電力系統保護協調設計研究

摘 要：電力系統的組成是由變壓器、斷路器及電力纜線所構成，而為確保電力系統的可靠度，上述相關設備保護必須有適當的規劃，以避免任一小事故造成大區域停電的情形發生。因此各階段的保護元件，如高壓斷路器的各類電機及低壓斷路器的跳脫元件，均必須相互協調，以確保下游保護元件的動作時間必須快于上游保護元件，即有足夠的協調時距，才能準確地隔離故障區域，使事故縮小至最小范圍，并使其他正常區域可持續獲得穩定的電力供應。

關鍵詞：電力系統；保護；協調；設計

1 引言

電力系統保護協調的目的乃在于當設備故障、人為操作錯誤或其他外力因素（如地震、風災、雪災或火災）造成無預期跳電事件時，所采取必要的自動控制程序，借以減少設備損壞，防止人員受到傷害，并將該斷電的范圍及期間作一限制。雖然在設計或預防性維修保養的規劃上可降低上述的情況發生，但通常都是在無預警情況下產生，因此必要的自動操作程序是要考量的。而目前高低壓設備的保護電機大部分均以微處理化操作，其跳脫時間精準度的控制更為重要，因此在設計規劃階段的時間設定，有賴于精確的故障電流計算及分析，以獲得更可靠的電力系統協調保護。

2 基本資料需求

2.1 電源端的短路容量

一般高壓系統電力部門公司是不會個別提供其變電所饋線出口的短路容量，為簡化設計，11.4kV系統為250MVA，22.8kV系統為500MVA，69kV以上的特高壓系統則需正式發文要求電力公司提供，但要注意其所提供的短路容量信息通常為一年有效期。

2.2 負載端提供的短路容量

一般是以50馬力以上馬達負載才考量其對短路電流的提供，而大部分的情況的次暫態阻抗“Xd”是以20%計算，即其提供的短路電流為5倍的馬達額定電流。

2.3 斷路器額定

斷路器額定除了需知道其啟斷容量外，也需知道其投入容量，這與短路容量的X/R比有關，X/R越大表示衰減越快。但一般若斷路器所要啟斷的短路電流小于其額定80%時，則不用理會X/R值。若無法滿足上述要求時，則當X/R為10～15時，以100%的額定為其啟斷容量，其啟斷時間至少要持續3～5周期，X/R若小于10，則更需持續到8周期的時間。另投入容量必須符合第一周期的短路電流對稱rms值，再乘以1.6倍得到非對稱短路電流rms值。

2.4 簡單的短路電流的計算

短路電流的計算一般我們可通過電力系統分析軟件，如ETAP或REDA等軟件，通常需要有復雜的電氣資料（如電纜、匯流排、斷路器、變壓器等）才能據以計算，但在設計的初，根本無法提供足夠的信息作進一步的短路電流計算。因此提供一快速短路電流的參考計算方法，使得在設計的初都能獲得90%以上的正確性短路電流計算。我們可先從電源端的短路容量及變壓器的基本資料，即可獲得變壓器二次側的短路電流。

3 保護協調曲線的繪制

電力系統的保護協調是從最上游側的高壓一直串接下來至下游側保護設備，一般會經過不同等級的電壓，但為了方便觀察各保護設備是否協調，一定得將其置于同一電壓基準上，方可得到一致的協調圖。161kV、22.8kV及480V或208V，繪制保護協調曲線圖時，原則上以161kV電壓為基準，繪制CB1及CB2的保護協調，另以22.8kV電壓為基準，再另繪制CB2-CB3-ACB1及CB2-CB4-ACB2的保護協調圖，這可減少同一張協調曲線圖中有太多曲線要表示的不方便。

3.1 特高壓斷路器

依照電力部門最基本要求，當兩次側發生三相短路故障時，CB1必須在0.5秒內（30周期）清除故障，但電力部門最寬應可延至65周期（1.08秒）。而本分析是以0.6秒作為設計計算如下：22.8kV匯流排的三相短路故障電流為10.2KA，換算161kV側為“10.2KA×22.8kV/161kV=1444A161KV”的保護電機的曲線，若電力部門要求為標準反時性，可依據IEC60255-3的標準曲線定義公式及各曲線參數。

3.2 主高壓斷路器

因TR1變壓器的二次側額定電流為50000kVA/（■×22.8）=1266.1A，再乘1.25倍為變壓器可超載部分，則為1582.6A。若I=1582.6/2000=0.79，取0.8In。所以，I>=0.8×2000=1600A。為保持在TR1主變壓器發生三相短路電流時，與CB1的保護協調至少有0.2～0.25秒的CTI，以0.25秒計算，則CB2須在0.59-0.25=0.34秒清除故障。

3.3 低壓斷路器（ACB1）

ACB1為3000kVA高壓變壓器的二次側保護開關，該ACB另有提供跳脫元件作為跳脫ACB用，其設定以不低1.25倍額定電流作為變壓器過電流保護，因此長延時的設定電流為3000/（■×0.48）×1.25=4150A，長延時設定值，依廠牌的不同，有不同的選擇設定，假設僅能選擇0.92，則長延時電流=5000×0.92=4600A。

長延時的時間設定一般有0.5～30秒的時間，該設定基本上是6倍的上述長延時電流設定值的跳脫時間，且伴隨有另外二點（如1.5及7.2倍）的相對應時間，以供繪制ACB保護協調的長延時曲線（反時性直線曲線）。現以M/G的Micrologic 6.0的跳脫元件為參數，其長延時可供選擇。先選擇1.0秒作為長延時的時間設定，待變壓器的高壓斷路器保護曲線決定，再檢驗相互間的協調。另再決定瞬時的設定，由于二次側480V匯流排的三相短路故障電流經前述計算為46.6KA，因此瞬時的電流值要小于46.6KA，即Ii=46600/5000=9.32，取8倍AT值（Im），換算到高壓側Ii=8×5000×0.48/22.8=842A。另設定短延時為3倍長延時始動設定（Ir）=■×4600=13800A，換算至22.8kV側，則為290.5A，短延時的時間設定為0.2秒。

3.4 高壓斷路器

就斷路器CB3及CB4而言，其所接的高壓變壓器分別為TR2及TR3，首先檢驗斷路器CB3，TR2變壓器容量為3000kVA，一次側額定電流=3000/（■×22.8）=76A，再乘以1.5倍作為可超載的部分，則為114A，因此CT比可采用200/5，導線為60mm2的交連PE電纜，則始動電流I>的設定值為114/200=0.57。另與前述ACB跳脫元件瞬跳值>CTI要大于0.4秒，即使其跳脫時間至少大于0.6秒。

3.5 電力纜線

斷路器CB3至TR2變壓器間的60mm 2XLPE纜線做檢驗，其耐短路電流曲線比保護的電機曲線要高，表示在TR2高壓側發生短路故障時（短路電流為10200A），保護的電機曲線的跳脫時間為0.1秒，比該纜線在此故障電流發生時可耐0.6秒還要短，即表示此電機對纜線的保護有足夠的協調時間。

4 結束語

本文的電力系統保護協調是以過電流保護（50/51）做檢驗，除了上述章節的基本了解外，再配合工程師常用的辦公室軟件，可很容易將協調曲線圖表現出來。因在電子化技術的發展下，各廠商的電機或跳脫元件均可提供非常準確的跳脫時間公式，另在繪圖軟件工具上，MS Excel提供一套非常方便的雙對數曲線繪制能力軟件，兩者的配合可將各電機及跳脫元件間的協調表現快速地反應出來，可節省甚多錯誤嘗試的時間，也可準確地將協調時距計算出來，以避免人為對對數軸的誤讀。

參考文獻

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