电力系统的干扰现象课件

2 2 電力系統的干擾現象電力系統的干擾現象電力系統的干擾現象電力系統的干擾現象本本章章的的目目的的是是介介紹紹干干擾擾現現象象的的定定義義、分分類類、發發生生原原因因及及可可能能的的影影響響。在在實實際際的的電電力力系系統統中中，有有時時會會出出現現單單一一的的干干擾擾現現象象，有有時時則則是是許許多多干干擾擾同同時時出出現現，因因此此對對各各種種干干擾擾現現象象的的深深入入瞭瞭解解有有助助於於我我們們研研判判干干擾擾的的種種類類、發發生生的的真正原因與改善之道。真正原因與改善之道。1雲科電機 電力品質實驗室2 電力系統的干擾現象本章的目的是介紹干擾現象的定義、分類2.1 干擾現象的分類表2.1 國際電工協會對電磁擾動的分類2雲科電機 電力品質實驗室2.1 干擾現象的分類表2.1 國際電工協會對電磁擾動的分 IEEE-1159對電力系統干擾現象之定義與分類3雲科電機 電力品質實驗室 IEEE-1159對電力系統干擾現象之定義與分類3雲科電機IEEE-1159對電力系統干擾現象之定義與分類4雲科電機 電力品質實驗室IEEE-1159對電力系統干擾現象之定義與分類4雲科電機 2.2 電壓驟降電壓驟降(Voltage dips 或 sags)可說是電力系統最常見的干擾。在電力線路上的某一點如果電壓突然降到其額定值的10%到90%之間，並持續0.5週波到數秒鐘，則我們把這種干擾現象稱為電壓驟降或電壓瞬降。5雲科電機 電力品質實驗室2.2 電壓驟降電壓驟降(Voltage dips 或 s2.2 電壓驟降6雲科電機 電力品質實驗室2.2 電壓驟降6雲科電機 電力品質實驗室2.3 電力中斷短暫的電力中斷(Interruption)可視為電壓驟降至10%以下，電力中斷的原因可能是線路故障引起電力熔絲燒毀或是斷路器開啟，我們通常僅以持續時間來說明電力中斷的嚴重性，因為電壓的大小都小於正常值的10%。7雲科電機 電力品質實驗室2.3 電力中斷短暫的電力中斷(Interruption)2.3 電力中斷8雲科電機 電力品質實驗室2.3 電力中斷8雲科電機 電力品質實驗室2.4 持續之電力中斷電壓下降至零且持續時間超過1分鐘的干擾現象可視為持續之電力中斷(Sustained interruptions)。電力中斷超過1分鐘以上的故障表示利用開關復閉無法排除的永久性故障，必須靠人力介入排除才能恢復供電。9雲科電機 電力品質實驗室2.4 持續之電力中斷電壓下降至零且持續時間超過1分鐘的干擾2.5 電壓驟升電壓驟升(Swell)是電源頻率下的電壓有效值上升，其持續時間從0.5週波到1分鐘，其大小通常為1.1到1.8標么。我們仍以殘餘電壓來描述電壓驟升的大小，對電壓驟升而言，殘餘電壓永遠大於1個標么。10雲科電機 電力品質實驗室2.5 電壓驟升電壓驟升(Swell)是電源頻率下的電壓有效2.5 電壓驟升11雲科電機 電力品質實驗室2.5 電壓驟升11雲科電機 電力品質實驗室2.6 過電壓及欠電壓過電壓(Overvoltage)與欠電壓(Undervoltage,亦稱低電壓或電壓不足)同屬於長時間的電壓變動，如果電源頻率下的電壓超出正常範圍的時間超過1分鐘，就可視為過電壓或欠電壓。過電壓與欠電壓通常都不是故障所引起，而是由負載與虛功補償的操作所引起。12雲科電機 電力品質實驗室2.6 過電壓及欠電壓過電壓(Overvoltage)與欠電2.6 過電壓及欠電壓過電壓可能由切離大型負載或投入過多的電容器所引起，不良的電壓調整控制最容易導致過電壓，變壓器分接頭不當的設定也是可能的原因之一。欠電壓的原因則與過電壓相反，投入大型負載、無效功率不足、電壓調整設備不良等，都會造成欠電壓。另外，當線路過載時也會有欠電壓的情形。13雲科電機 電力品質實驗室2.6 過電壓及欠電壓過電壓可能由切離大型負載或投入過多的電2.7 暫態電壓或電流的暫態(Transients)在不同的情況下有不同的定義。廣義的來說，暫態可依電壓或電流的波形分為脈衝式暫態(Impulsive transient)與振盪式暫態(Oscillatory transient)兩類。14雲科電機 電力品質實驗室2.7 暫態電壓或電流的暫態(Transients)在不同的2.7.1 脈衝式暫態脈衝式暫態有時又稱為尖波(Spike)，脈衝式暫態發生的原因大多是雷擊波，輸配電線路直接或間接遭到雷電侵襲時發生，由於雷電是單極性電荷，所以脈衝式暫態皆為單極性(正電或負電)。15雲科電機 電力品質實驗室2.7.1 脈衝式暫態脈衝式暫態有時又稱為尖波(Spik脈衝式暫態16雲科電機 電力品質實驗室脈衝式暫態16雲科電機 電力品質實驗室2.7.2 振盪式暫態振盪式暫態有時稱為突波(Surge)，是開關操作與共振電路形成電壓與電流的振盪現象，振盪式暫態的特點包括其主頻率(Predominant frequency)、持續時間及振幅。振盪式暫態可分為高頻、中頻與低頻振盪三類如表2.2所示，頻率範圍的界定與電力系統對應的振盪現象有關。17雲科電機 電力品質實驗室2.7.2 振盪式暫態振盪式暫態有時稱為突波(Surge)，振盪式暫態18雲科電機 電力品質實驗室振盪式暫態18雲科電機 電力品質實驗室振盪式暫態頻率高於500 kHz且持續時間以毫秒計算(即數個主振盪頻率週波)的振盪式暫態歸類為高頻振盪式暫態。頻率界於5 kHz到500 kHz之間且持續時間為數十毫秒的暫態，歸類為中頻暫態。未充電的電容器投入系統時，和原來已經充電的電容器以及線路的電感所產生的共振暫態，就屬於此類。電纜電路的開關突波暫態，其頻率也在這個範圍內。另外，電力系統的脈衝響應也可能產生中頻暫態。19雲科電機 電力品質實驗室振盪式暫態頻率高於500 kHz且持續時間以毫秒計算(即數個振盪式暫態低於5 kHz且持續時間從0.3 ms到50 ms的振盪式暫態屬於低頻暫態，這類振盪現象常發生在二次輸電線路或配電線路，發生的原因很多，但是主要是電容器投入系統所發生的暫態。主頻率低於300 Hz的振盪式暫態有時會出現在配電線路，這類的暫態一般與鐵磁共振(Ferro-resonance)及變壓器的激磁有關，串聯電容所引起的暫態也落在這個頻率範圍之中。20雲科電機 電力品質實驗室振盪式暫態低於5 kHz且持續時間從0.3 ms到50 ms2.8 電壓不平衡電壓不平衡(Voltage unbalance)是指三相電壓的大小不相等或者任兩電壓之間的相位差不是120度，或是兩種情形同時發生。不平衡的負載，尤其是大型的單相負載如電氣鐵路等，是造成電壓不平衡的主要原因。另外如未換位的輸電線及V-V接線的變壓器等，會造成三相電路阻抗的非對稱，間接的也會造成三相電壓的不平衡。21雲科電機 電力品質實驗室2.8 電壓不平衡電壓不平衡(Voltage unbalan電壓不平衡22雲科電機 電力品質實驗室電壓不平衡22雲科電機 電力品質實驗室2.10 諧波電壓或電流呈非正弦波形時，通常是含有諧波成分(Harmonics)，諧波是指頻率為基本波頻率整數倍的正弦電壓或電流波，就台灣的電力系統而言，基本波是60 Hz的正弦波。諧波與基本波組合在一起，就呈現出波形的畸變。23雲科電機 電力品質實驗室2.10 諧波電壓或電流呈非正弦波形時，通常是含有諧波成分(諧波諧波干擾的來源主要來自電力系統元件的非線性(如飽和的變壓器鐵心等)，以及許多汲取非正弦電流的非線性負載(如螢光燈、電力電子整流器、電弧爐等)，這些元件可視為將諧波電流注入電力系統的電流源，當諧波電流流經線路阻抗時便產生諧波電壓降，於是電壓波形畸變就發生了。24雲科電機 電力品質實驗室諧波諧波干擾的來源主要來自電力系統元件的非線性(如飽和的變壓諧波25雲科電機 電力品質實驗室諧波25雲科電機 電力品質實驗室2.11 間級諧波與次級諧波如果諧波的頻率不是電源基本波頻率的整數倍，就稱為間級諧波(Interharmonics)，間級諧波的主要來源是變頻器(Cyclo-converter)、感應電動機負載及電弧元件。26雲科電機 電力品質實驗室2.11 間級諧波與次級諧波如果諧波的頻率不是電源基本波頻率間級諧波與次級諧波歐洲早期的電氣鐵路使用Hz及25Hz的電源，因此需要使用變頻裝置，此為間級諧波的重要來源之一。使用變頻器的產業如水泥、礦冶、軋鋼等，需要低頻且大容量的電源作為驅動軋延機台之用，變頻器的主要功能是把50或60 Hz的電源變為低頻電源輸出，由於輸出的頻率低於電力系統的頻率，經由變頻器的調變就會把低於基頻的諧波注入電力系統，這些頻率低於基頻的諧波一般稱為次級諧波(Subharmonics)，次級諧波的諧波就會成為間級諧波。27雲科電機 電力品質實驗室間級諧波與次級諧波歐洲早期的電氣鐵路使用Hz及25Hz的電源間級諧波與次級諧波28雲科電機 電力品質實驗室間級諧波與次級諧波28雲科電機 電力品質實驗室2.12 電壓凹痕電壓凹痕(Notching)是電力電子設備操作時電流由一相換向(Commutation)至另一相時所發生的週期性電壓擾動。電壓凹痕是一種介於暫態與諧波之間的特殊干擾。電壓凹痕是一種週期性的穩態電壓波形畸變，因此具有諧波頻譜的特性；但從另一方面來看，電壓凹痕所含的高頻成分已經適用於暫態分析的頻率範圍。29雲科電機 電力品質實驗室2.12 電壓凹痕電壓凹痕(Notching)是電力電子設備電壓凹痕電壓凹痕另一個嚴重的問題是可能產生額外的電壓零交越點(Zero-crossings)。由於很多控制電路使用電壓的零交越點作為電源的同步訊號，因此零交越點的干擾可能使許多電子控制器產生誤動作。圖2.8的波形就是零交越點受到干擾的例子。30雲科電機 電力品質實驗室電壓凹痕電壓凹痕另一個嚴重的問題是可能產生額外的電壓零交越點電壓凹痕31雲科電機 電力品質實驗室電壓凹痕31雲科電機 電力品質實驗室2.13 電壓波動與電壓閃鑠電壓的大小呈週期性或隨機變化，但是變動的範圍並未超出0.95到1.05標么，這樣的干擾稱為電壓波動(Voltage fluctuations)。負載電流，尤其是電流的無效分量(Reactive component)，如果劇烈變動，則會產生對應的電壓波動。32雲科電機 電力品質實驗室2.13 電壓波動與電壓閃鑠電壓的大小呈週期性或隨機變化，但電壓波動與電壓閃鑠由負載電流連續且快速變化所產生的電壓波動，有時也稱為電壓閃爍(Voltage flicker)，電壓閃爍是容易引起誤解的名詞，閃爍源自於電壓波動對燈具發光強度的影響。正確的因果關係是，變動的負載產生電壓波動，電壓波動造成人類眼睛感受到燈光閃爍(Light flicker)。電壓閃爍一詞除了指燈光受電壓波動的影響，也可能泛指電壓波動對所有敏感性設備的影響，與燈光不一定有關。33雲科電機 電力品質實驗室電壓波動與電壓閃鑠由負載電流連續且快速變化所產生的電壓波動，電壓波動與電壓閃鑠34雲科電機 電力品質實驗室電壓波動與電壓閃鑠34雲科電機 電力品質實驗室2.14 電源頻率變動通常只有輸電系統故障時，例如整個城市的負載突然切離系統或一個大型發電廠忽然被切斷，頻率變動才會超出正常操作的範圍。頻率大幅變動的情形一般發生在單一發電機供電的獨立系統，發電機的限速器(Governor)一般無法對負載變動即時反應，因而發生頻率變動的情形。35雲科電機 電力品質實驗室2.14 電源頻率變動通常只有輸電系統故障時，例如整個城市的小結電力系統的干擾現象即為電力品質之問題，從干擾現象發生時間的長短，可以分為暫態、短時間電壓變動、長時間電壓變動及穩態之干擾。干擾現象的分類有助於判別干擾的來源及可能的影響，也有助於瞭解干擾的機制。本章所介紹的干擾現象都是常見且重要的電力品質課題，其它如電磁場干擾、雜訊等問題，也可能造成電力品質的危害，也是值得重視的問題。36雲科電機 電力品質實驗室小結電力系統的干擾現象即為電力品質之問題，從干擾現象發生時間