第 6 章三相電壓不平衡

第6章三相電壓不平衡 Three-phase Voltage Unbalance 雲科電機電力品質實驗室

三相電壓不平衡 • 良好的三相電壓除了振幅、頻率、諧波成份都符合標準之外，三相電壓的對稱性也是重要的指標之一。 • 理想的三相電壓是三相電壓的大小相等，任兩相之間的相位相差120°，如果三相電源偏離了這兩個條件，我們就稱為三相電壓不平衡。雲科電機電力品質實驗室

三相電壓相量圖 雲科電機電力品質實驗室

三相電壓不平衡的成因 • 電力公司不論在發電、輸電或配電的階段，均致力於維持三相電壓的平衡，一般來說，造成三相電壓不平衡的原因可分為結構性、功能性與故障性三類。雲科電機電力品質實驗室

結構性因素 • 結構性因素(structural cause)是指輸配電線路阻抗的非對稱。如果三相輸配電線路中的電流為平衡，但是三相線路的阻抗卻不相等，則所產生的壓降也不相等，致使受電端的三相電壓產生不平衡。 • 變壓器的連接方式有時也是造成阻抗不平衡的原因。雲科電機電力品質實驗室

變壓器的連接所造成的阻抗不平衡 V-V連接變壓器二次側之等效電路開-Y開-D連接雲科電機電力品質實驗室

變壓器的連接所造成的阻抗不平衡 另一個由變壓器所引起的電壓不平衡為三相變壓器的激磁電流。內鐵式三相變壓器(three-phase core-type transformer)之鐵芯為三足(three limbs)之磁路，由於各足磁路之長度不完全相同，鐵芯之磁阻就不相等，致使各相之磁化電抗也不相等，因此三相激磁電流就不平衡。如果變壓器的Y接端中性點未接地，變壓器的相電壓就會呈現輕微的不平衡。雲科電機電力品質實驗室

功能性因素 • 功能性因素(functional cause)是指三相傳輸的有效及無效功率不平衡，簡單的說，就是負載的不平衡。 • 一般的住宅及商業用戶，不可避免的會有許多單相設備。電力公司在分配單相負載時，雖然儘量將負載均勻的分配在各相上，但是即使負載的分配是三相完全相等，也無法保證所有的單相負載都在同一時間消耗相等的功率。雲科電機電力品質實驗室

功能性因素 • 在工業用電方面，大型的單相設備如單相感應電動機、電焊機、電弧爐等，是造成電壓不平衡的重要原因。 • 電氣鐵路之牽引動力，交流供電的市區電車、巴士、地鐵等，都是高容量的單相負載，對電壓不平衡有很大的影響。雲科電機電力品質實驗室

故障性因素 • 故障性因素是指由電力系統元件故障所導致的電壓不平衡。 • 引起電壓不平衡最常見的故障為三相功因修正電容器熔絲熔斷，使某一相線路無法補償而電壓降低，有補償的相則電壓較高。 • 單相設備過載、短路、接地故障等，也會引起嚴重的電壓不平衡。雲科電機電力品質實驗室

6.3 三相電壓不平衡之度量 • 我們可以使用許多不一樣的指標來描述三相電壓不平衡的程度。目前國際電機電子工程師學會(IEEE)、美國電氣製造商公會(NEMA)、國際電工委員會(IEC)等組織，都各自訂出度量電壓不平衡的標準。另外，在許多學術論文中，電力工程的學者也自行開發出另一種描述電壓不平衡的指標。雲科電機電力品質實驗室

6.3.1 對稱分量 雲科電機電力品質實驗室

6.3.1 對稱分量 兩個重要的關係式: 雲科電機電力品質實驗室

雲科電機電力品質實驗室

以Uab, Ubc與Uca作為邊長的三角形 三角形的兩個底角可以利用餘弦定理由邊長求出雲科電機電力品質實驗室

各種電壓不平衡的指標 雲科電機電力品質實驗室

6.4 電壓不平衡因數的速算法 雲科電機電力品質實驗室

6.5 電壓不平衡因數的圖解法 雲科電機電力品質實驗室

6.6 電壓不平衡之影響 • 不平衡的三相電壓含有額外的零相序及負相序電壓。 • 對三相無中性線之負載而言，零相序阻抗為無限大，因此零相序電壓對這類負載沒有明顯的影響。 • 許多低壓商業及住宅配電系統都有大量的單相負載，這些負載饋入三相系統之後大多會有相當程度的不平衡，饋線的中性線電流和負載不平衡的程度有密切的關係，過大的中性線電流會影響保護電驛對接地故障的偵測，因此電力公司必須經常檢討單相負載的分配，以避免中性線電流過大。雲科電機電力品質實驗室

6.6 電壓不平衡之影響 • 中性線電流在中性線上所產生的壓降，是零相序電壓的主要來源，零相序電壓對單相及無中性線的三相負載影響不大，但是會造成中性點電壓漂移，可能引起保護系統誤判為接地故障。 • 對中性點接地的三相負載而言，零相序電壓會引起額外的零相序電流。 • 負相序電壓對三相負載有明顯的危害，這是為什麼電壓不平衡的指標主要以負相序電壓為參數的原因。雲科電機電力品質實驗室

電壓不平衡對旋轉電機之影響 • 以最常用的三相感應電動機為例，其負相序阻抗遠小於正相序阻抗，所以即使是輕微的電壓不平衡也會引起可觀的負相序電流，導致電動機定子繞組額外之銅損，使電機之溫升過高。 • 負相序電流引起的過熱，會破壞繞組之絕緣，使繞組產生捷路，致使有效匝數減少，最後引起故障。 • 如果在不平衡的供電狀態下想要避免電動機過熱，就必須減少其機械負荷，其效果相當於減少電動機的有效容量，我們稱這樣的情形為「減額運轉」(derating)，例如一部額定10馬力的電動機在不平衡電壓下，可能只能輸出7.5馬力。雲科電機電力品質實驗室

NEMA GM 1-1993對感應電動機操作 在不平衡電壓下所建議的減額因數雲科電機電力品質實驗室

電壓不平衡使電動機的溫升 與損失都快速增加雲科電機電力品質實驗室

NEMA所分類的A, B, F, H四級絕緣材料平均壽命和溫度的關係，其中絕緣材料壽命隨溫度遞減的關係符合經驗公式每10°C減少一半壽命的推論。雲科電機電力品質實驗室

電壓不平衡對旋轉電機之影響 • 除了溫升的問題，負相序電流所產生的旋轉磁場正好與轉子的轉動方向相反，電動機的輸出轉矩因而減弱。 • 正、負相序電流產生兩個旋轉方向相反的磁勢波在氣隙中互相作用，兩個旋轉磁勢波都是以同步速度旋轉，其互相作用的頻率正好是電源頻率的兩倍，所以電動機會出現一個120-Hz的脈動轉矩,其大小和電壓不平衡的程度成正比。 • 脈動轉矩會造成電機轉軸額外的應力負擔，也是電機振動(vibration)的來源之一。 • 當三相電壓不平衡時，電動機的合成氣隙磁勢波會隨著磁場轉動的位置而改變，所以會造成電機鐵芯的局部飽和，諧波電流因而產生。雲科電機電力品質實驗室

電壓不平衡對整流電路之影響 • 如果整流器的交流輸入電壓是平衡的，則其交流側會產生(pk±1)階的諧波電流成份，其中p為脈波數(pulse number)，k為正整數，例如六脈波整流器會產生5, 7, 11, 13, 17, 19...階的諧波電流，這些諧波稱為「特性諧波」(characteristic harmonics)。雲科電機電力品質實驗室

電壓不平衡對整流電路之影響 • 但是如果整流器的交流電源是不平衡的三相電壓，則交流側除了「特性諧波」之外，還會產生三次及其倍數之奇次「非特性諧波」(uncharacteristic harmonics) (3, 9, 15, 21,...階)，由於整流器之輸入電流不平衡，其三次諧波就不完全是零相序電流，而無法以接之變壓器繞組消除。雲科電機電力品質實驗室

三相六脈波整流器以平衡電壓供時的電流波形，其頻譜之中僅含特性諧波三相六脈波整流器以平衡電壓供時的電流波形，其頻譜之中僅含特性諧波雲科電機電力品質實驗室

不平衡電壓供電時的電流波形，其頻譜中除了特性諧波之外，還含有三次諧波及其奇次倍之非特性諧波。不平衡電壓供電時的電流波形，其頻譜中除了特性諧波之外，還含有三次諧波及其奇次倍之非特性諧波。雲科電機電力品質實驗室

供電系統 • 供電系統中的發電機對負相序電流的承受能力也相當有限，過度的不平衡電流會觸動發電機的保護系統引起發電機跳脫，此種情形會嚴重影響系統的供電可靠度。 • 配電系統三相負載的不平衡也是增加系統損失的重要原因之一，而且會降低設備及線路的供電能力。 • 電壓調整設備在不平衡電壓下容易誤動作，特別是線路電壓補償設備。雲科電機電力品質實驗室

6.7 電壓不平衡的管制標準 • 目前我國對三相電壓不平衡並未制訂管制標準，以下依旋轉電機機、整流設備及供電系統列舉出不同標準所建議的電壓不平衡率管制值。雲科電機電力品質實驗室

6.7.1 供電系統 • 台灣電力公司在「架空配電線路設計手冊」(台灣電力公司業務處編，民國68年)中規定電壓的「容許不平衡率」為4.5%，其不平衡率的定義如(6.8)式，惟並未指明電壓是線電壓或相電壓。由於在電力工程中如果沒有特別指明，三相系統中的電壓均指線電壓，因此我們認定其定義如(6.8)式。雲科電機電力品質實驗室

6.7.1 供電系統 • 由NEMA所制定的美國國家標準C84.1-1995建議供電系統的設計與操作必須使電壓不平衡率(lu，如(6.8)式)的最大值，無載時在計費表處的量側值限制在3%以內。IEC的標準則建議供電系統的最大電壓不平衡因數(t)限制在2%以下。歐聯電力供應聯盟(International Union of Producers and Distributors of Electrical Energy, UNIPEDE)規定供電業者在低壓供電網路必須保持電壓不平衡因數(t，如(6.11)式)在2%以下。雲科電機電力品質實驗室

法國國家標準 • 法國在電壓不平衡的管制標準上獨樹一格，把統計型管制標準的概念表現無遺。 • NF-EN-50165 (May 1995)的規定為 • (1)正常條件下，在七日(一週)中，以10 分鐘為區間所計算出來的電壓不平衡因數的有效值，百分之九十五必須在0%和2%之間； • (2)特殊條件下，三相供電端之電壓不平衡因數之上限為3%。雲科電機電力品質實驗室

法國國家標準 電壓不平衡因數的有效值是指在10分鐘內如果有N個電壓不平衡因數的量測值，則 t 的有效值為雲科電機電力品質實驗室

法國國家標準 雲科電機電力品質實驗室

6.7.2 旋轉電機 • IEC 34-1 於1969年出版的標準規定旋轉電機必須能夠在2%的穩態電壓不平衡因數下正常運轉，但是自1983年以後的標準修改為：旋轉電機必須在1%穩態之電壓不平衡因數下，或1.5%短時間之電壓不平衡因數下正常運轉。NEMA MG1-1993建議感應電動機的電壓不平衡率如果超過1%，則必須依圖6.5所示的曲線作減額運轉。IEEE的標準IEEE std 141-1993與IEEE std 241-1990也都建議依圖6.5所示的減額因數曲線來運轉感應電動機。雲科電機電力品質實驗室

6.7.3 整流設備 • IEC及歐洲標準對半導體整流/變流設備之電壓不平衡因數容許上限為5%。在IEEE std 141-1993與IEEE std 241-1990中提及，某些電子設備(如電腦等)在三相電壓不平衡率超過2%或2.5%時會遭遇到問題，而且規定三相電路的低壓側如果供電給對三相不平衡的設備時，則不得再連接單相負載，該單相負載必須以其他電路供電。雲科電機電力品質實驗室

6.8 電壓不平衡的改善 • 配電系統的負載可使用自動或手動轉供開關來改變系統的架構，以降低負載不平衡的程度。 • 對於大容量的單相負載如電氣鐵路等，或是三相隨機變動的不平衡負載如電弧爐等，則可以考慮使用專線供電，以減少對其他用戶的干擾。 • 並聯式的靜態無效功率補償器(SVC)可快速的調整電壓，已經用來改善由於變動負載所引起的電壓不平衡，。雲科電機電力品質實驗室

利用雙向閘流體控制感應電動機之電源電壓以修正電壓不平衡利用雙向閘流體控制感應電動機之電源電壓以修正電壓不平衡雲科電機電力品質實驗室

第 6 章三相電壓不平衡