电压骤降

◎简 介

　　电力品质(power quality)问题所描述的内涵，对电力系统而言是指供电系统提供用户不受干扰的标准电源的能力，主要是讨论责任分界点的电压品质问题；而对用户而言是指负载运转时不会干扰或降低供电电源效率的能力，所关心的是负载用电电流的波形品质问题。典型的电力品质问题包括由邻近馈线或总线事故所引起而持续几个周波至几秒的短时间电压骤降(voltage sag or voltage dip)，或是由电容器切换及雷击等所导致的瞬时(transient)现象，其持续时间在一个周以下；而电力谐波(harmonic)与电压闪烁(flicker)则是属于负载端在稳态状态下的电力品质问题[1]。

　　电压骤降是指电压有效值下降至标称值(nominal value)的10%至90%之间，且持续0.5周波至数秒，现今的精密制程设备、微电脑信息设备，变频器等用电负载对电压骤降均非常敏感，持续16ms的85%至90%电压即可能导致工业制程设备跳机。电压骤降与断电(interruption)之差别在于断电时负载与供电系统完全切离，与供电系统的可靠度(reliability)有关，而电压骤降发生时负载仍与电源连接，对工业用户而言，若两者均会造成设备当机，则所产生的结果是相同的，但是电压骤降发生的机率远高于断电会发生的机率。电压骤降主要是由于电力系统输电线遭受雷击或发生事故后，保护电驿检出故障及断路器动作清除故障前之短暂时间，在邻近之用户所产生的电压降低现象，故障可能发生的原因如接地故障、设备绝缘失效、动物或外物、狂风引起的线路故障等等；在电力系统中不可能完全掌握且避免故障的发生，但是可藉由系统网络的修正或加装改善设备而减少故障发生的次数。在电业自由化之后，若供电者能提供较佳的电压品质，相对的较具备竞争优势，但是责任问题相形之下变得复杂许多，例如由顾客厂内发生的短路事故所引起的电压骤降或区域内重电负载起动所造成的电压降等所产生的改善成本问题。

　　新竹科学园区内之高科技产业电力用户，其生产流程采用甚多对电力供应品质敏感性高的微电脑自动控制设备及电力电子控制式的厂务设备，并采行连续生产方式，更由于其每度电力的产值高居各行业之冠，制程一旦中断将蒙受极大的损失，因此对电力供应之可靠度与电源品质有较严格的要求[2-3]，在SEMI F47-0200（Semiconductor Equipment and Materials International, SEMI）中规定半导体制程设备对电压骤降的耐受时间在电压为50%标称值时为0.05秒至0.2秒、0.2秒至0.5秒间的容许电压为标称值之70%、0.5秒至1.0秒之容许电压为80%标称电压值[4]。表1中列出83至87年间园区附近台电系统发生电压骤降与停电次数之统计值[3]，表2中列出83年至87年间台电供电系统发生电压骤降之最大降幅与其持续时间[3]，近几次供电事故之原因则列于表3中，由上述数据可知电压骤降与断电的发生皆无法完全避免，且大部份是由自然环境因素引起，因此有必要加强整体供电环境的可靠度与加装改善设备维持电源品质的稳定性，目前电力系统面之解决方案包括特高压地下环路工程、供电方式由一进一出改为二进二出、增加区域发电量形成较独立的供电系统等，用户面的因应对策将在本文最后一节作概念性的介绍。

　　本文之第二节将先说明电压骤降之定义及如何表示其特性，第三节则说明由ITIC（Information Technology Industry Council）所发表有关120伏特60 Hz之信息设备（Information Technology Equipment, ITE）所能承受之电压骤降耐受能力ITI（CBEMA）曲线，此曲线已被公认为规范电力设备电压骤降耐受能力及评估系统电压骤降的起点，在第四节中将介绍客户端的电压骤降防制对策，包括不断电系统（UPS）、动态电压恢复设备（Dynamic Voltage Restorer, DVR），静态电压调整变压器（Static Voltage Regulator, SVR）、静态转供开关（Static Transfer Switch, STS）及动态式柴油引擎不断电系统（Diesel UPS）等设备。

表183至87年间园区二期69kV电源输入端异常事件统计[3]

表286年至87年间台电供电瞬间压降记录(86.1.1-87.7.23)[3]

表3 近几次园区供电事故整理

◎电压骤降概论

　　根据IEEE Std. 1159-1995中的定义，电压骤降意指电压大小为10%至90%标称值且持续时间为半周波至1分钟的下降后电压，其建议使用a voltage sag to 20% of the nominal value的概念，指的是下降后的电压大小；而IEC标准1000-2-1-1990则定义电压骤降为电压降幅，意即标称电压与下降后电压的差值，其持续时间为半周波至数秒间，图1中绘出这两种定义的差别，若依据IEEE的定义，则描述为V2的骤降，以标称值Vn的百分比表示之，而IEC的定义则为DV的骤降，也是以Vn的百分比表示[5]，另外也有V2是voltage sag而DV为voltage dip的说法。

图1 电压骤降之定义

　　电压骤降一般是由供电系统或用户厂内发生输配线路事故，故障电流流向故障点导致邻近受电点电压下降，马达启动亦会造成电压下降，但是并不在本文的讨论范围内，电压降会发生在短路电流流经之处，直到故障清除后才会恢复正常的电压值，故障点可能距离用电设备几公里远，越接近故障点者所受到的影响越大。图2解释在幅射状配电线路上之三相接地故障如何在系统邻近部份引起电压骤降[6]，假设在A点发生三相短路故障，图中绘出F1、F2及F3三条馈线的电压变化，图中实线是在F1及F3或用户C点的电压变化，虚线则是馈线F2上靠近故障点A的B点总线电压变化情形，其中F2使用reclosing relay，故障发生时，F1、B点及F3均发生电压下降，当F2开启隔离故障后，B点完全断电，F1及F3恢复正常供电，若馈线F1及F3上电压降幅或持续时间大于用户设备的电压骤降耐受能力时，则会发生跳机情形。

若不考虑电阻，图中B点在故障发生时的电压可以利用下式估算：

(1)

而在F1及F3馈线之电压可以表示如(2)式所示

(2)

其中XTR是变压器阻抗，XS是系统等效阻抗。

　　电压降幅的大小与线路阻抗、接地阻抗、故障前电压与变压器接线方式有关，距离故障点越近则电压降幅越大（X1减小），而变压器接线方式则会改变故障型态，若设定B总线用户之设备最低可运转电压为Vcrit，亦即VB必需大于Vcrit设备才能维持正常运转，则临界故障距离为

(3)

　　其中xl是线路单位电抗，当故障点与B总线的距离小于s时，则连接于B点之设备会因VB<Vcrit而发生当机现象。电压骤降持续时间则与过电流保护装置的动作时间有关，一般在分析电压降幅时可以采用短路电流计算软件包，如PTI的PSS/E、GE的PSLF等，输入全系统设备的电阻与零序、正序及负序阻抗及变压器接线方式等数据，选择各种不同的接地故障方式（单相接地、线对线及三相接地故障等）及故障点，设定其接地阻抗后进行计算分析，即可以获得设备供电点在事故发生时的电压降幅，若要预估电压骤降可能持续的时间，则需进行全系统之瞬时仿真，仿真中要包含所有的保护装置并设定其清除时间。变压器接线方式对电压骤降的影响可以参考文献[7,8]。

图2 故障发生后电压之变化

　　除了电压降幅与持续时间外，电压骤降之特性描述尚需考虑事故发生时所产生的相位移现象[9]，考虑图2中之系统，在A点发生三相故障时，总线上的电压相角为

　　一般而言由于系统的X/R比值会大于线路的X/R比值，因此Df通常小于零。图3说明电压骤降之相位移会造成的影响，图3(a)及图3(c)之波形均包含3个周波的50%标称值电压骤降，两者之有效值相同，图3(a)中电压骤降发生时没有产生相位移，而图3(c)之电压骤降则伴随着-60o的相位移，若在骤降发生时于供电端与负载端之间加入如图3(b)所示之50%的串联电压，可以使图3(a)之负载端电压恢复至标称值，但若要使图3(c)之电压骤降恢复至标称值，则所需要的串联电压不是50%，而是如图3(d)所绘出的大小为86%，相位为30o的电压波形。

图3 50%电压骤降之波形与其补偿电压

　　[由上至下：(a)无相位移，(b)无相位移时之补偿电压，(c)含-60o相位移，(d) 含相位移时之补偿电压]

◎ITI (CBEMA) 曲线

　　目前有明文规定电气设备对电压骤降之耐受能力者为ITIC（Information Technology Industry Council）在2000年修正的ITI (CBEMA)曲线[10]，CBEMA曲线为ITI曲线之前身，IEEE Std. 446在1987年时将CBEMA曲线纳入规范。ITI曲线规定ITE（Information Technology Equipment）所需具备的受电电压干扰耐受能力（不包含断电），其应用的范围是单相120 V、60 Hz有关数据处理技术的设备；SEMI F47亦引用ITI曲线中0.05秒至1.0秒之时间范围内的电压降幅规定，作为半导体制程设备有关电压骤降耐受能力的规范，但其中并未规定电压等级，设备供电电压是指线对线电压或是线对地电压。

图4中绘出2000年修订后的ITI曲线[10]，曲线的横轴是电压干扰（电压降或电压升）持续时间，纵轴则是百分比电压值（基底可以为标称电压有效值或等效峰值，依讨论之区间而定），上方的曲线代表设备对电压升的耐受力，下方曲线表示设备对电压降之耐受力，两曲线中间的区域则表示设备能够正常运转的范围。

　　为解决上述内外界之干扰，应从电路设计、机械结构设计、包装设计及功能与人机接口之设计等设计面去处理。环境影响因素的设计验证在这方面更显得重要。台达电子通讯电源事业部投资在这方面之仪器设备可说不遗余力，如可程序交流电源系统仿真各种市电之变化、三相雷击测试、绝缘耐压测试、静电放电（ESD）试验、电性快速脉冲试验（EFT）、温湿度环境试验。台达三相T-系列UPS通过商检局商品电磁相等性测试，此标准在电磁传导与辐射方面与欧洲共同市场（CE）之标准相同，而雷击试验更符合IEEE C62.41之规定。

图4 ITI（CBEMA）曲线[10]

根据不同的电压干扰程度与持续时间，ITI曲线可以分成下列几个区间讨论：

◎客户端之防止对策

　　改善电压骤降可以分别从供电系统、设备本身及用户本身系统着手，短期而言，由用户本身系统进行预防与改善最具效率，但长期而言还是应从设备本身之耐受力彻底解决，而系统面之改善由于牵连广范，需作整体的评估与策略考量才能决定最有效且最经济的改善方式，本节中将针对下列客户端的电压骤降改善设备作一概念性的介绍：

(1) 电池储能式不断电系统（UPS）
(2) 并联式储能系统
(3) 静态转供开关（Static Transfer Switch, STS）
(4) 动态电压恢复设备（Dynamic Voltage Restorer, DVR）
(5) 静态电压调整变压器（Static Voltage Regulator, SVR）
(6) 动态式柴油引擎不断电系统（Diesel UPS）

◎电池储能式不断电系统（UPS）

　　图5为一常见的不断电系统，UPS串联于供电端与负载间，经由整流与变流器（inverter）转换提供标准的电源予负载，因此负载不会感受到供电端的电源异常现象，整流后的直流电源同时也对电池组充电维持在待命状态，而当供电电源异常时，换流器的直流电压立即转由电池供应，一般而言UPS可提供约15分钟的备用电力，视其装置容量而定，一般UPS用于低压系统，容量可由50VA至1MVA左右，使用上需考量整流及换流过程的效率以及电池组的维护及UPS所占用的空间。若发生停电事故，UPS也可以作为自备发电机起动前的供应电源。

图5 UPS架构图

◎并联式储能系统

　　图6为并联式储能系统之示意图，其包含一快速隔离开关（isolation switch），一组用于将储能系统直流电压转换为交流电压之变流器及一组储能系统，此储能系统可能是电容器、电池组、超导磁线圈（superconducting magnetic coil）或转动惯量（rotating inertia）。快速隔离开关以闸流体或是GTO构成，其反应时间小于4ms以便在供电端发生异常时能迅速隔离异常电源。

图6 并联式储能系统

◎静态转供开关（Static Transfer Switch, STS）

　　当用户由两组独立的馈线供电时，可以利用STS在一组电源异常时作隔离及转供的动作，图7为STS之单线图[11]。

图7 STS单线图

◎动态电压恢复设备（Dynamic Voltage Restorer, DVR）

表4 DySC与UPS之比较[15]

图8 DVR原理说明

图9 DVR单线图（Simens Power Transmission & Distribution, Inc.）

◎静态电压调整变压器（Static Voltage Regulator, SVR）

　　SVR能在1/4周波内快速地选择适当的变压器分接头，使变压器输出电压稳定在负载可以接受的范围内[16]，图10为SVR之单线图，在供电正常时，Crowbar SCR闭合而Tap SCR switches开启，当供电电源发生骤降时，控制器依据电压降幅选择适当的Tap SCR switch使之闭合，同时开启Crowbar SCR。

图10 SVR单线图

◎动态式柴油引擎不断电系统（Diesel UPS）

图11是动态式柴油引擎不断电系统的架构图，其主体包含：
1.柴油引擎
2.飞轮离合器（free flywheel clutch）
3.感应式耦合系统（induction coupling）
4.发电机及耦合线圈（choke?/font>

在正常供电时，发电机之作用如同马达，带动感应式耦合系统储存动能，而在供电系统异常时，则由柴油机带动发电机供电；感应式耦合系统包含两个旋转部份，内转子与外转子，外转子一端连接至发电机另一端经由飞轮离合器连接至柴油引擎，内转子于外转子内自由旋转，外转子包含两组绕组，一组2极3相交流绕组用以加速内转子，另一组直流绕组则用于使内转子减速，正常运转时离合器呈现分离状态，外转子由发电机带动，交流绕组激磁带动内转子，内转子之转速为外转子之3倍，亦即内转子储存了可立即再提取的能量；当供电系统断电或异常时，输入端的断路器开启，同时外转子之直流线圈激磁使内转子减速并转换其动能至外转子，藉由控制直流激磁的强弱可以使发电机之输出频率稳定，在内转子减速期间的同时，2秒内起动柴油引擎至发电机转速，达相同转速后离合器即闭合由柴油引擎取代内转子带动发电机供电。

图11 动态式柴油引擎不断电系统的架构图
（HITEC Power Protection）

◎讨论与结论

电压骤降对产业用电品质影响极大，对连续制程之工厂而言，供电品质不良会产生当机、复机、直接产能损失及复机产能损失等成本，因此有必要着手改善电压骤降问题以稳定电源品质，在本文中介绍电压骤降之定义与特性、相关标准及既有的改善设备，在选择相对的改善对策前必需深入了解各种改善设备的特性，例如电压适用范围、容量大小及其反应时间，而其投资成本之经济效益则必须预估骤降事故产生的成本、每年可能发生的骤降次数及计算一年可能产生的电压骤降事故成本，如此可以依据设备成本而得知投资回收时间；电力品质之问题非仅包含电压骤降单一问题，在整体规划时亦应同时一并考虑诸如断电、谐波及功率因子等问题，以便在考量经济因素下能利用既有的改善设备达成整体电力品质改善的目标。

◎附录－电压骤降相关标准规范

◎参考文献

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