第四章 暫態過電壓

4.1 暫態過電壓的來源 電力系統的兩種主要暫態過電壓的來源是電容器切換與雷擊，除此之外一些電力電子設備在切換時也會產生明顯的暫態現象。

4.1.1 電容器切換 電容器切換(capacitor switching)是電力系統中最常見的切換事件之一，電容器是用來提供虛功（以乏為單位）以矯正功率因素，才能減少損失及維持系統電壓。 電容器切換是達成這些目標最經濟且最容易的方法，其它的減少損失及維持系統電壓的方法，如利用旋轉電機及電子式乏補償器。 利用電容器的其中一個缺點是當電容器切換時會產生震盪暫態，一些電容器是隨時在充滿能量的狀態（固定電容器），然而其它的電容器是根據負載大小做切換。

4.1.1 電容器切換 當電容器切換時是根據時間、溫度、電壓、電流、及虛功等不同的方法，最常見的控制方式是結合兩種或兩種以上的功能，如溫度與電壓。 電容器的切換經常是在工作天開始工作負載增加的時間，經常出現的問題是調速驅動器故障，及電子控制負載設備動作不正常，發生無預警的燈具閃爍，或影響其它更傳統的負載。 圖4.1顯示典型的饋線電容器切換狀況的單線圖，當開關關上，在電容器的上游會出現如圖4.2的暫態波形，在這個特殊的情況，電容器開關剛好在接近電壓最大值時關上。

4.1.1 電容器切換 對於多種開關種類，這是經常發生的情形，因為絕緣經由開關接觸容易在電壓最大值時崩潰，在此瞬間，跨在電容器的電壓為零，因為電容器的電壓無法瞬間改變。 系統電壓在電容器所在位置暫時降低至零，並且開始上升，電容器開始往系統電壓充電。 因為電力系統的元件是電感性，電容器會產生過電壓，並且在系統自然頻率來回流動，如圖所示的監測點位置。

4.1.1 電容器切換 因為在觀測點與電容器間線路組抗之故，初始的電壓改變不會完全至零，因此初始的電壓降及接著的暫態來回震盪的電容器開關事件將會出現。 依據系統阻泥而定，暫態過電壓會介於1.0至2.0標么之間，在這個例子中，在觀測點量得1.34標么的暫態電壓，工廠暫態電壓一般介於1.3至1.4標么之間，但也有接近理論的最大值。 如圖所示的暫態會傳播至附近的電力系統，並且一般會經由配電變壓器進入用戶端，影響的程度幾乎與變壓器的匝數比成正比。

4.1.1 電容器切換 如果有電容器在二次側系統，在系統自然頻率適當調整，電壓將會被確實的在變壓器的負載端放大。 4.1.1 電容器切換 如果有電容器在二次側系統，在系統自然頻率適當調整，電壓將會被確實的在變壓器的負載端放大。 然而這樣短暫的暫態電壓達2.0標么，一般而言，不會損害系統絕緣，而是經常造成電力電子轉換器的誤動作。 控制器可能會將高電壓視為即將有危險情況發生，因此切離負載以確保系統安全。暫態也會影響閘流體的閘極控制。

4.1.1 電容器切換 接地變壓器組的開關操作也經常導致在區域接地系統的不正常暫態電壓，這是因為伴隨著電容器充電的電流突升所造成。 4.1.1 電容器切換 接地變壓器組的開關操作也經常導致在區域接地系統的不正常暫態電壓，這是因為伴隨著電容器充電的電流突升所造成。 圖4.3顯示在前文所描述之電容器切換事件所觀察到之相電流，在饋線上流動的暫態電流大約是負載電流的4倍。

圖4.1 一個電容器開關操作的單線圖相對應的波形如圖4.2 圖4.1 一個電容器開關操作的單線圖相對應的波形如圖4.2

圖4.2 在電容器上方觀察之典型的電容器開關暫態達134百分比 圖4.2 在電容器上方觀察之典型的電容器開關暫態達134百分比

圖4.3 相關於電容器切換事件的饋線電流

4.1.2 電容器開關切換暫態放大 在用戶端增加修正功因電容器的一個可能的副作用是可能增加電力公司電容器開關切換暫態，對末端設備造成影響。 4.1.2 電容器開關切換暫態放大 在用戶端增加修正功因電容器的一個可能的副作用是可能增加電力公司電容器開關切換暫態，對末端設備造成影響。 對於某些特定低壓電容器及降壓的變壓器，負載端電容器可能放大此暫態在末端會流排上 。 關於此現象的線路如圖4.4所示，暫態電壓在末端的使用者可以達到3.0至4.0標么之高，可能損害所有用戶的設備。

圖4.4 電容器組切換的電壓放大

圖4-4 電容器組切換的電壓放大(續)

4.1.2 電容器開關切換暫態放大 位於末端位置，由於電力公司電容器開關切換暫態放大的現象，會發生在大範圍的變壓器及電容器的容量大小。 4.1.2 電容器開關切換暫態放大 位於末端位置，由於電力公司電容器開關切換暫態放大的現象，會發生在大範圍的變壓器及電容器的容量大小。 因此調整用戶端功因改善電容器或降壓變壓器容量大小並非一實用的解決方法。 一種解決方法是控制在電力公司電容器的暫態過電壓，這種方式可能可以利用同步閉合斷路器或開關加上事先加入的阻抗達成。 在用戶端位置，可以利用高能突波吸收器來限制用戶端匯流排的暫態電壓大小，這些放大暫態的能量大約是一千焦耳。

4.1.2 電容器開關切換暫態放大 圖4.5顯示預期的吸收器能量與低壓電容器大小的關係，新的高能MOV吸收器對於低壓應用可吸收二千至四千焦耳的能量。 值得注意的是吸收器只能限制暫態在其保護的範圍內，典型的估算是正常最高電壓的1.8倍（1.8 標么），這可能無法足夠保護敏感的電子設備。 這些設備只經得起1.75標么的容量（應用在工業環境的許多矽控整流器的1200伏尖峰反向電壓額定）。

4.1.2 電容器開關切換暫態放大 其它限制暫態電壓放大的方法是將用戶端功率因數修正模組改成諧波濾波器，電感串聯功率因數修正模組將會減少在客戶端匯流排的暫態電壓。 這個解決方法有多種好處，包括提供修正功率因素，控制諧波失真程度，及限制電容器切換暫態放大。 在許多例子中，僅有一小部分的負載裝置如調速馬達驅動裝置是受暫態反向影響。 通常在此驅動裝置串連線電抗是限制高頻放大諧波的較為經濟的方法，一個3百分比的電抗通常就有效了。

圖4.5 由暫態放大所引起的吸收器能量負荷

4.1.3 雷擊 雷擊(lightning)是一個可能的突波暫態(impulsive transionts)來源。 4.1.3 雷擊 雷擊(lightning)是一個可能的突波暫態(impulsive transionts)來源。 圖4.6說明一些雷擊的地方，能造成雷擊電流由電力系統流進負載。最明顯的導通路徑發生在擊中變壓器一次側或二次側的一相，這可能會產生非常高的過電壓。 暫態過電壓可以經由雷擊電流流經避雷針接地路徑，必須注意的是雷擊電流可以經由許多路徑進入接地系統，最常見的情況。

4.1.3 雷擊 如圖4.6以點線表示的部分，包括一次側接地、二次測接地、以及負載設備結構。 4.1.3 雷擊 如圖4.6以點線表示的部分，包括一次側接地、二次測接地、以及負載設備結構。 必須注意的是主要導體上的落雷經由在變壓器上的避雷器導通至接地線路，因此可以在負載端觀察到比想像更多的雷擊突波。 一相導體的直接雷擊通常會引起在靠近雷擊點引起線閃絡，這不僅將產生一突波暫態，同時也伴隨著電壓降及電力中斷造成故障。

4.1.3 雷擊 雷擊不需要實際擊中一導體將突波注入電力系統，雷擊只需要擊中導線附近，經由電場的崩潰引發突波。 4.1.3 雷擊 雷擊不需要實際擊中一導體將突波注入電力系統，雷擊只需要擊中導線附近，經由電場的崩潰引發突波。 雷擊只需擊中靠近某一場所的地面，引起附近地的參考電壓提升，這將會促使電流流向遠端的地，這樣就有可能經過附近敏感的負載設備。 許多現場調查人員假設雷擊突波是從電力系統經由變壓器的內繞電容進入負載，如圖4.7所示。

圖4.6 雷擊位置處雷擊突波將會導入負載處

圖4.7 經由變壓器內繞電容的突波耦合

圖4.8 雷擊突波經由地的連接繞過服務變壓器

4.1.3 雷擊 變壓器電容耦合發生的程度絕大部分是依賴於變壓器的設計，因為變壓器繞線方式，不是所有變壓器都有直接高對低的電容值，繞線對地的電容值可能大於繞線與繞線間的電容值，並且大部分的突波都耦合到地，較少至二次側。 許多時候當電力系統一次側遭受雷擊，在二次側觀察到一震盪的較長突波，這可能不是因為經由服務變壓器的電容耦合，而是導通至變壓器周圍的接地系統，如圖4.8所示。

4.1.3 雷擊 雷擊電流進入接地系統所引起的主要電力品質問題是 4.1.3 雷擊 雷擊電流進入接地系統所引起的主要電力品質問題是 1.它們使局部的大地電位比其他地方的大地電位高出數千伏特。敏感的電子設備連接在兩個不同的參考地，如一電腦經由數據機連接至電話系統，可能因遭受雷擊大電壓而損壞。 2.在雷擊電流流向另一較低電位的大地時會在相導線感應出高電壓。

4.1.4 鐵磁共振 鐵磁共振(ferroresonance)是指一種特殊的共振，包含電容(capacitance)及鐵心電感(iron-core inductance)。 最常見引起擾動的情況是當變壓器的激磁阻抗與系統電容串聯。 鐵磁共振與共振的不同在於線性系統元素，在線性系統中，共振導致高的電壓及電流發生在共振頻率處，線性系統共振是電力系統中諧波放大的背後的現象。

4.1.4 鐵磁共振 鐵磁共振也會導致高電壓及高電流，但其波形經常是不規則形狀，鐵磁共振的觀念可以線性系統共振解釋如下： 4.1.4 鐵磁共振 鐵磁共振也會導致高電壓及高電流，但其波形經常是不規則形狀，鐵磁共振的觀念可以線性系統共振解釋如下： 考慮一如圖4.9所示的串聯RLC線路，暫時忽略阻抗R，則流過線路的電流可以表示如下： 當 時形成串聯共振線路，並且這個方程式會產生一無限大的電流，在實際上其大小將會受限於阻抗R。 E=驅動電壓 XL=電感的電抗 XC=電容的電抗

圖4.9 簡單的串聯RLC線路

4.1.4 鐵磁共振 圖4.12顯示由簡單的串聯線路所引起的鐵共振電壓波形的例子，這兩個例子的電感特性假設為相同。 4.1.4 鐵磁共振 圖4.12顯示由簡單的串聯線路所引起的鐵共振電壓波形的例子，這兩個例子的電感特性假設為相同。 在初始暫態後，藉由電容值的改變達到不同的共振操作點。 不穩定情況產生電壓超過4.0標么，然而穩定的情況使電壓稍微超過2.0標么。 不論何種情況都會加入過多的功率至電力系統及負載元件中。

圖4.12 不穩定混亂的鐵心共振電壓例子

4.1.4 鐵磁共振 實際上鐵磁共振大部分都發生在地下電纜變壓器無載時成為隔離時，且纜線長度在某一範圍一段長度，架空配線的電容一般不足以產生鐵磁共振的適當條件。 引起鐵磁共振所需的最小纜線長度隨著系統電壓等級而變，對於不同電壓等級的纜線電容值幾乎相等，在每1000英呎40至100 nF之間變動，依據導線大小而定。 對於 連接的變壓器，鐵心共振可發生在小於100英呎的纜線。由於這樣的原因，許多電力公司避免這樣的連接。 在北美的地下纜線系統，接地Y-Y連接變壓器變成最常使用的連接，這樣的設計較能抵抗發生鐵磁共振，但無法免除於鐵共振。

4.1.4 鐵磁共振 最常見的導致鐵共振的事件如下： 人為切換無載三相變壓器使僅一相閉合（如圖4.14a），鐵磁共振可能發生在當地一相閉合充能或是在最後一相打開去能之前。 人為切換無載三相變壓器使僅一相開路（如圖4.14b），同樣地這也發生在充能或去能時。 一個或兩個凸極熔絲燒斷，使的變壓器一相或是兩相開路，單相覆閉器也會引起這種情況。現今許多現代的商業負載已能達到當偵測到這種情形時，將負載切換到由備用系統供電，不幸的這使變壓器沒有任何的負載來抑制共振。

圖4.14 鐵共振常會發生系統狀況(a)單相閉合(b)單相開路

4.1.4 鐵磁共振 增加鐵磁共振可能性的系統條件包括 較高的配電電壓等級，大部分是25與35千伏等級的系統。 輕載及無載變壓器的切換。 4.1.4 鐵磁共振 增加鐵磁共振可能性的系統條件包括 較高的配電電壓等級，大部分是25與35千伏等級的系統。 輕載及無載變壓器的切換。 未接地變壓器。 非常長的未接地電纜線路。 在地下纜線建造其間的纜線損壞及人為切換。 較弱的系統，亦即低的短路電流。 低損失的變壓器。 三相系統具有單相切換元件。

4.1.4 鐵磁共振 一般的鐵磁共振會有如下的指示： 可聽到的噪音：在鐵磁共振期間，可能會有可聽到的噪音，經常被比擬成大的活塞震動，發出嗡嗡的聲音，或是鐵砧從裡面猛擊變壓器外圍。這種噪音是由於鐵芯因磁化而進入飽和所致，這種噪音還是明顯的叫一般正常變壓器的嗡嗡聲還大聲。 過熱：變壓器過熱經常是伴隨鐵磁共振，這種情況特別容易發生在鐵芯進入飽和區。 高的過電壓及突波吸收器損壞：當過電壓伴隨著鐵磁共振，可能對於一次側及二次側電路產生損害，突波吸收器經常是這種事件的受害者。

4.1.4 鐵磁共振 閃爍：在鐵磁共振期間，電壓大小可能會震動得很厲害，在二次側的端點使用者可能會確實看到他們的燈泡在閃爍，一些電力電子的設備可能很容易受到這種電壓變動的影響，長時間暴露在這種環境，可能會縮短設備的壽命或是造成立即的損害。

4.1.5 其它切換暫態 線充能暫態(line energization transients)的發生，如同其字面上的意義是代表當一個開關關上，連接一條線路至電力系統。 他們一般包含較電容器充能暫態頻率為高的暫態，這些暫態是波傳導效應及線電容及系統設備等效來源電感的交互作用的組合。 波傳導是由輸電線或配電線的電容及電感自然分佈特性所引起。

4.1.5 其它切換暫態 圖4.15顯示一典型的例子，其中監視器是放在線開關處。初始的暫態頻率是超過一千赫茲，並且以少量的混雜波形出現在波形開始處。 隨著充能，由於變壓器湧入電流包含第二及第四低級諧波，致使電壓波形嚴重變形，這可由在一些週期內電壓波形缺少對稱性得到證實，這些不對稱性幾乎在所有的例子中最後都會消失。 電流波形的第一個峰值顯示磁化湧入電流的基本特性，這接著將由負載湧入電流所消除。

4.1.5 其它切換暫態 其它過電壓的問題來源，多少都與切換有關的是常見的單線接地故障。 4.1.5 其它切換暫態 其它過電壓的問題來源，多少都與切換有關的是常見的單線接地故障。 在一個具有高零相序阻抗的系統中，在故障期間正常相將會經歷電壓升，在有效接地四線，多點接地中線系統的典型的電壓升一般不超過15至20百分比。 一個具有中性電抗可以限制故障電流，例如電壓升可能達40至50百分比，這個過電壓是暫時性的並且在故障清除後將會消失，這些過電壓不常是一個問題，但如果故障清除慢的話，可能會成為問題。

圖4.15 配電饋線充電(a)電壓及(b)電流波形

4.2 過電壓保護的原則 負載設備過電壓保護的基本原則是： 1. 限制電壓通過敏感的絕緣。 2. 引導突波電流遠離負載。 4.2 過電壓保護的原則 負載設備過電壓保護的基本原則是： 1. 限制電壓通過敏感的絕緣。 2. 引導突波電流遠離負載。 3. 限制突波電流進入負載。 4. 將接地接在一起。 5. 減少或避免突波電流在不同的地之間流竄。 6. 利用限制及防止的準則，製造一低通濾波器。

4.2 過電壓保護的原則 圖4.16用來說明這些原則，這是應用在保護避免雷擊。 4.2 過電壓保護的原則 圖4.16用來說明這些原則，這是應用在保護避免雷擊。 突波吸收器及暫態電壓突波抑制器的主要功能是限制出現在電路兩點間的電壓，這是一個必須瞭解的重要觀念。 突波抑制器裝置必須盡量位於越接近重要絕緣處，儘管常常發現吸收器位於主配電盤及次配電盤，然而吸收器放在電力線進入負載點的位置。 通常可以得到最有效的保護負載的效果，在某些情況下，最好的位置是位於負載裝置內。

圖4.16 過電壓保護原則示意圖

4.3 過電壓保護裝置 4.3.1 突波吸收器及暫態電壓突波抑制器 4.3.2 隔離變壓器 4.3.3 低通濾波器 4.3 過電壓保護裝置 4.3.1 突波吸收器及暫態電壓突波抑制器 4.3.2 隔離變壓器 4.3.3 低通濾波器 4.3.4 低阻抗電力調整器 4.3.5 電力公司突波吸收器

4.3.1 突波吸收器及暫態電壓突波抑制器 吸收器及TVSS裝置是保護設備免於暫態過電壓。 4.3.1 突波吸收器及暫態電壓突波抑制器 吸收器及TVSS裝置是保護設備免於暫態過電壓。 建造這些元件的元素可以被分類為兩個不同的操作模式，“撬棍式(crowbar)”及“限制式(clampling)”。 撬棍式裝置(crowbar devices)正常是開放式裝置，可以在過電壓暫態導通電流，一旦裝置導通，由於短路強跨在線上，造成線電壓下降至幾乎為零。

4.3.1 突波吸收器及暫態電壓突波抑制器 這些裝置經常經常被製造成具有氣隙充滿空氣或特殊氣體，一旦氣隙電弧越過，經常電頻率電流或續流將會繼續流入氣隙，直到下一電流為零。 因此這些元件有至少一個半週期電頻率電壓降至零或非常小的值的缺點，這將造成一些負載沒必要的離線。 限制式裝置(clamping devices)對於交流裝置而言經常是非線性電阻（突波吸收器），可以導通非常少量的電流直到過電壓發生，之後它們開始大量導通直到阻抗隨著電壓增加而快速下降。

4.3.1 突波吸收器及暫態電壓突波抑制器 這些元件有效地導通增加電流（能量）的量來限制突波的電壓升，它們較氣隙元件有的好處是因為當它們開始導通突波電流時，電壓沒有降至導通範圍以下，稽納二極體亦用在此應用中。 對於負載系統MOV吸收器的特性例子顯示在圖4.17及4.18。

圖4.17 突波電壓對突波電流

圖4.18 能量容量對操作電壓

4.3.2 隔離變壓器 圖4.19顯示一個隔離變壓器(isolation transformers)的單線圖，它是用來減小高頻雜訊及暫態，當它們要由變壓器的一側至另外一側，然而一些共模及正模雜訊仍然會到達負載端。 一種靜電遮蔽如圖4.20所示可以有效的清除共模雜訊，然而一些正模雜訊由於電磁及電容耦合，仍然會到達負載端。

圖4.19 隔離變壓器

圖4.20 具有靜電遮蔽的隔離變壓器

4.3.2 隔離變壓器 隔離變壓器能夠隔離負載免於系統暫態的主要特性是由於它們的漏電感，因此可避免高頻雜訊及暫態到達負載端，並且任何負載產生的雜訊及暫態也不會進入電力系統的其它部分。 由於電力電子設備切換所造成的電壓凹陷，被隔離變壓器隔離在負載端，這是一個由負載引起的問題隔離在負載端的例子。

4.3.3 低通濾波器 低通濾波器(low-pass filters)利用在圖4.16的 線路原則來達到對於高頻暫態的更好的保護。 4.3.3 低通濾波器 低通濾波器(low-pass filters)利用在圖4.16的 線路原則來達到對於高頻暫態的更好的保護。 對於電路的一般用途，低通濾波器是由串聯電感及並聯電容所組成，這個電感-電容(LC)的組合對於選擇的共振頻率，提供一低阻抗路徑至地。 在突波保護用途，加入電壓限制裝置併聯電容，在某些設計，沒有包含電容器。

4.3.3 低通濾波器 圖4.21顯示一個共同應用的混合保護器，包括兩個突波抑制器及一個低通濾波器來提供一個最大保護。 4.3.3 低通濾波器 圖4.21顯示一個共同應用的混合保護器，包括兩個突波抑制器及一個低通濾波器來提供一個最大保護。 它用一個氣隙型態的保護器在前端來處理高能暫態，低通濾波器用來限制高頻暫態轉換，電感能幫助限制高頻暫態並且強迫它們進入第一個抑制器。 電容限制上升的比例，然而非線性的電阻(MOV)限制在受保護設備的電壓大小。

圖4.21 混合暫態保護器

4.3.4 低阻抗電力調整器 低阻抗電力調整器(low-impedance power conditioners, LIPCs)起初是用來作為電力電子設備中電源切換模式的介面。 LIPCs不同於隔離變壓器是因為這些調整器有一個較低的阻抗，並且有一個濾波器作為它們設計的一部份（圖4.22） 。

4.3.4 低阻抗電力調整器 這個濾波器在輸出端並且保護避免高頻、來源端、共模及正模的擾動（亦即雜訊及脈波），注意的是新的中性點對地連接能夠在負載端產生。 因為隔離變壓器存在之故。然而頻率低到中頻暫態（電容切換）對於LIPCs可能引起問題，即暫態可能由輸出端的濾波電容放大。

圖4.22 低阻抗電能調整器

4.3.5 電力突波吸收器 最常被電力公司採用的三種突波吸收器技術如圖4.23所示，今日大部分的吸收器製造是採用MOV作為主要的電壓限制元素。 MOV的主要組成是氧化鋅，結合一些專有的成分來達到必要的特性及耐久性。 舊技術的吸收器仍然有許多安裝在電力系統中，它們是利用碳化矽作為能量消散非線性阻抗元素，對於三種技術的相關去能電壓如圖4.24所示。

圖4.23 三種電力公司常用的突波吸收器技術

圖4.24 圖4.23 三種電力公司常用的突波吸收器技術 對於一個8 20 雷擊波的去能電壓比較 圖4.24 圖4.23 三種電力公司常用的突波吸收器技術 　　　對於一個8 20 雷擊波的去能電壓比較

4.4 電力公司電容器切換暫態 4.4.1 切換時間 4.4.2 事先插入的電阻 4.4.3 同步閉合 4.4.4 電容位置

4.4.1 切換時間 電容器切換暫態是非常平常且通常不會造成損害，然而切換的瞬間可能對一些敏感負載造成傷害。 4.4.1 切換時間 電容器切換暫態是非常平常且通常不會造成損害，然而切換的瞬間可能對一些敏感負載造成傷害。 例如如果每天負載上升的時間都一樣，電力公司可能會決定將電容器切換的時間與與負載的增加一致。 有一些情況這將與工作輪班的開始一致，並且這暫態現象將引起一些可調速驅動器短暫的停擺。

4.4.2 事先插入的電阻 事先插入的電阻可以大量的減少電容器切換所造成的暫態，暫態的第一個週期的峰值經常是最具傷害性。 4.4.2 事先插入的電阻 事先插入的電阻可以大量的減少電容器切換所造成的暫態，暫態的第一個週期的峰值經常是最具傷害性。 圖4.25顯示一個電容器切換事先插入電阻來降低暫態的例子。 這個事先插入的電阻是藉由在與主接觸點結合前先利用可移動的接點滑過電阻接觸而完成。 這將造成事先插入的電阻的時間大約是60赫茲四分之一週期的時間。

4.4.2 事先插入的電阻 電阻的有效值將依據電容大小及在電容器位置的短路電流而定。 4.4.2 事先插入的電阻 電阻的有效值將依據電容大小及在電容器位置的短路電流而定。 表4.1顯示有加及沒加事先插入電阻對於不同情況的最大暫態過電壓，這些值是可能的最大值。 沒有加電阻的暫態過電壓的平均值約為1.3至1.4標么。 有加電阻的暫態過電壓的平均值約為1.1至1.2標么。

圖4.25 具有事先插入電阻的電容器切換

表4.1 有加及沒加事先插入電阻由於電容器切換所造成的 暫態過電壓最大值 表4.1 有加及沒加事先插入電阻由於電容器切換所造成的 暫態過電壓最大值 容量(kvar) 短路電流(kA) 沒有電阻(p.u.) 有電阻(p.u.) 900 4 1.95 1.55 9 1.97 1.45 14 1.98 1.39 1200 1.94 1.50 1.40 1.34 1800 1.92 1.42 1.96 1.33 1.28 資料來源：Courtesy of Cooper Power Systems

4.4.3 同步閉合 對於減少電容器切換暫態的另一個受歡迎的策略是利用同步閉合斷路器。 4.4.3 同步閉合 對於減少電容器切換暫態的另一個受歡迎的策略是利用同步閉合斷路器。 對於控制電容器切換暫態，這是一個相當新的技術。同步閉合斷路器藉由控制接合的時間來防止暫態，控制在系統電壓差不多與電容器電壓差不多相等時的瞬間接合。 這將可避免當電容器切換時造成的電壓突然上升，引起線路震盪。

4.4.3 同步閉合 圖4.26顯示一個為了此目的的斷路器的例子。 4.4.3 同步閉合 圖4.26顯示一個為了此目的的斷路器的例子。 這個斷路器正常是用在電力公司次暫態或暫態的系統（72與145 kv等級），這是一個三相六氟化硫的斷路器，利用一個具有三個獨立控制棒的特殊設計操作機制，它能在電壓為零時一毫秒內閉合。 電力電子控制的取樣變數，如周遭的溫度、控制電壓、儲存能量、及上次操作至目前的時間，用來補償對於切換時間的預測。 斷路器實際的功能是根據這些取樣量來調整未來的操作時間，以補償磨損及機械特性的改變。

圖4.26 同步閉合斷路器

4.4.3 同步閉合 圖4.27顯示一個為了此目的的真空開關，它是加在46-kv電壓等級的的電容器組，它包含三個獨立分別控制的極。 4.4.3 同步閉合 圖4.27顯示一個為了此目的的真空開關，它是加在46-kv電壓等級的的電容器組，它包含三個獨立分別控制的極。 同步閉合的時間是由預測一個即將到來的壓降零，接下來是依賴真空開關的一致操作。 這個開關減少電容的湧入電流及電壓暫態到約1.1標么，一種相似的開關也用在配電電壓等級。

圖4.27 同步閉合電容切換

4.4.3 同步閉合 圖4.28顯示一種新型的用來給配電電容組的三相同步開關中的一相，這個特別的技術利用一個真空開關內鑲在固態的電介值內。 4.4.3 同步閉合 圖4.28顯示一種新型的用來給配電電容組的三相同步開關中的一相，這個特別的技術利用一個真空開關內鑲在固態的電介值內。 在此處描述的開關需要一個精細的微電腦控制，據了解一個同步閉合系統是較一個直接的電容器切換為貴。 然而當電容器切換暫態困擾使用者時，它經常是一個具有經濟效益的解決方案。

圖4.28 配電電容組的同步開關中的一相 (Courtesy of Cooper Power Systems)

4.4.4 電容位置 對於配電饋線組，一個切換電容器可能太靠近一敏感負載，或位於暫態過電壓趨勢過高之處。 4.4.4 電容位置 對於配電饋線組，一個切換電容器可能太靠近一敏感負載，或位於暫態過電壓趨勢過高之處。 通常可能將電容器移到下游或是移至其它分支線路以消除這樣的問題。 這個策略是在線路利用更多的電阻產生更多的阻尼，或是在電容器與敏感負載間得到更多的阻抗。 如果這個電容器是位於一個大負載旁邊，以提供虛功給這負載，這樣的情況當然不可移走電容器組。

4.5 電力系統雷擊保護 4.5.1 遮 蔽 4.5.2 線路避雷器 4.5.3 低壓側突波 4.5.4 纜線保護 4.5 電力系統雷擊保護 4.5.1 遮 蔽 4.5.2 線路避雷器 4.5.3 低壓側突波 4.5.4 纜線保護 4.5.5 偵察型吸收器的方法

4.5.1 遮 蔽 對於特別容易遭受雷擊的線路，一種策略是安裝接地中性線至每一相的線路，這將在它們攻擊線路前截斷大部分的雷擊，這對於雷擊是有幫助。 遮蔽並不是簡單到只加一條線路並且每隔幾桿將其接地。 當雷擊擊中遮蔽線時，在桿頂端的電壓仍然非常高，並且能對線路引起反閃絡，這將引起短暫的故障。

4.5.1 遮 蔽 為了減少這種可能性，接地的路徑必須謹慎的選擇，以維持適當的相導體的清除效果。 4.5.1 遮 蔽 為了減少這種可能性，接地的路徑必須謹慎的選擇，以維持適當的相導體的清除效果。 同時接地電阻在電壓等級上扮演一重要的角色，且必須保持電阻盡可能的小。 圖4.29顯示這個觀念，對於遮蔽一些接近變電所的桿間跨線是常被採用。

圖4.29 部份的饋線的遮蔽以減少短暫雷擊所造成的故障意外 圖4.29 部份的饋線的遮蔽以減少短暫雷擊所造成的故障意外

4.5.2 線路避雷器 對於經常受到雷擊的線路保護的其它策略是沿著相線路間隔性地加入吸收器，正常而言，線路閃絡首先出現在電桿的絕緣礙子上。 4.5.2 線路避雷器 對於經常受到雷擊的線路保護的其它策略是沿著相線路間隔性地加入吸收器，正常而言，線路閃絡首先出現在電桿的絕緣礙子上。 因此避免絕緣礙子的閃絡將會明顯地減少斷電及電壓驟降的次數。 圖4.30所示，避雷器消除一些沿著線路通過的雷擊電流，個別的避雷器所能去除的量是依據接地電阻而定。

4.5.2 線路避雷器 這個觀念是避雷器的間隔如果足夠近，可以避免在未受保護電桿的絕緣礙子超出基本脈衝位準而在中等程度。 4.5.2 線路避雷器 這個觀念是避雷器的間隔如果足夠近，可以避免在未受保護電桿的絕緣礙子超出基本脈衝位準而在中等程度。 這通常需要在每隔二至三支電桿就安裝一個避雷器。 在饋線提供重要負載或饋線具有高的接地電阻，可能需要每一電桿都安裝避雷器。 當某一相位置較其它相高時，一些電力公司只將線避雷器安裝在高的相導體上，在其它的幾何形狀必須要將避雷器安裝在所有的相，以達到同時減少閃絡。

圖4.30 間隔性的分開線路避雷器幫助避免閃絡

4.5.3 低壓側突波 一些電力公司及用戶端的問題與雷擊突波是息息相關，其中一個最明顯的例子稱為“低壓側突波”問題。 4.5.3 低壓側突波 一些電力公司及用戶端的問題與雷擊突波是息息相關，其中一個最明顯的例子稱為“低壓側突波”問題。 圖4.32顯示可能的情形，雷擊擊中一次側線路並且電流去能由一次側避雷器至極接地導引，這個導引也連接至桿頂變壓器的絕緣套管×2 。 因此一些電流將流向負載接地，流進負載接地電流的量是依據電桿接地電阻相對於負載接地的大小而定。 電感性元素可能對於前端突波電流的分流扮演重要的角色，但接地電阻基本上是主宰大量雷擊電流的分流。

4.5.3 低壓側突波 電流流經二次側纜線引起在中心導體的電壓降只是由相電感互感部分補償。 4.5.3 低壓側突波 電流流經二次側纜線引起在中心導體的電壓降只是由相電感互感部分補償。 因此有一個淨電壓經過纜線，強制電流經由變壓器二次側繞線並且進入負載如圖4.32虛線所示。 如果有一完整的路徑，大量的突波電流將會流過。當它流經變壓器二次側，一突波電壓感應在一次側，有時引起靠近地端層至層的絕緣故障。 如果沒有一完整路徑在負載上建立，並且可能在二次側的某處發生閃絡。

4.5.3 低壓側突波 由於這個原因所引起的主要電力品質問題是： 1. 突波進入負載可能引起故障或負載設備的誤動作。 4.5.3 低壓側突波 由於這個原因所引起的主要電力品質問題是： 1. 突波進入負載可能引起故障或負載設備的誤動作。 2. 電力公司的變壓器將會故障引起更多的電力中斷。 3. 變壓器的故障可能使的負載持續穩態過電壓，這是因為部分的一次側繞線短路，減少變壓器一次側的圈數比。故障經常發生在幾秒內，但可能需要好幾小時才知道。

圖4.32 一次側吸收器去能電流在極與負載接地間分開 圖4.32 一次側吸收器去能電流在極與負載接地間分開

4.5.3 低壓側突波 保護變壓器 對於電力公司而言，有兩個一般的方法來保護變壓器： 1. 採用在二次側交錯繞線的變壓器。 4.5.3 低壓側突波 保護變壓器 對於電力公司而言，有兩個一般的方法來保護變壓器： 1. 採用在二次側交錯繞線的變壓器。 2. 在X端加入突波吸收器。 當然前者是變壓器的設計特性，一旦變壓器製造完成是無法改變的，如果變壓器是非交錯繞線設計，則唯一的選擇是加吸收器在低壓側。 必須注意的是吸收器位於負載進入端是無法保護變壓器，事實上它們最終將保證有一突波電流路徑並且因此造成額外的壓力在變壓器上。

4.5.3 低壓側突波 圖4.34顯示一位於實驗室模擬用戶服務端在電力插座開迴路的量測電壓，對於一次側線路(2.6kA)一相當小襲擊，在出口處量得之電壓接近15kv。 事實上，較高的電流襲擊引起測試線路的隨機閃絡，這將使的量測困難。 這個報告經驗暗示這些突波的量會引起過電壓的問題。

圖4.34 由於低壓側突波現象出在插座的電壓波形

4.5.3 低壓側突波 服務端入口的吸收器不能被依賴來保護整個設備，它們提供分流大量突波能量的目的，但不能足夠的抑制遠端負載的電壓。 4.5.3 低壓側突波 服務端入口的吸收器不能被依賴來保護整個設備，它們提供分流大量突波能量的目的，但不能足夠的抑制遠端負載的電壓。 同樣地變壓器吸收器不能被考慮用來取代服務端入口吸收器，雖然它可能只有50英尺遠，對於低壓側的電流突波而言，這個吸收器是與負載串聯。

4.5.4 纜線保護 圖4.35 典型的地下配電纜線吸收器應用

4.5.5 偵察型吸收器的方法 利用偵察型吸收器的方法來保護電力公司地下纜線的觀念，可以回溯至好幾年前。 4.5.5 偵察型吸收器的方法 利用偵察型吸收器的方法來保護電力公司地下纜線的觀念，可以回溯至好幾年前。 這個觀念非常簡單：放置吸收器在引上電桿的任一端，以降低進入纜線的雷擊能量。 圖4.37說明這基本的方法。 因雷擊進入的的雷擊突波電流首先遇到偵察型吸收器，在此處大部分的電流將去能流入地，一小部分繼續在引上電桿吸收器將產生較小的去能電壓。

圖4.37 偵察型吸收器的方法

4.6 鐵磁共振之管理 在配電系統中發生鐵磁共振通常都是在輕載時，三相變壓器由於一相或兩相開路在纜線上變成隔離，這可能由於偶然及故意的原因。 4.6 鐵磁共振之管理 在配電系統中發生鐵磁共振通常都是在輕載時，三相變壓器由於一相或兩相開路在纜線上變成隔離，這可能由於偶然及故意的原因。 對於鐵磁共振的管理策略有 避免相開路的情況。 以負載作為共振之阻尼。 限制過電壓。 限制纜線長度。 不同的纜線交換程序。

4.6 鐵磁共振之管理 大部分的鐵磁共振，是因為故障切斷一相或兩相的熔絲的結果，或是在主線路某種形式的單極切換，一個合理有效的方法來防止鐵磁共振是利用三相切換元件。 例如三相復閉器或區段器用在引上電桿以取代熔絲斷流器。 這種方式主要缺點是花費高，電力公司可能不會對每一個升極提供這種方式，但是這可以在某些特別的情況下使用，例如特別敏感的用戶端及經常吹斷的熔絲。

4.6 鐵磁共振之管理 鐵磁共振一般可以藉由少量的電阻負載而抑制，雖然會有一些例外。 4.6 鐵磁共振之管理 鐵磁共振一般可以藉由少量的電阻負載而抑制，雖然會有一些例外。 對於一相開路的典型例子，一個變壓器容量1至4個百分比的電阻負載可以大量的減少鐵共振效應。 所需負載的量是依據纜線長度及變壓器的設計而定，同時兩相開路的例子有時不容易利用負載來抑制。 圖4.38顯示對一個連接至約一英里（1.6公里）纜線的變壓器負載，在鐵磁共振過電壓的效應。 這是一個特別困難的例子，會損害用戶端設備，必須注意的是各相間不同的特性。

圖4.38 顯示負載在鐵心共振的效應的例子

4.7 有負載切換暫態問題 4.7.1 調速驅動器的擾人跳脫 4.7.2 負載切換的暫態 4.7.3 變壓器致能

4.7.1 調速驅動器的擾人跳脫 大部分的可調速驅動器典型上是利用一個電壓源反相器（VSI）設計，具有一電容器在直流連接側。 4.7.1 調速驅動器的擾人跳脫 大部分的可調速驅動器典型上是利用一個電壓源反相器（VSI）設計，具有一電容器在直流連接側。 這個控制器是對於直流過電壓敏感，並且可能跳脫驅動器在117個百分比。 因為由於電力公司電容切換的暫態電壓典型上超過130個百分比，這樣驅動器跳脫的惱人問題的機率就高，一組這種現象的典型波形如圖4.40所示。

4.7.1 調速驅動器的擾人跳脫 用來消除惱人的小驅動器跳脫的最有效方法，是利用交流線抑制器，與電力系統隔離，抑制器額外串聯的電感將會減少出現在可調速驅動器輸入端的暫態電壓。 決定準確電感大小，需要一相當詳盡的暫態模擬（根據電力公司電容大小，變壓器大小等） 。 根據驅動器kVA額定，一串聯抑制器大小的3%通常是足夠的。

4.7.2 負載切換的暫態 具有氣隙切換的去能電感線路，如繼電器及接觸器可以產生突發的高頻突波，圖4.41顯示這樣的一個例子。 4.7.2 負載切換的暫態 具有氣隙切換的去能電感線路，如繼電器及接觸器可以產生突發的高頻突波，圖4.41顯示這樣的一個例子。 這種電機快速暫態(FET)行為，提供尖峰達1kV，經常是由於變頻馬達。 如空調及電梯，暫態電壓達3kV，可以是由焊接或馬達啟動所引起。

圖4.40 電容切換在可調速驅動器交流電流及直流電壓的效應

圖4.40 電容切換在可調速驅動器交流電流及直流電壓的效應(續)

圖4.40 電容切換在可調速驅動器交流電流及直流電壓的效應(續)

圖4.41 由去能一個電感負載所引起的快速暫態

4.7.3 變壓器致能 充能一個變壓器會產生持續達一秒之充滿諧波成分的浪湧電流。 4.7.3 變壓器致能 充能一個變壓器會產生持續達一秒之充滿諧波成分的浪湧電流。 如果系統有一個併聯共振靠近其中一個諧波頻率，一個動態過電壓的結果，能引起吸收器的故障及敏感負載的問題。 這個問題可能發生在工業場所，當大的變壓器同時充能，等效電路如圖4.42所示。

4.7.3 變壓器致能 一個由第三諧波共振所造成的動態過電壓波形。 4.7.3 變壓器致能 一個由第三諧波共振所造成的動態過電壓波形。 如圖4.43，在期望的初始暫態過後，電壓再度升至幾乎150%持續好幾個週期，直到損失及負載抑制這個震盪。 這可能對某些吸收器加注嚴重的壓力，並且已經得知這樣會明顯減少電容器的壽命。

圖4.43 在變壓器充能期間的動態過電壓

圖4.42 同時充能一個電容器及變壓器可能導致動態過電壓

4.8 暫態分析的電腦工具 對於電力系統暫態分析廣為應用的電腦程式是電磁暫態程式，一般熟知的如EMTP，及它的衍生如ATP。 4.8 暫態分析的電腦工具 對於電力系統暫態分析廣為應用的電腦程式是電磁暫態程式，一般熟知的如EMTP，及它的衍生如ATP。 EMTP是原先是在1960後期由Hermann W. Dommel在Bonneville Power Administration(BPA)所發展，並且持續更新至今。 這個程式會受到歡迎的其中一個原因是因為它的低價格，一些版本已是公用。

4.8 暫態分析的電腦工具 本書中的一些模擬是由一商業分析軟體PSCAD/EMTDC所完成，這個程式是由Manitoba HVDC研究中心所發展。 這個程式建構一非常細緻的使用者介面，使使用者可以非常有成效的完成困難分析。 一些電力系統利用發展給電子電路分析用的電腦程式，如眾所周知的SPICE程式，及其衍生軟體。