第七章 長時間的電壓變化

大體上而言，發電廠盡力在維持供給終端用戶的服務電壓，可以在標稱電壓值的正負5%之內。 而在短時間、緊急事件情況下，美國國家標準(ANSI)C 84.1允許使用電壓處於標稱電壓的百分之+6 ~ -13%的範圍。 而某些敏感負載為維持適當操作，會有較嚴格的電壓限制，且設備通常在接近標稱電壓值操作時，會較有效率。 本章提出在電壓調整後之基本問題和可用來修正這些問題的常用裝置及類型。

7.1 電壓調整的原理 多數電壓調整問題的根本原因，是因在電力系統中有太多的阻抗，以至於無法適當地對負載作供電（如圖7.1）。 7.1 電壓調整的原理 多數電壓調整問題的根本原因，是因在電力系統中有太多的阻抗，以至於無法適當地對負載作供電（如圖7.1）。 在高負載供電時，電壓會降低；而將來源電壓提高以克服阻抗所造成之壓降時，卻會在負載降低時，可能會有超壓的現象產生。 通常修正的措施包含有補償阻抗Z或由阻抗所引起之IR + j IX電壓降。

7.1 電壓調整的原理 一個電廠有可能採用來改善電力系統電壓調整的一些方法，其優先的次序大概為： 7.1 電壓調整的原理 一個電廠有可能採用來改善電力系統電壓調整的一些方法，其優先的次序大概為： 1.增加並接式電容器以減少電流I和改變它的相位，使與電壓接近同相。 2.增加電壓調節器，提昇視在電壓V1。 3.增大導體線路的面積尺寸，以減少阻抗Z。 4. 將變電所，或者工作的變壓器增大，以減少阻抗Z。 5.增加動態虛功（VAR，乏）補償器；在負載快速變化時，其功能與電容器相同。 6.增加串接電容器，以消除感應阻抗所引起之壓降IX。

圖7.1 跨越系統阻抗的壓降是電壓調整問題的根本原因 圖7.1 跨越系統阻抗的壓降是電壓調整問題的根本原因

7.2 電壓調整的裝置 已有許多電壓調整裝置使用在電廠和工業電力系統方面。 其主要可分成三類： 1.分接頭切換式變壓器 7.2 電壓調整的裝置 已有許多電壓調整裝置使用在電廠和工業電力系統方面。 其主要可分成三類： 1.分接頭切換式變壓器 2.具分壓調整的隔離裝置 3.阻抗補償裝置，如電容器

7.2 電壓調整的裝置 分接頭切換式變壓器(tap-changing transformers)，有機械式與電子式兩種。 7.2 電壓調整的裝置 分接頭切換式變壓器(tap-changing transformers)，有機械式與電子式兩種。 分接頭切換式變壓器通常是自動變壓設計，雖然也可以用兩個和三個繞組的變壓器去裝設。電 子式的分接頭切換變壓器能夠對電壓變化作出迅速的回應，而機械式的分接頭切換變壓器，則是為慢速改變的負載所適用的。 隔離裝置包括不斷電電源供應器系統(UPS)，鐵磁共振變壓器（Ferroresonant，固定電壓）及電動發電機組(motor-generator sets)。

7.2 電壓調整的裝置 這些裝置透過某種方式的能量轉變，可實質的將負載從電源端隔離。 7.2 電壓調整的裝置 這些裝置透過某種方式的能量轉變，可實質的將負載從電源端隔離。 因此，這些裝置的負載側可以獨立的作調整，且能夠保持經常穩定的電壓，不管在電源供應端發生何狀況。 使用這些裝置的缺點是是價格昂貴、引起更多損失，並且會在電源供應端產生諧波失真問題。 加上並接式電容器，以減少線電流，可幫助維持電壓穩定。 同樣地，過補償的電感性電路，亦可用此法來解決電壓升高的問題。

7.2 電壓調整的裝置 另一個解決負載所引起之電壓閃爍的方法，是裝置一般所謂的靜態虛功補償器(static var compensators)。 藉由迅速的控制虛功之產生量，它們能夠在幾週期內即回應，以維持一個幾乎不變的電壓值。 這些裝置一般常用於電弧爐、碎石機、微弱系統中的隨機變動負載，以及接近用戶端所引起的電壓擾動。

7.2.1 步進式電壓調整器 典型通用的分接頭切換調整器，能將輸入端之電壓值的+10 %到-10 %，分為32段，每段為5/8 %（即0.625 %）的方式作調整。 其它另有一些不同的方式，但大多數是以這種類型調整。 圖7.2為一通用之步進式電壓調整器之簡圖。 通用的線電壓調整器與變電所的負載分接頭切換器是相當慢的。 當電壓超出範圍時，動作時間延遲至少是15秒，一般都是30或45秒。

7.2.1 步進式電壓調整器 因此，在電壓在幾週期或幾秒變化的狀況下，它是不具效益的。 7.2.1 步進式電壓調整器 因此，在電壓在幾週期或幾秒變化的狀況下，它是不具效益的。 它們主要是應用在做長饋線的電壓提升，而在這些饋線上之負載，是以幾分鐘或幾小時的時間做慢速變化的。

圖7.2 常用在配電線上的一種實際電壓調整器之簡圖 圖7.2 常用在配電線上的一種實際電壓調整器之簡圖

7.2.2 鐵共振變壓器 圖7.3指出一個容量為120伏安(VA)的鐵共振變壓器，在連接15伏安(VA)負載時之穩態的輸入/輸出的特性。 7.2.2 鐵共振變壓器 圖7.3指出一個容量為120伏安(VA)的鐵共振變壓器，在連接15伏安(VA)負載時之穩態的輸入/輸出的特性。 當輸入電壓降到30伏特時，輸出的電壓仍是維持固定。

圖7.3 鐵共振變壓器的穩態的特性

7.2.3 電子式分接頭切換調整器 電子式分接頭切換調整器(electronic tap-switching regulators)（圖7.4）亦可用來調節電壓。 它們比鐵共振變壓器更有效率，且利用矽控整流器或雙向矽控整流器來快速的切換分接頭，進而調整電壓。 分接頭切換調整器擁有僅半週波之快速反應時間，為中型電力系統所常使用。

圖7.4 電子式分接頭切換調整器

7.2.4 磁合成器 磁合成器(magnetic synthesizer)本是用來針對短期間的電壓驟降，但亦可以用來對穩態電壓做調節。 7.2.4 磁合成器 磁合成器(magnetic synthesizer)本是用來針對短期間的電壓驟降，但亦可以用來對穩態電壓做調節。 例如，某家製造商宣稱若輸入電壓在正負40 %之間時，其輸出電壓可維持在全載時的正負5 %以內。

7.2.5 線上不斷電系統 在線式不斷電系統(on-line UPS systems)原本是用來防止電壓驟降及短時間的停電，現也可用來做電壓調整，以維持來源電壓夠高，使其可對電池持續充電。 此設備常用於解決小型、重要的電腦設備，或裝設於有大型擾動負載的工業環境中之電子式控制負載，因電壓變動而導致的電壓變化。

7.2.6 電動發電機組 電動發電機組(motor-generator sets)（圖7.5）同樣地亦可用來做電壓調整。 7.2.6 電動發電機組 電動發電機組(motor-generator sets)（圖7.5）同樣地亦可用來做電壓調整。 它們將負載與發電系統完全的隔離，保護負載免於電機暫態的影響。 由發電機控制部份提供了電壓的調節。 電動發電機裝置的主要缺點，在於對大負載變化時的回應時間較慢。

7.2.6 電動發電機組 因電動發電機裝置須花幾秒的時間，才能將電壓回復到需要的電壓等級，對某些負載來說是太慢了，特別是快速變化的負載。 7.2.6 電動發電機組 因電動發電機裝置須花幾秒的時間，才能將電壓回復到需要的電壓等級，對某些負載來說是太慢了，特別是快速變化的負載。 藉由在飛輪(flywheel)裝置中存儲能量，電動發電機組也可對輸入電壓變動提供跨越(ride through)功能而正常工作，特別是電壓驟降(Sags)。

圖7.5 電動發電機裝置

7.2.7 靜態虛功補償器 靜態虛功補償器(static var compensators)可以應用在電廠系統或者工業系統。它們利用快速的供應，或消耗虛功，來協助做電壓的調節。 它利用系統的阻抗，一週波一週波的去提升或降低電壓。 在圖7.6所示為常用的兩種靜態虛功補償器型式。閘流體控制電抗器系統(thyristor-controlled reactor, TCR)可說是最常用的。

7.2.7 靜態虛功補償器 它利用一固定的電容器組去提供超前的虛功率，及分段之閘流體控制電感去抵消全部或部分的電容。 7.2.7 靜態虛功補償器 它利用一固定的電容器組去提供超前的虛功率，及分段之閘流體控制電感去抵消全部或部分的電容。 電容器經常被裝配為濾波器，來清除因閘流體所引起的諧波失真現象。 閘流體切換式電容器(thyristor-switched capacitor)經由多段的電容器切換，得以盡可能迅速地與負載的需求匹配。 此方式之調節是比閘流體控制電抗器來得簡略一點，但通常已足用了。 電容器通常是被完全的限制隔絕，所以電流沒有諧波成分。因切換點是可控制的，所以沒有切換暫態。

7.3 電壓調整器之應用 圖7.7所示為美國電廠實際使用之典型的32段式電壓調整器組。

圖7.6 通用之靜態虛功補償器的架構

(Courtesy of Cooper Power Systems) 圖7.7 典型通用之三相32段的電壓調整器組 (Courtesy of Cooper Power Systems)

7.3.1 線電壓降補償器 當負載的成長超過在尖峰負載時的饋線負載容量時，調整器在改善配電饋線上的低電壓狀況是相當有效的。 7.3.1 線電壓降補償器 當負載的成長超過在尖峰負載時的饋線負載容量時，調整器在改善配電饋線上的低電壓狀況是相當有效的。 線電壓降補償器的目的在於整平電壓波形的輪廓，因此在尖峰負載時，它提供必要的電壓提升。 也使得於低負載時之電壓可維持在接近標稱電壓值附近。這闡明於圖7.8中。 我們假設在變電所沒有裝設負載分接頭切換器，僅討論在變電所的饋線調整器。 在圖7.8a中，沒有裝設補償器，電壓設定在高於標稱的5%，如在120伏特系統中為126伏特。

7.3.1 線電壓降補償器 因為在控制方面有某種帶寬，電壓可能實際上會比較高。 7.3.1 線電壓降補償器 因為在控制方面有某種帶寬，電壓可能實際上會比較高。 在圖7.8b中，電壓是設在120伏特(100 %)，線電壓降補償器設置在離變電所一段距離處之饋線上，如圖所示。 在尖峰負載時，調節器的電壓必須升到105%，以維持饋線末端有適當的電壓。 然而，在低負載狀態下時，饋線的電壓輪廓更接近標稱電壓值(100%)。

圖7.8 線電壓降補償對電壓輪廓之功效

7.3.1 線電壓降補償器 線路壓降補償器裝置將補償器的電阻(resistive)和電抗(reactive)部分稱為R及X。 7.3.1 線電壓降補償器 線路壓降補償器裝置將補償器的電阻(resistive)和電抗(reactive)部分稱為R及X。 在以120伏特為的基底之系統中，單位是用伏特來取代歐姆。 將以歐姆為單位之實際線路阻抗轉換為R及X的設定值之基本公式為

7.3.1 線電壓降補償器 其中CT是定義為線路的額定(rating)電流，而PT比例(ratio)是指線對中性點的標稱的電壓除以120伏特。 這些R及X值可直接用於Y-接的調整器上。

7.3.2 串聯調整器 於人口居住稀疏的區域中，在供應相距很遠的負載的極長饋線上，發現串接兩個或兩個以上的調整器組並不罕見。 7.3.2 串聯調整器 於人口居住稀疏的區域中，在供應相距很遠的負載的極長饋線上，發現串接兩個或兩個以上的調整器組並不罕見。 僅為了供應臨時之負載，而將饋線延伸數英哩的狀況中，以水利灌溉及採礦兩種負載最值得注意。 這些應用需要特別針對如何避免電力品質的問題去做考慮。 在這情況下之電力品質的最大問題為負載卸除。可能是故障引起的負載的突然降低。 將會導致大量的額外電壓提升，因為調整器的電壓推升將會是累積的（見圖7.9）。

7.3.2 串聯調整器 可能發生百分之廿或更高的過電壓。 變壓器的飽和與剩下的負載會幫助降低電壓，但是，它仍然會超過正常的極限相當大的幅度。 7.3.2 串聯調整器 可能發生百分之廿或更高的過電壓。 變壓器的飽和與剩下的負載會幫助降低電壓，但是，它仍然會超過正常的極限相當大的幅度。 為了使對負載的損害降到最低，調整器利用忽略正常的時間延遲。 而使用“快速回轉(rapid runback)”的控制方案，儘速的使調整器回轉。通常，每個分接頭改變須2到4秒。

圖7.9 在串接的調節器上負載卸除所引起過電壓之圖示 圖7.9 在串接的調節器上負載卸除所引起過電壓之圖示

7.4 電壓調整電容器 電力系統中，電容器可以被用來做電壓調節，其配置方式可以是並接，或是串接（如圖7.10）。

圖7.10 饋線電壓因並接(a)與串接(b)電容器而提昇

7.4.1 並接式電容器 對於並接電容器(shunt capacitors)電壓提升百分率基本上與負載無關。 7.4.1 並接式電容器 對於並接電容器(shunt capacitors)電壓提升百分率基本上與負載無關。 因此，經常利用自動切換來提供高負載時所需的調節，及預防低負載時的過電壓。 電容器切換可能會在用戶的設備內引起暫態的過電壓，如第四章所述。 並接電容器的使用亦會引起許多諧波問題（參見第五章及第六章）。

7.4.2 串接式電容器 在饋線上串接一電容器，會造成饋線末端的電壓升高，且直接隨著負載電流而變化。 7.4.2 串接式電容器 在饋線上串接一電容器，會造成饋線末端的電壓升高，且直接隨著負載電流而變化。 無負載時，電壓提升為零，滿載時，電壓提升值最大。 因此，串接電容器不需要因應負載方面的變化而作切換。 但是，串接電容器有幾個缺點。首先，它們不能對饋線負載提供虛功補償，且無法有效的降低系統的損失。 如果系統受到過量的饋線壓降所限制時，串接電容器僅可增加部份額外的容量給系統。 另一方面，當系統容量受到饋線電流所限制時，並接電容器是較有效的。

7.4.2 串接式電容器 其次，串接電容器無法承受故障電流的發生。 這將導致激烈的過電壓，必須透過自動切換開關來進行電容器的旁通保護。 7.4.2 串接式電容器 其次，串接電容器無法承受故障電流的發生。 這將導致激烈的過電壓，必須透過自動切換開關來進行電容器的旁通保護。 也必須跨接一避雷裝置或制動裝置，來將電流轉向，直到開關閉合為止。

7.5 用戶端電容器的應用 末端用戶決定使用功因修正電容器的原因是： 減少電費帳單。 減少I2R損失，及因其造成之線路與變壓器的加熱。 7.5 用戶端電容器的應用 末端用戶決定使用功因修正電容器的原因是： 減少電費帳單。 減少I2R損失，及因其造成之線路與變壓器的加熱。 提高負載的電壓，增加生產和（或）運轉的效率。 降低線路及變壓器內的電流，以期可供應額外的負載，而不必增加新電路或迴路。

7.5 用戶端電容器的應用 由於電容器的加入，可能會有電力品質的問題產生。最常見的是諧波問題。 7.5 用戶端電容器的應用 由於電容器的加入，可能會有電力品質的問題產生。最常見的是諧波問題。 雖然功因修正電容器並不是諧波源，但它會和系統已存在之諧波產生相互作用，而加重了諧波現象（參見第五、第六章）。 同時，也會有切換暫態產生的副作用，如實際電廠電容器切換時的暫態電流增大（參見第四章）。

7.5.1 功因修正電容器之位置 安裝功因修正電容器所獲得的效益中，包含了減少系統中虛功率的流動。 7.5.1 功因修正電容器之位置 安裝功因修正電容器所獲得的效益中，包含了減少系統中虛功率的流動。 因此，功因修正裝置最好的設置位置為愈接近負載愈好。 通常，電容器是安裝於大型的感應馬達（在圖7.11中之C3）。 這使得電容器與馬達可以同時切換，如同一套設備一般。 當電廠以大幅的廣告鼓勵功因修正時，擁有龐大配電系統的大型工廠，通常會將電容器安裝在系統的一次側（圖7.11中之C1）。

7.5.1 功因修正電容器之位置 然而，功因修正與諧波失真的降低常常是須由相同的電容器來完成的。 7.5.1 功因修正電容器之位置 然而，功因修正與諧波失真的降低常常是須由相同的電容器來完成的。 在主要的配電匯流排上（圖7.11中之C2）裝設較大的諧波濾波器，除可以提供所需之補償外。 還可提供一低阻抗的路徑給諧波電流去流動，以將諧波電流從系統中隔離。 僅在電源側或主配電匯流排上裝設電容器的缺點是，無法降低工廠內的電流及線路的損失。 惟有當電容器（圖7.11中之C4）可以散佈於系統時，損失及電流才能降低。

7.5.1 功因修正電容器之位置 一些工業終端用戶將電容器裝設在馬達控制中心，這樣比在每一個馬達裝設電容器來的經濟一些。 7.5.1 功因修正電容器之位置 一些工業終端用戶將電容器裝設在馬達控制中心，這樣比在每一個馬達裝設電容器來的經濟一些。 而且可以將電容器的控制與馬達的控制結合，使得電容器可以因應需求而切換。 另一個缺點則是與諧波的呈現有關。 通常，主配電匯流排通常皆擁有高的電抗 – 電阻比值(X/R Ratio)，且電容器的加入會引起諧波共振，產生非常高的諧波電壓及電流。

圖7.11 功因修正器的位置

7.5.1 功因修正電容器之位置 這是在工廠中，諧波所造成之損害中最常見的原因。 7.5.1 功因修正電容器之位置 這是在工廠中，諧波所造成之損害中最常見的原因。 如果，在到負載之輸電線路中有足量之電阻，則分散式電容器之應用可以對諧波共振現象有所抑制。 另一方面，當這些引起問題的電容器是位於某一限定區域時，共振的現象將可以很容易的去降低。 因此，電容器補償的最佳化設計，通常都是在互相衝突的目標間去做折衷。

7.5.2 電壓提昇 從電力品質的觀點來看，將電容器裝設在電感性的電路中，來做提升電壓的做法，是一把雙面利刃。 7.5.2 電壓提昇 從電力品質的觀點來看，將電容器裝設在電感性的電路中，來做提升電壓的做法，是一把雙面利刃。 當電壓降低時，電容器會提供壓升，將電壓拉回可容忍之限制範圍內。 可是，若當負載被關閉時，而電容器仍在供給能量，電壓將會提升的太高，導致持續的過電壓現象。

7.5.2 電壓提昇 在末端用戶處，因電容器安奘所產生之電壓升，可由下式來估計 上式中：%∆V = 電壓提升百分率 7.5.2 電壓提昇 在末端用戶處，因電容器安奘所產生之電壓升，可由下式來估計 上式中：%∆V = 電壓提升百分率 kvarcap = 電容器組之額定 kVAtx = 降壓變壓器之額定 Ztx = 降壓變壓器之阻抗，%

7.5.2 電壓提昇 上式中是假設在電容器安裝之位置以上，系統中之大部分的阻抗皆集中於變壓器上。 7.5.2 電壓提昇 上式中是假設在電容器安裝之位置以上，系統中之大部分的阻抗皆集中於變壓器上。 如前所提，當系統處於低負載時，電容器若仍繼續提供能量，電壓將會提昇太高，而引起電力品質上的問題。 其共同之徵兆為在供電變壓器上有大的嗡鳴聲，且在某些狀況下，會因鐵心過激磁而引起的過熱現象。 而另一徵兆則為，於電容器組加入的同時，會有許多的白熾燈泡故障熄滅。

7.5.2 電壓提昇 因此，此公式可用來檢驗電容器繼續留下提供能量之可行性。 7.5.2 電壓提昇 因此，此公式可用來檢驗電容器繼續留下提供能量之可行性。 若為不可行，則須規劃控制策略，如何於系統輕載時，去做電容器的切離。

7.5.3 系統損失之降低 系統損失之降低可由下式來估計： 上式中：% loss reduction = 損失減少（降低）百分率 7.5.3 系統損失之降低 系統損失之降低可由下式來估計： 上式中：% loss reduction = 損失減少（降低）百分率 pf original = 原系統功率因數（pu，標么） pf corrected = 修正後之功率因數（pu，標么）

7.5.3 系統損失之降低 此公式基本上是適用於輻射式饋線系統中之單一電容器。 7.5.3 系統損失之降低 此公式基本上是適用於輻射式饋線系統中之單一電容器。 然而，若電容器是均勻散佈於工廠中，上式大概也可視為是可行的，以便將每一主要之分支迴路的損失改善百分率視為是約略相同。 需特別注意的，是此公式所得之降低百分率可能會超過目前電容器上游的損失。 在電容器與負載之間的線路和變壓器方面，損失是沒有減少的。

7.5.4 線路電流的降低 線路電流的降低百分率可由下式來估計： 上式中 : % ∆I = 電流降低（減少）百分率 7.5.4 線路電流的降低 線路電流的降低百分率可由下式來估計： 上式中 : % ∆I = 電流降低（減少）百分率 cos  before = 修正前之功因角 cos after =修正後之功因角 相同的，此公式僅適用於電容器上游之電流估計。

7.5.5 位移功率因數對真實功率因數 在慣例上，功因修正之選擇是假設系統中之負載擁有線性關係的電壓 – 電流特性，及將諧波失真現象忽略不計。 在這些假設下，所得的功率因數是為位移（替換）功率因數(displacement personalower factor, DPF)。 DPF是以慣用的功因三角形法（見圖7.12）來計算，通常表示為： 其中，kW與kVA為基頻時的功率。

圖7.12 位移功率因數三角形

7.5.5 位移功率因數對真實功率因數 系統中，因非線性負載所引起的電壓與電流的諧波失真需被計入，故改變了功率因數的計算方式。 7.5.5 位移功率因數對真實功率因數 系統中，因非線性負載所引起的電壓與電流的諧波失真需被計入，故改變了功率因數的計算方式。 真正的功率因數(true power factor, TPF)，被定義為電路中的實功率與總伏安數之比值： 如前所示，功率因數亦是被定義為仟瓦(kW)與仟伏安(kVA)的比值，但在此的仟伏安(kVA)是包含諧波失真部份的伏安數。

7.5.5 位移功率因數對真實功率因數 總仟伏安數（視在功率）是由實際電壓的均方根值(rms)乘上實際電流的均方根值所得。 7.5.5 位移功率因數對真實功率因數 總仟伏安數（視在功率）是由實際電壓的均方根值(rms)乘上實際電流的均方根值所得。 它顯然會高於基頻下的仟伏安值。而因失真所引起之實功率(P)的增加通常是很小的。 TPF是實際使用之實功率的效率量測。在沒有失真的狀況下，它是被預設為等於DPF。 電容器基本上只能補償基頻的虛功率（乏），而當有諧波存在時，電容器並不能將功率因數完全修正到為1。 事實上，電容器會因產生共振而放大了諧波失真，讓TPF變差。

7.5.5 位移功率因數對真實功率因數 在典型的電力系統中，雖然電壓的均方根值也會因諧波而有些許的增加。 7.5.5 位移功率因數對真實功率因數 在典型的電力系統中，雖然電壓的均方根值也會因諧波而有些許的增加。 但在TPF式中的電流均方根項通常是受諧波失真影響最大的。 假設電壓的總合諧波失真(THD)為零，則可以修正TPF的最大值約略為： 其中，THD是以標么值來計算。

7.5.5 位移功率因數對真實功率因數 為電廠對功率因數罰則的計費，通常都是基於DPF，所以它對於多數工業用戶仍然很重要。 7.5.5 位移功率因數對真實功率因數 為電廠對功率因數罰則的計費，通常都是基於DPF，所以它對於多數工業用戶仍然很重要。 目前，大部分的營業收費機制仍是以DPF為主。 然而，在許多的工業負載，其TPF是相當低。 且現在的電子計量表已有能力可以去計算TPF，所以計費方式是有可能改變為以TPF為主。

7.5.6 電容器容量的選擇 要將負載之功因修正到所要的值，其所需的電容器容量如下式所估計。 7.5.6 電容器容量的選擇 要將負載之功因修正到所要的值，其所需的電容器容量如下式所估計。 此式並可供給想要裝設電容器來修正功因的使用者一些參考。 在此式中： kvar = 需要補償之仟乏值 kW = 實功率瓦特值  orig = 原功率因數相角  new = 所欲之功因角 PForig = 原功率因數 PFnew = 所欲之功率因數

7.5.6 電容器容量的選擇 在選定了預估之電容器容量大小後，關於電力品質的問題方面，有兩點需注意： 7.5.6 電容器容量的選擇 在選定了預估之電容器容量大小後，關於電力品質的問題方面，有兩點需注意： 1. 找出無載時之電壓上升值，以確保在最低負載時，電壓不會提升至高於110%。 如果會的話，則必須切離一些電容器，或裝設少一點電容器。 2.確認電容器對諧波的影響（參見第五章）

7.5.6 電容器容量的選擇 若證實諧波是問題所在，則通常有幾個選擇： 7.5.6 電容器容量的選擇 若證實諧波是問題所在，則通常有幾個選擇： 1.可能的話，改變電容器的數量；避開某些切換組合；這通常是最省成本的方法。 2.將一些電容器轉換為一個或多個濾波器；通常是裝在主匯流排上。 3.採用適合的控制系統，以監視諧波失真現象，及切換電容器以避免共振。 這對有大量電容器隨機在做投入或切離之切換的大型工業用戶而言，是很恰當的做法。

表7.1 決定虛功（仟乏）需求的實功（仟瓦）乘數因子

7.6 分散式電源應用在電壓調整 圖7.13舉了一個例子說明。 7.6 分散式電源應用在電壓調整 圖7.13舉了一個例子說明。 通常電廠皆有安裝有區域隔離開關，故當緊急狀況時，部份配電饋線是可以由不同的饋線或變電所來供電。 如果故障於尖峰負載時發生，僅僅透過正常的開關閉合，是無法從其他的饋線去做負載的轉供。 然而，若一發電機是位於接近開關的連接點附近，則它就可能用可以接受之電壓，去提供額外的負載所需之足夠的電力。 如果，此發電機具有足夠之容量，它將也可提供電壓調整的功能。

圖7.13 利用發電機去支援饋線上非故障區域的復電 圖7.13 利用發電機去支援饋線上非故障區域的復電

7.6 分散式電源應用在電壓調整 用發電機來做電壓調節的一個優點，是它的控制比調整器及負載分接頭切換器(LTCs)之不連續性的分接頭切換設備，來得較快速與平順。 儘管有此優勢存在，大多數的配電保護工程師仍是勉強的以沒有經過仔細研究和昂貴的控制設備，來進行此類型操做。 此爭論是在於使用自動的電壓調整，會使得系統更容易地去支援一不受重視的區域。 因此，一些直接轉供跳脫的經驗法則，是需要去確認當某些電廠斷路器動作時，發電機是否有切離系統。

7.6 分散式電源應用在電壓調整 通常，分散式電源的銜接，是為使用功率與作功率因數控制的。這使得電力孤島效應的危險減少。 7.6 分散式電源應用在電壓調整 通常，分散式電源的銜接，是為使用功率與作功率因數控制的。這使得電力孤島效應的危險減少。 雖然，分散式電源不再試圖去做電壓調整工作，但是在負載受限制的狀況下。 透過取代或移轉部分的實功及虛功，仍被用來做電壓的調整。 另外，用戶自有的分散式電源可以脫離電網(off-grid)簡單的運轉，及供應用戶部份或全部離線負載。 如此避免了相互聯結的問題，和透過減少負載的方式，對電壓的調整提供了一些協助。

7.6 分散式電源應用在電壓調整 分散式電源的控制必須與既存的線路調整器及變電所的負載分接頭切換器做周詳的協調。 7.6 分散式電源應用在電壓調整 分散式電源的控制必須與既存的線路調整器及變電所的負載分接頭切換器做周詳的協調。 反方向的電力潮流有時會誤導電壓調整器，使其分接頭切換至錯誤的位置。 同時，發電機亦可能導致分接頭經常做切換，而致使其分接頭的切換機構壽命縮短，提早故障。 幸好，有一些製造廠商已經預料到這些問題，目前已可提供微電腦控制式的精密調節器來弭補這些問題。 為使用分散式電源來做電壓調節，在選擇設備時是有限制的。

7.6 分散式電源應用在電壓調整 需選擇輸出穩定、可控制的設備，如往復式發動機（引擎）、燃氣渦輪機、燃料電池和儲能式電池。 7.6 分散式電源應用在電壓調整 需選擇輸出穩定、可控制的設備，如往復式發動機（引擎）、燃氣渦輪機、燃料電池和儲能式電池。 並非所有技術對調整電壓都合適。他們必須能夠產生可以控制量的虛功。 設備製造廠商需要換流器來做彼此的聯接，當與電網聯接時， 有時會將換流器以程式控制，使其僅運轉於功率因數等於1。 簡單的感應發電機與感應馬達一樣，會消耗虛功率，如此會造成低電壓狀態。

7.7 電壓閃爍 雖然，電壓閃爍(voltage flicker)嚴格來講並不能算是長期間的電壓變化。 7.7 電壓閃爍 雖然，電壓閃爍(voltage flicker)嚴格來講並不能算是長期間的電壓變化。 而把它放在本章來討論，是因為造成問題的根本原因是一樣的：系統太弱而無法承受負載。 同樣地，一些解決方法是與慢速變換的電壓調整問題一樣。 由電壓閃爍所引起之電壓變動，通常都在正常的服務電壓範圍之內，但是變化之快速已足以引起某些末端用戶的不好受。

7.7 電壓閃爍 閃爍(Flicker)，這名詞有時被視為與電壓擾動、電壓閃爍、光閃爍、或燈光閃爍等名詞同義。 7.7 電壓閃爍 閃爍(Flicker)，這名詞有時被視為與電壓擾動、電壓閃爍、光閃爍、或燈光閃爍等名詞同義。 此現象被認為可定義成因系統的電壓擾動，而引起可辨覺到的光輸出變化（閃爍）。 因為閃爍是人類眼睛所可以觀察的到最常見的問題，所以它被認為是一個感覺的問題。 電壓閃爍可分為兩種類型：週期性和非週期性。 週期性的閃爍(cyclic flicker)是因系統之週期性的電壓擾動所引起的。 而非週期性閃爍(noncyclic flicker)，則是由偶發的電壓擾動所引起的。

圖7.14 一般的閃爍曲線

7.7 電壓閃爍 圖7.15所示為一正弦曲線的週期性閃爍的例子。 7.7 電壓閃爍 圖7.15所示為一正弦曲線的週期性閃爍的例子。 此種型態之閃爍僅有振幅的調變，其主要訊號（在北美為60赫茲）為載波訊號，而閃爍則為調變訊號。 閃爍訊號通常是以正常運轉電壓的百分率來表示。 因以百分率來表示，所以閃爍訊號就與峰值、波峰－波峰值、均方根值、線至中性點值…等無關。

7.7 電壓閃爍 電壓調節百分率通常可表示為： 此式中：Vmax = 調變訊號的最大值 Vmin = 調變訊號的最小值 7.7 電壓閃爍 電壓調節百分率通常可表示為： 此式中：Vmax = 調變訊號的最大值 Vmin = 調變訊號的最小值 V0 = 正常運轉電壓的平均值

7.7 電壓閃爍 最常用來表示電壓閃爍的方法是類似電壓調節百分率的表示。 7.7 電壓閃爍 最常用來表示電壓閃爍的方法是類似電壓調節百分率的表示。 它通常是表示為，在某一段時間內，相對於平均電壓的總電壓變化量之百分率(∆V/V )。 如圖7.14所示，人類的眼睛對5到10赫茲的亮度擾動特別敏感。 若閃爍的頻率增加或減少，而離開這範圍，則人類眼睛對亮度擾動的可容忍度會較高。

圖7.15 電壓閃爍波形的例子

7.7.1 電壓閃爍的來源 通常，在相對於負載需量而言是虛弱的系統上，常會產生電壓閃爍，進而導致低短路比。 7.7.1 電壓閃爍的來源 通常，在相對於負載需量而言是虛弱的系統上，常會產生電壓閃爍，進而導致低短路比。 它因與短時間內有大量的電流變動現象結合，而導致電壓閃爍。 由於負載的增加，線上流通的電流亦增加，故增加了流過線路的壓降。 此現象會造成匯流排上的電壓驟降。而是否會產生可感受到的電壓閃爍，則是取決於電壓振幅的改變量及發生的頻率。

7.7.1 電壓閃爍的來源 若將一照明負載聯結於擾動負載的附近，則觀察者將會感到燈光會有模糊的現象。 7.7.1 電壓閃爍的來源 若將一照明負載聯結於擾動負載的附近，則觀察者將會感到燈光會有模糊的現象。 位於虛弱配電饋線末端的大型工業工廠，則是一經常會有電壓閃爍的地點。 電壓擾動是否會引起可看到的或會感到不舒服的電壓閃爍，是取決於下面的參數： 產生電壓閃爍的潛在源之容量(VA)。 系統的阻抗。 電壓擾動的頻率。

7.7.1 電壓閃爍的來源 電動電弧爐(EAF)是一常見會引起電壓閃爍的負載。 7.7.1 電壓閃爍的來源 電動電弧爐(EAF)是一常見會引起電壓閃爍的負載。 電動電弧爐是一非線性、隨時間而變的負載，經常會引起大的電壓擾動及諧波失真。 大部分的電流擾動是發生在熔化期剛開始的時候。 在這期間內，部份的鋼碎片能實際的填補電極間的縫隙，而在熔爐變壓器的二次側產生一高度回應的短路。 在熔化過程期間，通常會有1.0 ~ 10.0赫茲的電壓閃爍產生。

7.7.1 電壓閃爍的來源 一旦熔化週期結束，進入提煉過程時，電極間會維持穩定的電弧，而產生有高功因的穩定三相負載4。 7.7.1 電壓閃爍的來源 一旦熔化週期結束，進入提煉過程時，電極間會維持穩定的電弧，而產生有高功因的穩定三相負載4。 由於啟動過程或負載轉矩的大變動，大型的感應機也是眾所皆知會在系統產生電壓擾動的負載。 當馬達啟動時，其所吸取的功率大多是虛功率（無效功率）（參見圖7.16）。 這會導致配電饋線上有大的電壓降產生。最嚴重的狀況是在馬達啟動時。 此種啟動方式，會造成馬達吸取超過其全載時之電流的數倍之大。

7.7.1 電壓閃爍的來源 由馬達啟動與轉矩改變在系統所引起的衝擊，可以用圖7.17的例子來說明。 7.7.1 電壓閃爍的來源 由馬達啟動與轉矩改變在系統所引起的衝擊，可以用圖7.17的例子來說明。 在此狀況下，一大型工業工廠是位於一個虛弱的配電饋線末端。 在工廠內，有四個相當大的感應機負載，它們經常的重新啟動及做大量的負載轉矩變動。 雖然，跨線去啟動大型感應機組通常是不被建議的，但它卻經常使用。 為了降低電壓閃爍，通常會使用一些緩啟動(soft-start)的技術，如降壓啟動器或可變速伺服器，來帶動馬達的速度。

7.7.1 電壓閃爍的來源 在某些情況下，若加上來源電壓內的間級諧波成分(interharmonics)，將會導致發光通量的振盪及電壓閃爍產生。 電壓間級諧波為諧波電磁波譜中，非基頻整數倍之諧波成分。此現象可用白熾燈及螢光燈來觀察。 間級諧波之來源包括有靜態頻率轉換器、換頻器(cycloconverters)、次同步串接轉換器、感應熔爐、及電弧爐等。

圖7.16 感應機啟動時之實功率與虛功率

圖7.17 感應機運轉所引起之電壓擾動

7.7.2 減緩技術 有很多方法可以選擇來減輕電壓閃爍的問題。減輕閃爍的選擇包括有靜態電容器、電力電子式的切換元件、與增加系統容量等。 7.7.2 減緩技術 有很多方法可以選擇來減輕電壓閃爍的問題。減輕閃爍的選擇包括有靜態電容器、電力電子式的切換元件、與增加系統容量等。 要選定一適當之方法是基於許多因素的，例如產生閃爍的負載類型、供應負載的系統容量、及改善減輕之方法的費用等因素。 閃爍通常是相對於系統短路容量而言，是大型的變動性負載所引起的。

7.7.2 減緩技術 要將閃爍由系統中去除的一個顯著的方法是增加系統的容量，使其足以減少因負載而產生的閃爍衝擊。 7.7.2 減緩技術 要將閃爍由系統中去除的一個顯著的方法是增加系統的容量，使其足以減少因負載而產生的閃爍衝擊。 提升系統容量方式包括：重新佈線、將既有的變壓器更換為較高額定（仟伏安）的、及提高工作電壓。 馬達的修改也是可以減少因馬達啟動，和負載變化所引起之電壓閃爍量的有效方法。 馬達的重新繞線（改變馬達的等級），可以使得轉速 – 轉矩曲線得以修正。

7.7.2 減緩技術 可惜的是這樣可能會造成低運轉效率。 7.7.2 減緩技術 可惜的是這樣可能會造成低運轉效率。 飛輪能量系統透過提供機械能來補償負載的轉矩變化需求之方式，也可以減少馬達吸取的電流量。 近來，串接電抗器(series reactors)被發現可以降低系統中由電動電弧爐(EAFs)所引起之電壓閃爍量。 串接電容器(series capacitors)也可以用來減少現存系統的電壓閃爍之影響。

7.7.2 減緩技術 固定式並接電容器組(fixed shunt-connected capacitor banks)可用來做長時間的電壓供應支援或功因改善。 並接電容器可以用來減少電壓閃爍是一個錯誤的觀念。 因其對開始電壓的驟降(sag)是減少了，但電壓的變化百分率( ∆V/V )實際上並未減少。 且在某些狀況下，實際上甚至還會增加。 要減少馬達啟動所引起的電壓閃爍效應，有一個相當廉價的方法。 即在馬達安裝步進啟動器(step-starter)，以減少馬達啟動時的啟動電流量。

7.7.2 減緩技術 由於固態技術上的進步發展，使得可調速伺服裝置在尺寸、重量及成本上皆有所降低。 7.7.2 減緩技術 由於固態技術上的進步發展，使得可調速伺服裝置在尺寸、重量及成本上皆有所降低。 因此，採用這些元件來改善由產生閃爍的負載所導致的電壓閃爍效應是更為切實可行。 靜態虛功補償器(static var compensators, SVCs)是非常靈活、有彈性的元件，且在電力系統中扮演許多種角色。 靜態虛功補償器可以用來作功因的改善修正、電壓閃爍的改善、及穩態電壓控制。 且也有從系統中過濾掉不受歡迎的頻率響應之效益。

7.7.2 減緩技術 典型的SVCs是由一閘流體控制電抗器(TCR)並聯固定的電容器組所構成（如圖7.18）。 7.7.2 減緩技術 典型的SVCs是由一閘流體控制電抗器(TCR)並聯固定的電容器組所構成（如圖7.18）。 通常，電容器組是以無接地的Y接方式串接一電感，以達成濾波器效果。 由電感傳遞給濾波器之虛功，相對於濾波器的額定是相當小的（約1~2 %）。 對不同的諧波通常會有若干級的濾波器來作調整。 TCR的控制容許送到系統的虛功(無效功率)可以不斷的變化。 因此可以在重載時增加虛功供應量；而在輕載時，減少虛功供應。

7.7.2 減緩技術 在快速變動的負載方面，SVCs可以很有效的控制住電壓擾動。 可是非常遺憾的是要有這樣靈活、彈性，需要成本亦很高的。 7.7.2 減緩技術 在快速變動的負載方面，SVCs可以很有效的控制住電壓擾動。 可是非常遺憾的是要有這樣靈活、彈性，需要成本亦很高的。 不過，通常對位於虛弱系統末端的偏遠地區的許多負載而言，它們是唯一最有經濟效益的方法。 而其大部分的成本費用是在TCR的電力電子部份。 有時可以利用一些電容器的組合來這些降低成本。

圖7.18 SVC的典型架構

7.7.2 減緩技術 閘流體切換電容器(thyristor-switched capacitors, TSCs)也能被用來於非常短時間內提供虛功給電力系統。 因而，有助於減少因負載快速擾動所造成的影響。 通常，TSCs由二到五個並接的電容器組，和背對背連接的二極體及閘流體，串聯而組成。 電容器的大小通常是相等或倍數大小，以利在虛功率的控制上可以平順的轉變及靈活的增加。

7.7.2 減緩技術 用不連續的步驟將電容器投入或切離系統，以控制由TSC傳送至系統的虛功量。 7.7.2 減緩技術 用不連續的步驟將電容器投入或切離系統，以控制由TSC傳送至系統的虛功量。 這個作法與SVC不同，SVC的電容器是靜態的，而用電抗器來控制虛功。圖7.19所示為TSC的例圖。 TSC的控制通常是以線電壓大小、線電流大小、或線上虛功潮流為基礎的。 這些控制線路可以用於三相，或每相獨立分開。單獨一相的控制，可以提供因不平衡負載產生之電壓閃爍的補償改善。

圖7.19 TSC的典型架構