐵用戶之電廠知會所屬區營業處，並由區營業處接洽電弧爐鋼鐵用戶進行量測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。如發現超過原審核容許值或容許量時，應通知該用戶限期改善至遲不得超過三個月，經二次複測如仍超過，則以書面通知並依營業規則執行停止供電。◎電壓閃爍46電壓驟降電壓驟降原因與特性電力系統設備遭受無法預期的天然災害如雷擊、鹽霧害等破壞，或當外物如樹木、風箏、鳥、蛇貓、白蟻等碰觸，或年久劣化，均有可能造成輸、配電設備或線路發生短路故障。短路故障引起的故障電流流經鄰近線路所造成的瞬間電壓下降現象，稱為電壓驟降。電壓驟降現象以標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稱值(nominalvalue)的10%至90%之間，且持續0.5週波至數秒

47故障發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，甚至會造成機台急停或誤動作、生產線停工或產品損壞等重大損失事件。供電品質不良引起的高科技產業損失將包括當機、復機、直接產品損失和復機產能損失等。高科技用戶期望電力公司能夠提供優質電力即長時間(最好一年365天)不停電的供應正弦電壓波形(定振幅、定頻率和定相位電力)供設備使用。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電壓國際標準規範◎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標準比較◎電壓驟降56SEMIF47-2000標準曲線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改善，並不是最經濟有效方法。依電力系統特性改善機台性能，提升其容忍度和系統相容性之整合。目前有SEMIF47電力品質標準可較明確代表高科技公司的電力品質實際規格/需求，作為電力公司供電參考。改善電力品質需要三大要角；電力公司、機台製造廠和高科技公司通力合作探討成因藉以發展改善技術。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供電服務，而有些客戶需較低費率之供電。先進國家之管理趨勢◎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之網路設計增設網路應由雙方訂定付費原則提供用戶表後服務，分析當機之原因長期駐在客戶工廠協助用戶改善生產運作高科技用戶看法電力品質是高科技產業最重要的課題電力品質改善的實證與效益陸續被報導電力擾動對半導體製程與機台容忍度之影響尚未完全掌握電力品質改善對策須全面考量電力