2016年7月24日星期日

DC Arc flash formula in NFPA 70E

DC maximum power method applies to dc systems rated up to 1000 V.

where:

I_arc = arcing current amperes

I_bf = system bolted fault current amperes

IEm = estimated dc arc ﬂash incident energy at the max. power point cal/cm²

Vsys = system voltage volts

Tarc = arcing time sec

D = working distance cm

Simplify DC Circuit

2016年5月22日星期日

穩定度分析的主要資料與參數_The data of major equipment in stability study

Take a example as below,

1. Generator Data Sheet

	Description	Value	Remark
1	Ra Armature resistance	0.0044
2	Xd D-axis armature reactance	2.22	Xd > Xd'
3	Xq Q-axis armature reactance	2.13	Xq < Xd & Xq > Xd'
4	Xd' D-axis transient reactance	0.31
5	Xq' Q-axis transient reactance	0.45	Xq'< Xq & Xq'> Xd'
6	X" Machine sub-transient reactance	0.16	X" < Xd'& X" < Xq'
7	Xl Leakage reactance	0.13	Xl < X"
8	H Inertia constant	3
9	D Load damping coefficient	0.092	see help
10	Td0' D-axis transient time constant	4.9	Td0' > Td0"
11	Td0" D-axis sub-transient time constant	0.06	Td0" < Td0'
12	Tq0' Q-axis transient time constant	0.55	Tq0' > Tq0"
13	Tq0" Q-axis sub-transient time constant	0.055	Tq0" < Tq0'
14	S10 Saturation factor at V=1.0 PU	0.113	S10 < S12
15	S12 Saturation factor at V=1.2 PU	0.454	S12 > S10

2. Transfer Function Diagram of Exciter (IEEE Type AC5A)

3. Transfer Function Diagram of Governor

2016年5月21日星期六

屋內型配電變電所引入設備絕緣耐壓之研究-6_A study of Insulation Strength for Incoming Apparatus to Indoor Type Distributed Substation-6

參考文獻

[1] 陳文恭，”台灣地區閃電與雷擊之研究(II)”，行政院國科會防災科技研究報告82-25號，民國82年11月。

[2] 經濟部，”電業法” ，民國94年01月19日。

[3] 經濟部，”變電所裝置規則” ，民國93年07月28日。

[4] IEEE Std 1313.1-1996, “IEEE Standard for Insulation Coordination—Definitions, Principles,and Rules.

[5] IEEE Std 1313.2-1999, “IEEE Guide for the Application of Insulation Coordination”.

[6] IEC 71-2, 1996, “ Insulation Coordination - part 2: Application Guide”.

[7] IEC TR60071-4, 2004, “Insulation Coordination - part 4: Computational Guide to Insulation Coordination and Modeling of Electrical Network”.

[8] 台電輸工處，”一次配電變電所統包規範書”。

[9] 台電業務處，”台灣電力股份有限公司新增設用戶用電設備檢驗要點”，民國94年12月16日。

[10] 經濟部，”屋內線路裝置規則”，民國88年04月14日。

[11] Allan Greenwood, “Electrical Transient in Power System”

[12] 蔡篤敬，”2003年台灣地區落雷偵測資料之建立完成報告"，台灣電力公司綜合研究所，民國92年。

屋內型配電變電所引入設備絕緣耐壓之研究-5_A study of Insulation Strength for Incoming Apparatus to Indoor Type Distributed Substation-5

VII. 降低過電壓之探討

1. 增設避雷器的作法

要達到最好的雷擊過電壓的限制效果，最傳統也是最好的方法就是裝置避雷器，因此，根據表5統計與分析所示，避雷器裝設位置於連接站及GIS端可以達到降低過電壓及保護設備的目的。

2. 地下電纜長度的考量

特性阻抗的大小隨著電纜長度的變化而化，突波的大小衰減亦隨之改變，所以，在規劃前探討電纜長度的過電壓參數可作為鐵塔設置的參考模擬結果發現隨著電纜長度增加過電壓得到適度的降低。

如圖15所示，隨著電纜長度的增加，GIS端電壓呈現下降的趨勢，可以將過電壓降至BIL值以下；圖16表示當電纜長度增加時，雖變壓器端電壓亦趨下降，但仍高於BIL值；圖17所示，電纜端電壓隨著電纜長度的增加而下降，在長度600m左右可降至BIL以下。

3. 變壓器設備參數的影響

變壓器的對地電容值變化在1nF至6nF ^[5]，本文採用1.5nF的對地電容值，針對BIL值之各情形，探討改變變壓器模組的突波電容對設備端電壓之影響，由圖18所示可知，突波電容的大小對變壓器端電壓的影響，雖呈等比下降，但其過電壓仍高於BIL值。

4. 不做改變的作法

維持模擬狀況一的規劃也是一項選擇，依據台灣地區的總落雷數統計^[12]，計算落雷強度實際對系統可能造成破壞的電流值模擬結果當落雷強度由60kA降至43kA時，雷擊暫態電壓都可降至設備BIL值內，也就是說將近84%的雷擊對設備是沒有危害的，這個方法是單純的去接受閃絡的機率，對於非重點的變電所，安全率高於危險率也是運轉方式之ㄧ。

X.結論

研究結果顯示，避雷器數量位置、地下電纜的長度及設備參數的大小都會改變端電壓的大小，但其影響程度不一，整體而言，屋內型變電所的防雷措施是必須依賴避雷器來完成的，考慮系統背景及設備結構的不同來規劃防雷策略，系統規劃前經ATP–EMTP軟體的模擬分析是重要且必要的程序，以模擬結果來選擇設備絕緣等級可以彌補固定BIL值方法及避雷器固定安裝地點的缺漏，系統可得周全的設計考量亦有助於成本的降低，求得電力品質與節省成本間的最佳協調。

屋內型配電變電所引入設備絕緣耐壓之研究-1_A study of Insulation Strength for Incoming Apparatus to Indoor Type Distributed Substation-1

摘要

現行台電公司有部分的屋內型變電所外線引入方式是從屋外輸電鐵塔經地下電纜引入變電所。在變電所之系統設計上，設備絕緣等級是採用傳統固定式的基本雷擊脈衝準位(BIL)來作為規範，而避雷器是固定安裝於地下電纜的入口端的位置。如此設計是否能充分達到防雷保護的目的?本文將探討這些台電既有的防雷設計理念的妥適性及合理性。

本文利用電磁暫態分析軟體(ATP-EMTP)模擬雷擊的產生，建構系統模型，並以台電某一次配電變電所(D/S)為本文模擬的案例變電所，模擬分析避雷器於不同的模擬狀況下各設備端的耐受電壓的變化，加以記錄並進行分析、比較，結果顯示系統規劃前經ATP-EMTP軟體的模擬分析是項重要的程序，以模擬結果選擇適當的避雷器安裝位置，依標準系統分類來選擇設備絕緣等級較為合理。

Abstract

Nowadays, the incoming transmission lines to TPC’s indoor substation come from transmission tower via underground power cable. In general, the power engineer adopts fixed value of Basic Lightning Impulse Level (BIL) as equipment specification, and put lightning arrester at the joint of tower and underground cable. The study would like to verify the suitability of traditional way. Moreover, properer approach would be proposed in the thesis.

Electromagnetic transient simulation software (ATP-EMTP) is used to simulate the lightning transient phenomenon by modeling system components model for example substation. The simulations under a variety of conditions are traced by recording stress voltage at each sampling point. Obviously, using ATP-EMTP to simulate is a very important procedure before system design. The simulation result would be helpful to select the location of lightning arrester and BIL value of equipment instead of the fixed BIL of traditional approach.

I. 前言

變電所已由屋外型開放式的傳統變電所演進到屋內型的現代變電所，不但可以配合與市容景觀協調，而且可以避免傳統式變電所電力設備直接遭受雷擊的危險，提高供電的可靠度，但並不代表所有屋內型變電所就可以不受雷擊的威脅。

台灣是屬於多雷區^[1]，雷擊產生的脈衝突波是暫態過電壓，最大波峰電壓可達數百仟伏以上，這種瞬時高電壓對電力設備的絕緣造成非常大的衝擊，每年雷擊事故時有所聞，因此，須加強設備及系統防雷措施。

當變電所外鐵塔遭受雷擊時，產生的逆閃絡 (Back Flashover)^[7]雷擊過電壓可能沿著傳輸電力線進入變電所，這種突昇的電壓突波對電力設備的絕緣具有嚴重的破壞力，這種非直接雷擊容易使設計者疏於防範，本文希望能藉由模擬方式讓大家對此雷害有進一步的認識。

屋內型配電變電所引入設備絕緣耐壓之研究-3_A study of Insulation Strength for Incoming Apparatus to Indoor Type Distributed Substation-3

IV. 等效電路

雷擊打在輸電線路/鐵塔上所產生的衝擊，是依雷電流大小及突昇率的不同而有所差異，因此，為了方便分析和研究，必須將電流波形作標準化和理想化，即採用Tr/Th為1.2/50μs，計算雷擊產生的暫態過電壓的有效方法是將雷擊源視為一個電流源(current source)^[11]，等效電路圗如圗1所示。

其中： Is = 雷擊電流源

Zs =雷擊通道阻抗

Z =被擊物阻抗

V. 案例變電所之系統說明

案例變電所為一次配電變電所，屬台電甲E/S的轄區系統內，位於高雄縣境內，由甲E/S以架空線及地下管路方式引進161 kV電源，完工後可供應附近用戶161 kV及22.8 kV系統用電，鄰近輸電系統如圖2所示。

傳輸線引入方式是屬於「架空-地下」型式，即架空線經輸電鐵塔引至變電所外連接站與地下電纜連接，參考圖3，地下電纜共有兩迴路複導體是每相二條單芯2000mm2 之161 kV交連聚乙烯(XLPE)電纜佈設於電纜涵洞，約有100公尺，引進屋內型變電所之地下層(電纜
整理室)與設備161 kV GIS銜接。

本文假設雷擊發生在最靠近變電所的TWR#1鐵塔，研討變電所機電設備所承受的電壓應力，所以，將模擬電壓的取樣點設於各設備端，取樣點示意圖見圖4所示。

屋內型配電變電所引入設備絕緣耐壓之研究-2_A study of Insulation Strength for Incoming Apparatus to Indoor Type Distributed Substation-2

II. 國內、外法規比較

在電業法^[2]中第三十四條規定：「電業設備，應力求標準化，其方式、規範及裝置之規則，由中央主管機關定之。」此條文要求設備標準化的立意甚佳，但，於變電所裝置規則^[3]中規範了變電設備的衝擊絕緣基準電壓(BIL)為單一固定值，如表1所示，有違了各標準準則^[4-7]的絕緣強度經協調(Coordination)後再決定設備BIL值之精神，與IEEE標準對各系統電壓做歸類及分等，說明絕緣強度決定基準的方式有所不同，如表2^[5]所示各系統電壓可能不只一個衝擊絕緣基準值，再應用絕緣協調取得系統安全和最好的經濟性才是最佳的規範與設計。

在六輸計畫中變電所的設計與要求，除了沿用電業法對設備標準化的要求外，在一次配電變電所統包規範^[8]中，第3.1節「變電所基本要求」裏提出"需有良好之絕緣協調，不得因單一事故造成整所全停。"的說明，顯示對設備絕緣強度的重視，但，並未將絕緣協調列入圖面文件審核項目中，無法落實設備絕緣強度須考慮各項因數經協調再決定的精神。

在民間電力設計案，設計考量的不外乎設計資料送審項目^[9]，包含了故障電流計算、電壓降、接地電阻值、功率因數、照度、保護電驛設定、電壓閃爍及諧波等的計算與檢討，未將設備絕緣強度列入審查項目中，主要是國內標準並未有較完整的規範如何選擇絕緣強度，在經濟部頒訂的「屋內線路裝置規則」^[10]中，於避雷器章節中敘述”高壓以上用戶之變電站應裝置避雷器保護設備”，缺乏嚴謹的標準作為選擇絕緣強度的依歸，因此，在沒有法令要求及設計審核的需求下，也就不會有進一步的設計考量。

III. 問題探考與研究方法

根據目前國內外法規標準的差異點，利用目前廣泛應用在暫態分析的電腦程式 (ATP-EMTP)，討論改變避雷器的安裝位置，各重要設備點可能產生的端電壓並做紀錄進行研究，主要的議題有：

1. 避雷裝置安裝於所外的連接站的妥適性。

2. 電力設備的絕緣強度BIL值採用固定值的合理性。

一次配電變電所(D/S)引入系統電壓為161kV，在選擇設備標準絕緣基準是屬於等級I(Class I)，參見表3，須考慮低頻耐壓及雷擊衝擊絕緣基準(BIL)，針對雷擊產生的瞬時高電壓變化(dv/dt)做探討。

當雷擊於最靠近變電所的第一座鐵塔(TWR#1)進行模擬研討，考慮在受電狀況下利用絕緣協調的程序，選擇符合典型過電壓特性的絕緣耐壓，作為研究設備的雷擊絕緣耐壓的方法，利用ATP-EMTP來評估電力系統的暫態過電壓，以ATPDraw建立設備元件及模擬之系統架構，於鐵塔頂端注入標準雷擊電流源，經逆閃絡機制導引經電力線傳播突波進入變電所，由PlotXY圖繪程式將模擬的數據轉換為電壓-時間(V-t)軸的線條圖面，觀察在各取樣點電力設備的模擬電壓，紀錄各取樣點的電壓資料絕緣是否遭受破壞的判斷法則採用決定法(Deterministic Method)[7]來判別。