過電流保護協調

電力熔絲 無熔絲斷路器 NFB或模殼斷路器 MCCB 低壓電力斷路器 系統過流保護協調 過電流電驛

高壓電力熔絲依消弧方式的不同，可分為：（1）限流型電力熔絲，（2）非限流型電力熔絲。 電力熔絲（Power Fuse）簡稱PF，通常以熔點較低的銀作為可熔元件，可熔元件和彈簧被裝在以瓷或玻璃纖維做成之絕緣筒內，四周則填以矽砂或硼砂。當可熔元件熔斷時，利用矽砂或硼砂來冷卻電弧，並且利用彈簧的作用拉長電弧，以完成消弧。

電力熔絲與斷路器相比較，其優點為： 熔絲的缺點： （1）構造比斷路器簡單，價格低廉。 （2）安裝容易，體積小。 （3）啟斷容量比相對應之斷路器大。 （4）動作比斷路器可靠。 （5）有限制電流的能力（限流型熔絲）以保護設備。 熔絲的缺點： （1）啟斷時間無法調整，且啟斷時間會因製造誤差而有所差異。 （2）不像斷路器會三相同時動作，當一相熔斷時會造成欠相連轉。 （3）熔絲不能遙控。 （4）熔斷後必須重新更換，增加危險性。 （5）熔斷後無自動復閉功能，因而造成長時的停電。 （6）無三相同時啟斷的能力，也不能作選擇性的啟斷，並且每次啟斷 後不能自動復閉，延滯電力供應，因此較適合使用於次要電路中。

圖5.1 典型熔絲曲線（10k級）

圖 5.2 電力熔絲特性

圖5.3 串接熔絲協調

圖5.4 熔絲保護單元變電所

變壓器瞬時容量（IANSI, tANSI） (58%) IANSI = 12,100A tANSI ＝ 5.75 - 2 ＝3.75 秒 變壓器激磁突入電流容量（IMAG, tMAG） IMAG = 8 × 1200 = 9600A tMAG ＝ 0.1 秒 圖5.5 熔絲保護協調圖

圖5.6 熔絲動作

短路瞬時的最大機械應力與通過電流峰植平方成正比。 短路時的熱效應與熔絲通過電流的有效值 I2t 成正比。 圖5.7 限流 圖5.8 機械應力 短路瞬時的最大機械應力與通過電流峰植平方成正比。 短路時的熱效應與熔絲通過電流的有效值 I2t 成正比。 下游設備必需能承受限流熔絲在瞬時切斷電流時所感應的L 突波電壓。 di dt

圖5.11 限流熔絲應用 圖5.10 通過電流峰值

無熔絲斷路器NFB（或模殼斷路器MCCB） 在日本及台灣稱為無熔絲斷路器NFB（No Fuse Breaker），在美國稱為模殼斷路器MCCS（Molded-Case Circuit Breaker）。 無熔絲斷路器裝在一個由堅固絕緣材料製成的外殼，常用的電流容量有15A～4000A，電壓為交流120V～600V及直流125V～250V。

無熔絲斷路器的額定 框袈（frame） 指斷路器框架電流容量（frame size in amperes）的大小，通常稱為AF。 極數（number of poles） 額定電壓 交流 220V，480V，600V 直流 125V，250V 額定電流 跳脫元件的跳脫電流（trip size in amperes）， 也是一般所稱的AT。 若F-100G 型斷路器裝置50A跳脫元件，則稱為（100AF，50AT），表示此斷路器為100A的框架，實際跳脫元件容許連續電流為50A。 交流啟斷容量（KA） 在選定的額定電壓，斷路器的啟斷容量kA應大於計算所得的最大故障電流。

圖5.12 各種系統電路與NFB極數

圖5.13 士林NF-100CA無熔絲斷路器動作曲線

分路斷路器的AT由分路負載電流決定，而其AF則應參考 故障電流選定。 表5.2 無熔絲斷路器的選用 按屋內線路規則以不超過2.5倍滿載電流為原則。 圖5.14 輻射狀配電系統 分路斷路器的AT由分路負載電流決定，而其AF則應參考 故障電流選定。

低壓電力斷路器 低壓大電流600～4000A的電路，一般採用電力斷路器PCB（Power Circuit Breaker），PCB 有電磁動作及固態電路式。 固態電路式的最大與最小動作時間曲線誤差較傳統電磁式者為窄，此乃因固態電路精確度較高所致，較窄誤差在保護協調時非常有用。

圖5.17 典型配電系統單線圖

圖5.18 短路電流計算結果

短路電流計算 各元件的相關數據 為了進行過電流的保護協調，應先備妥下列數據： 各保護裝置不得動作的容許最大電流及時間： （1）各分路正常運轉的最大負載電流。 （2）變壓器激磁突入電流及時間。 （3）大型電動機的啟動電流及加速時間。 各保護裝置動作電流設定參考值 （1）計算所得的最大短路電流。 （2）各種標準如ANSI、NEC等規定對電纜、電動機或變壓器 等的保護電流。 （3）設備受熱及機械最高容許電流。

ANSI對配電變壓器應能承受的瞬時電流及時間，依阻抗值不同而規定如下： 阻抗值4％以下者： IANSI ＝ 25 ×Ifl tANSI ＝ 2 秒 阻抗值7％以上者： IANSI ＝ 14.3 ×Ifl tANSI ＝ 5 秒 阻抗值4％～7％者： IANSI ＝ Ifl / Zpu tANSI ＝ （％Z - 2） 秒 注意：IANSI 最大為25倍滿載電流，最小為14.3倍，tANSI最長 為5秒，最小為2秒。

變壓器相關的電流值（換算到480V時） 變壓器滿載電流 NEC規定值 INEC ＝ 6 ×1800 ＝ 10,800A ANSI規定值 因二次側為Y接，自一次側看 IANSI ＝ 0.58 ×31,300 ＝ 18,150A tANSI ＝ 5.75 - 2 ＝ 3.75秒 激磁突入電流點 IMAG ＝ 8 ×1800 ＝ 14,400A tMAG ＝ 0.1秒 ≒ 1800A ≒ 31,300A

在輻射狀系統，任何兩個時間一電流特性曲線，不可以重疊。如有重疊則應把握『保護重於協調』。 圖5.20 示範系統的保護協調

60HP電動機（G曲線） 電動機滿載電流 （電動機額定電壓 460V） 電動機啟動電流特性 一般以堵住電流為啟動電流，約為滿載電流的六倍，加 速時間為10秒 Ist = 6 × Ifl = 6 ×75 = 450A tst = 10 秒

電動機過載保護（F 曲線） 電動機過載保護的設定，通常不超過1.25倍的滿載電流，但運轉有困難者可設定在不超過1.4倍的滿載電流。本例題以1.33倍為設定值。 1.33 ×75 ＝ 100 A

分路斷路器125A MCCB（E 曲線） 分路斷路器用做電動機保護時，其瞬時元件的設定值，一般為堵住電流的2倍，因為堵住電流是450A。 所以 Iinst = 450 ×2 = 900 A

次饋線斷路器400 A MCCB ( D 曲線) 125A MCCB 的上游為400A MCCB，其瞬時元件的最低設定值為4倍，最高設定值選定5倍。 Iinst = 4 ×400 = 1600 A Iinst = 5 ×400 = 2000 A

電力熔絲（A 曲線） A曲線值得注意事項如下： 與下游 B曲線有良好協調。 不得大於 ANSI 瞬時電流點（Δ-Y接時為58％）ANSI 點 ＝ （18,150 A，3.75秒） 不得小於激磁電流點 激磁電流點 ＝ （14,400 A，0.1秒） 起始值不得超過 NEC 線（6倍滿載電流） NEC 線 ＝ 10,800 A

(a) 電驛 (b) 動作曲線 圖5.24 過電流電驛動作原理

圖5.25 CO型電驛應用範例

表5.3 各類電驛型式的特點及一般應用

過電流電驛的設定有始動電流及動作時間兩種方 式： 始動電流設定（current tap setting） 動作時間設定（time level setting）

圖5.26 各種CO電驛動作特性比較

圖5.27 CO-7電驛動作特性曲線 電流倍數 秒

圖5.28 過電流電驛協調

設計的基本原則如下： 採用過電流電驛 CO-7 的動作特性曲線（圖 5.27）。 末端電驛 D 的預定動作時間約為0.5秒。 對同一故障電流，各級電驛的動作延時間隔為0.4秒。 D 點 的故障電流為20,000 A。

末端 D 電驛 末端故障電流原為20,000 A，因為此流器的作用在電驛側降為 20,000 ×（5/600）＝ 167 A 電流設定有4、5、6、7、8、10、12 A 可供選擇，一般不超過 8 A，本例選用 8 A。 電流倍數為 168 ÷8 ≒ 20 倍 預定動作時間0.5秒，在圖5.27 的 CO-7 曲線，20 倍電流處查看時間設定曲線，其時間標置TD估算約為3，動作時間0.53秒。

A 電驛 電驛側故障電流為 電流設定 4 A。 電流倍數 11。 時間曲線 8。 動作時間 1.83秒。

表5.5 A、B、C、D電驛的電流設定與時間設定值

圖5.28 用CO-7做過電流保護協調