第 5 章電壓驟降與電壓驟升

第5章電壓驟降與電壓驟升 Voltage sags and swells 雲科電機電力品質實驗室

電壓驟降與電壓驟 • 電壓驟降與電壓驟升都屬於短時間的電力擾動，根據IEEE Std.-1159的定義，持續時間介於0.5週波至1分鐘，電壓有效值介於額定值10%至90%的擾動現象稱為電壓驟降， • 電壓有效值高於額定值的110%則稱為電壓驟升。 • 電壓有效值低於額定值的10%，則屬於電力中斷。雲科電機電力品質實驗室

電壓驟降與電壓驟 • 電壓驟降、電壓驟升、過電壓、欠電壓及電力中斷等干擾現象。雲科電機電力品質實驗室

電壓驟降之影響 • 電壓驟降會引起電力業者與用戶的關切，主要在於它發生的頻率很高，而且影響層面廣泛。 • 例如某一用戶廠內設備因為絕緣劣化發生短路故障，該用戶的斷路器跳脫以隔離故障，發生電力中斷的用戶可能僅有此一戶，但是在半徑數十公里內的許多用戶可能都會感受到電壓驟降的影響。 • 對許多敏感的設備而言，電力中斷與電壓驟降都會造成當機，同樣會使用戶蒙受損失，但是對電力業者而言供電並未中斷，由於觀點與立場不同，電壓驟降的爭議比電力中斷更為複雜。雲科電機電力品質實驗室

電壓驟降之影響 • 輸電線路、饋線及支線的故障原因複雜且難以預防，故障的起因有天候(落雷、強風、鹽霧害、暴雨等)、人為事故(車禍撞斷電桿、吊車碰觸高壓線、軍方火砲誤擊輸電線、節慶施放含鋁彩帶引起短路、風箏引起短路等)、小動物(鷹、鼠、蛇、貓、犬等)誤觸高壓電、蟲害(白蟻啃噬電纜)及設備絕緣劣化等，皆非目前科技所能預防， • 電力系統的保護設備只能在偵測到故障後迅速予以隔離，減少受影響的用戶數並縮短故障時間，但是用戶必須預期可能的電壓驟降現象。為了確保良好的電力品質，電壓驟降的深入瞭解與防範是一個重要的課題。雲科電機電力品質實驗室

各種設備對電壓驟降的忍受能力 雲科電機電力品質實驗室

電壓驟降對不同產業所造成的損失 雲科電機電力品質實驗室

5.1 電壓驟降與電壓驟升之參數 • 電壓驟降與電壓驟升都是以殘餘電壓的大小(Vr)與持續時間(Dt)作為特性參數，對電壓驟降而言殘餘電壓小於額定值的100%，但是對電壓驟升而言，殘餘電壓之值就大於100%。雲科電機電力品質實驗室

電壓驟降現象，(a)電壓波形圖；(b)電壓有效值的變化電壓驟降現象，(a)電壓波形圖；(b)電壓有效值的變化雲科電機電力品質實驗室

電壓驟降之描述 • 圖5.3(b)中標示出額定電壓1.0標么與0.9標么的準位，電壓有效值低於0.9標么的時間定義為持續時間Dt，電壓有效值缺口的最低點為殘餘電壓Vr。圖中還標示出電壓驟降的深度DV。 • 電壓驟降的描述很容易引起混淆，例如「75%的電壓驟降」可能是殘餘電壓為0.75 p.u.，也可能是驟降深度DV =0.75p.u.，因此IEEE的許多標準(493-1998、1159-1995、1346-1998等)均規定以殘餘電壓來描述電壓驟降，在描述時應該特別指明所使用的數字是指殘餘電壓，先前的說法如果改為「殘餘電壓75%的電壓驟降」就不會引起誤會。雲科電機電力品質實驗室

電壓驟降之描述 • 國際電工協會IEC使用驟降深度DV來描述電壓驟降，但爭議之處在於DV之參考值為何？此處電壓驟降的深度DV是由額定電壓(1.0 p.u.)開始計算的電壓降，在某些文獻中可能使用故障前的電壓作為的DV起算值，由於DV之參考值也容易引發混淆，我們均以殘餘電壓為準。雲科電機電力品質實驗室

電壓驟升 • 電壓驟升的參數與電壓驟降類似，電壓有效值高於1.1標么的時間定義為持續時間Dt，電壓有效值上升的最高點為殘餘電壓Vr，電壓驟生的殘餘電壓值大於1.1 p.u.. 雲科電機電力品質實驗室

5.2 電壓有效值之計算 • 電壓波形是將電壓的瞬時值以足夠高的取樣頻率(Sampling frequency)記錄下來，圖5.3(a)就是電壓瞬時值的記錄波形。如果在一週期中我們記錄了N個點，每個取樣的電壓值記作vi，則電壓的有效值可由下式來計算雲科電機電力品質實驗室

全週期有效電壓 • 假設圖5.3(a)每週期的取樣點數N=512，在60Hz電源下相當於約30kHz的取樣頻率，圖5.3(b)中的每一個點，就是用先前的512個電壓取樣值計算得來的，因此第k個電壓有效值可計算如下：雲科電機電力品質實驗室

半週期有效值 • 如果在(5.3)式中我們只取第k點前半個週期的N/2個電壓取樣值來計算，即將視窗寬度縮短一半，則延遲的時間會減少一半，這樣計算出來的電壓有效值稱為半週期有效值(Half-cycle rms voltage)，其公式如下：雲科電機電力品質實驗室

全週期有效值(虛線)與半週期有效值(實線)的比較全週期有效值(虛線)與半週期有效值(實線)的比較雲科電機電力品質實驗室

5.3 電壓驟降與電壓驟升的標準 • 如果我們施以各種不同組合的Vr與Dt來測試電器的忍受能力，則會有三種不同的結果： 1) 電器性能不受影響； 2) 電器性能受影響但恢復正常供電後性能也能恢復正常； 3) 電器性能受損且恢復正常供電後無法復原。 • 第一種結果表示所施加的擾動尚在電器的忍受能力之內，第二及第三種結果則已超出其忍受能力，第三種結果甚至可能已造成不可逆的損害。雲科電機電力品質實驗室

電壓驟降與電壓驟升的標準 • 我們可將各種不同的測式點描繪在以Vr與Dt為座標軸的二維平面上，並根據測試的結果，定訂出受測電器對電壓變動的忍受能力。 • 一般電壓驟降與電壓驟升的標準都是依照這樣的測試，在Vr與Dt為座標軸的二維平面上繪製適用於特定電氣設備的標準曲線或容許封包線(Tolerance envelope)。 • 以下介紹CBEMA、ITIC、FAA及SEMI-F47等常用的電壓擾動標準曲線。雲科電機電力品質實驗室

5.3.1 CBEMA標準曲線 • 「CBEMA標準曲線」源自美國「電腦與事務設備製造商協會」(Computer and business equipment manufacturers association, CBEMA) 於1977年為電腦設備所製定的電源標準，CBEMA標準曲線隨後也被收錄在IEEE Std. 446-1995中作為資料處理設備(主要為電腦)的電源標準。 • 該曲線座標軸分別為電壓變動的持續時間與大小，圖中的兩條曲線代表設備對電壓變動容忍力的上下限，在這兩條曲線包圍的部份為電腦可忍受的電壓變動，電腦不會產生資料的錯誤或硬體損害；在這兩條曲線外面的區域，電腦可能發生資料的錯誤或設備損壞。雲科電機電力品質實驗室

CBEMA標準曲線 雲科電機電力品質實驗室

ITIC標準曲線 • ITIC標準曲線，橫軸是電壓變動的持續時間(Dt)，縱軸則是額定電壓的百分比(Vr)（基底可以為標稱電壓有效值或等效峰值，依討論之區域而定）。 • ITIC標準曲線上方的曲線代表設備對電壓升的耐受力，下方曲線表示設備對電壓降之耐受力，這兩條曲線把Vr與 Dt所構成的二維平面分為禁止區(Prohibited region, 上方曲線以上的區域)、無損區(No damage region, 下方曲線以下的區域)及功能無中斷區(No interruption in function regeion, 兩曲線中間的區域，表示設備能夠正常操作的範圍)等三個區域。雲科電機電力品質實驗室

ITIC標準曲線 • 功能無中斷區一共函蓋了七種干擾現象，其中兩種分別屬於程度不同的電壓驟降，以下分別對這七種干擾加以說明： • 1. 穩態容許區 • 2. 電壓驟升 • 3. 低頻衰減振盪 • 4. 高頻脈衝與振盪 • 5. 電壓驟降－第一區 • 6. 電壓驟降－第二區 • 7. 電壓驟失雲科電機電力品質實驗室

ITIC標準曲線 雲科電機電力品質實驗室

ITIC標準曲線典型的低頻衰減振盪電壓 雲科電機電力品質實驗室

CBEMA標準曲線(虛線)與ITIC標準曲線(實線) 雲科電機電力品質實驗室

FAA 標準曲線 • 美國聯邦航空管理局(Federal Aviation Administration, FAA) 制訂了地面電子設備的各項規範，電子設備對交流電源各項干擾的耐受能力也是重點之一，其適用的對象是單相120V、60Hz之設備，符合FAA標準的設備必須能夠在FAA電壓容忍包封中的各種電壓值與持續時間之下正常操作。 • FAA標準曲線是ITIC標準曲線之外的另一種規範，FAA的要求比ITIC來得嚴苛，FAA所定義的容忍包封範圍比較大，表示設備對電壓變動的耐受能力要比較強。雲科電機電力品質實驗室

FAA標準曲線 雲科電機電力品質實驗室

SEMI-F47標準曲線 • 對半導體產業而言，由於半導體生產設備相對的較為脆弱，對電力品質的要求更為嚴苛，「國際半導體設備與材料公會」SEMI (Semiconductor equipment and materials international)的電力品質與設備耐受力工作小組在研討IEC、CENELEC (European Committee for Electrotechnical Standardization)及IEEE的電氣規範之後製作了一份內部報告。 • SEMI另外從15家不同的半導體廠商收集了超過一千件電壓驟降事故的資料，並將電壓驟降的大小與持續時間加以統計，然後把統計結果以離散點的形式繪製在ITIC標準曲線(下方曲線)圖上，如圖5.10所示。雲科電機電力品質實驗室

SEMI-F47之背景 • 15家半導體廠電壓驟降的統計結果以離散圖形與ITIC下方曲線之對照雲科電機電力品質實驗室

SEMI-F47 雲科電機電力品質實驗室

自15家半導體廠得到的電壓驟降分佈之等高線圖自15家半導體廠得到的電壓驟降分佈之等高線圖雲科電機電力品質實驗室

驟降持續時間從0至100秒的耐受能力曲線 雲科電機電力品質實驗室

新竹科學園區的供電與應用實例 雲科電機電力品質實驗室

新竹科學園區的供電與應用實例 • 由於新竹科學園區中半導體廠商的比例很高，因此園區的電壓驟降監測系統採用SEMI-F47曲線，將電壓驟降事件分為ABCD四類，其分佈區域如圖5.14所示， • A區為持續時間小於0.05秒之驟降，屬於暫態範疇；B區表示設備可承受之範圍；C曲在標準曲線之下，表示驟降嚴重，設備可能受到影響；D區為持續時間大於1秒之驟降。A、D兩區均不在SEMI-F47的規範範圍，但可用ITIC之標準來判別。雲科電機電力品質實驗室

新竹科學園區的供電與應用實例 雲科電機電力品質實驗室

5.3 電壓驟降的防範與改善 • 第一級的措施是從設備的規格著手，選用對電壓驟降具有適當耐受性的產品，。 • 第二級的改善方式主要是對重要設備的電源加以調整，安裝對抗電壓驟降的設備，減少電壓驟降的嚴重程度。 • 第三級的防範是改善整廠的電力供應，以特殊的供電方式供應廠內的負載； • 第四級的改善措施是屬於電力公司的配電線路改善，包括重要饋線的轉供設計、避雷措施、電壓調整、配電地下化等。雲科電機電力品質實驗室

靜態不斷電供應器 (SUPS) 雲科電機電力品質實驗室

旋轉式不斷電供應器(RUPS) 雲科電機電力品質實驗室

SUPS與RUPS的比較 • 過電流能力 • 過載能力 • 輸入與輸出之隔離 • 峰值因數的限制 • 諧波污染 • 逆功率潮流的忍受力 • 功因超前的負載 • 效率 • 元件壽命與可靠度雲科電機電力品質實驗室

RUPS外觀 雲科電機電力品質實驗室

飛輪儲能的應用 雲科電機電力品質實驗室

靜態電壓調節器 雲科電機電力品質實驗室

鐵磁共振變壓器基本原理 雲科電機電力品質實驗室

鐵磁共振變壓器磁路構造與等效電路圖 雲科電機電力品質實驗室

5.4 電壓驟降的計算 標么雲科電機電力品質實驗室

電壓驟降的計算 • 假設饋線單位長度的阻抗為z，而故障點到公共耦合點的距離為l，則Zf可用Zf = zl來計算，因此(5.6)式可以寫成距離l的函數如下標么雲科電機電力品質實驗室

電壓驟降的計算 雲科電機電力品質實驗室

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我們另外繪出殘餘電壓Vsag在三種不同的短路容量下隨距離 l 的變化曲線雲科電機電力品質實驗室

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