华亚汽电厂发电机并入系统突波分析雷击与开关突波过电压作用在电力.docx

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华亚汽电厂发电机并入系统突波分析雷击与开关突波过电压作用在电力

華亞汽電廠發電機併入系統突波分析

雷擊與開關突波過電壓作用在電力系統上，具有兩個相同的特徵，

（1）暫態電壓的幅值可能遠大於系統運轉之線電壓，

（2）暫態電壓上升或是下降的變化率，遠大於電壓在系統中的時變頻率變化率；而暫態過電壓的幅值與上昇率，是造成變壓器絕緣故障的原因之一。

發電機組運轉控制項目包含

（1）整步，

（2）同步並聯及（3）與系統解聯；應用現場暫態現象量測技術，實測紀錄機組之整步並解聯暫態記錄，有其必要性與價值。

一、同步發電機並聯條件

機組併入系統前，調整電樞電壓與頻率之控制程序，稱為整步，因此在整步過程中，並聯斷路器兩端之跨壓，可以應用與相位、頻率差有關的電壓包絡線呈現其變化特徵，而同步裝置即應用包絡線的時變特性，檢測待並聯機端電壓與匯流排電壓之進入同相位之時機，並在斷路器兩端跨壓逐漸降為零瞬間，令斷路器完成閉合操作並將機組併入系統運轉。

為簡化問題可將系統中運轉的機組等效成為一部發電機，稱之為G1發電機（RunningSystem），G2發電機準備於開關S1閉合即加入系統運轉發電（OncomingGenerator），參考圖3；為避免發電機發生嚴重損壞以及負載失去電源，則準確的三相電壓與相位是S1在閉合之前的充分必要條件，若S1關閉的瞬間存有電位差，則在開關閉合時，將產生過電流，過電流振幅的大小、持續時間與次暫態電感、暫態電感、穩態電感及暫態時間常數有關。

因此，考慮兩機並聯之匹配四條件如下述：

1.兩機的電壓均方根值必須相等。

2.兩機必須具有相同的相序。

3.兩機具有相同的相位。

4.待並聯機連接至系統前，其頻率應稍高於系統頻率。

圖1.待併入系統機組及自動同步裝置連接示意圖

條件1說明待並聯發電機，在並聯前經由激磁機調整磁場，使得電機輸出之端電壓振幅與系統電壓大小相等；若兩機輸出的電壓相等，同時兩機間的相角亦相等，此時兩機間將沒有電位差，則稱作滿足條件3；條件2是確定兩機之各相電壓峰值以相同的順序產生，若是兩機相序不同，則三相中僅有一相屬於同相（Inphase），其餘的兩相將互差相位120˚稱為異相（Outofphase），若是機組在上述的情況中投入斷路器將兩機並聯運轉，則在斷路器投入瞬間，在兩機異相之電樞繞組間，將發生嚴重的過電流。

其次，若兩機的轉速或是頻率不是非常的接近，則在並聯瞬間，將產生相當大的暫態電流，此一過電流必將持續相當的時間，直到發電機穩定的運轉於系統頻率為止。

因此並待並聯發電機在滿足電壓相等的限制條件後，需適度的調整轉速，使得發電機之頻率極為接近系統頻率，此時待並聯機與系統間的相角增量差值的變化亦相當緩慢，此一相角增量值亦即相角差的變化，可以包絡線方程式或是紀錄圖形觀察之，在包絡線等於零的瞬間，就是兩機準確於同相位瞬間準確並聯的最佳時機，此時閉合S1即可完成發電機的並聯加入運轉[1]。

圖4係說明自動並聯設備的控制示意圖。

若待並聯機與系統之間存有頻率差，可應用同步儀順、逆時針轉動方向，觀察出電機速度稍高（fast）或是稍低（slow）於系統；其次，在整步程序中，因待並聯機與系統間的頻率差不為零，其間的電壓差幅值及相位角度變化量，可以電壓包絡線表示；例如待並聯機與系統電壓在同相位（in-phase）時間點上，此一包絡線電壓為零；反之，待並聯機與系統電壓相位偏移180（out-of-phase），可產生兩倍幅值之電壓包絡線。

電壓包絡線之瞬時值可以下式表之，

藉由電壓包絡線瞬時方程式，可推導出三相電壓包絡線方程式，藉由三相電壓包絡線方程式之最大值出現次序，亦表示待並聯機轉速高於或是稍低於系統同步速度，如在電機轉速稍高情況下，三相電壓包絡線峰值電壓以c-b-a相序出現；反之，電機速度較系統同步速度稍低時，其三相電壓包絡線峰值將依a-b-c順序出現；在機組控制室中，裝置於同步並聯配電盤上的同步儀，可顯示電機與系統同步速度差，同步儀表計如圖2所示；

圖2.同步儀示意圖

在此以MATLAB軟體模擬系統發電機之整步作業，模擬結果之系統電壓、發電機電壓及兩者之電壓波型及相位變化，如圖5所示；首先說明假設條件：

設定系統電壓等於1pu、頻率等於60Hz，待並聯發電機之輸出端電壓等於系統電壓；其次，設定待並聯發電機頻率稍高於系統頻率為60.5Hz（此一頻率差設定值，係為便於觀察及說明包絡線）。

圖5顯示V1及V2電壓振幅大小相等，在時間軸上0.096~0.104秒位置，二者相角相差接近180º，故2pu的電壓差達到週期中最大值；時間軸上靠近0.2秒的位置，顯示V2以較快的速度電壓逐漸接近V1，兩者間電壓的相角差亦逐漸靠近同相位之0º，此時二者間的電位差亦趨近零伏特；0.2秒以後，二者的相差亦隨著時間的流動而開始另一週期的變化。

圖3.

為準確的在十二點鍾位置關閉開關完成並聯手續，必須考慮斷路器投入機構的動作延時特性，在適當的提前角度操作斷路器，使得斷路器在閉合的瞬間，機組端電壓與系統電壓無相位差的最佳情況下，完成整步並聯程序，因此提前操作斷路器所需之角度計算如式1[2]；同步儀用來檢測兩系統在同步間的相角差，同步儀之12點鐘位置上的記號“▼”，係表示待併聯發電機端電壓與系統電壓恰進入同相位的參考點，

------------式1

自動併聯裝置具有機組併入系統所需的主要功能，

（1）調整發電機電樞電壓與系統電壓一致，

（2）調整發電機轉速稍高於系統頻率，（3）尋找同相位之併聯時機並適度提前投入斷路器完成併聯程序；發電機整步之電壓-頻率特性，如圖6所示。

圖4.

[1]StephenJ.Chapman"ElectricMachineryFundamentals"McGraw-HillBookCompany.（PP.407-414）

[2]薩本棟交流電機台灣商務印書館發行（pp.389-421）

二、同步發電機整步與併入系統實測分析

本公司中部地區某電廠發電機組，配合機組執行整步及同步並聯加入系統之操作程序，進行機組加入系統各項試驗時之電壓、電流暫態量測，藉以建立機組加入系統運轉之電量響應分析記錄，供本公司單位參卓。

在此報告中，有關整步及機組同步併入系統之分析結果，亦可供本計劃釐清華亞汽電廠機組併入系統暫態突波電壓，對樂善變壓器絕緣破壞之參考。

1.同步並聯之整步分析

該發電機在磁場斷路器投入後，建立18.8kV三相額定電壓，激磁瞬間及整步過程中，電樞電壓、電流穩定無異狀；電壓與電流幅值、波形及轉換至頻域之分析圖表記錄，如表1~3、圖5~9所示；並聯前，整步之電壓包絡線如圖27所示。

表1.機組激磁三相電壓分析

Channel:

Vabgen

Vcbgen

Vbsyn

Vbngsyn

From:

00:

00.003To:

00:

01.463,Duration:

1.460s,Samples:

72984

Mean:

-56.710V

19.047V

902.268mV

1.447kV

Std.Dev.:

18.841kV

18.920kV

120.023V

19.008kV

RMS:

18.841kV

18.919kV

120.025V

19.062kV

Max.

26.971kV

27.055kV

174.867V

28.937kV

Attime:

00:

01.283

00:

00.379

00:

00.471

00:

00.504

Min.

-26.917kV

-26.980kV

-173.533V

-26.183kV

Attime:

00:

00.707

00:

00.971

00:

00.246

00:

00.329

表2.機組整步三相電流分析

Channel:

Ia345

Ib345

Ic345

IN345

From:

00:

00.003To:

00:

01.463,Duration:

1.460s,Samples:

72984

Mean:

2.300A

624.863mA

-2.762A

-1.855A

Std.Dev.:

49.038A

50.006A

49.776A

2.439A

RMS:

49.092A

50.010A

49.852A

3.064A

Max.

81.000A

84.500A

79.500A

13.000A

Attime:

00:

00.969

00:

00.474

00:

00.847

00:

00.360

Min.:

-76.500A

-80.500A

-83.500A

-13.000A

Attime:

00:

00.811

00:

00.632

00:

00.572

00:

01.058

Phaseangle

0°+85.4°

-121.4°+85.4°

-239.6°+85.4°

表3.機組整步三相電流分析

Channel:

Iagen

Ibgen

Icgen

From:

00:

00.003To:

00:

01.463,Duration:

1.460s,Samples:

72984

Mean:

-88.224A

-140.198A

Std.Dev.:

946.710A

941.330A

RMS:

950.805A

951.706A

Max.

1.561kA

1.458kA

Attime:

00:

01.263

00:

00.402

00:

00.402

Min.:

-1.635kA

-1.690kA

Attime:

00:

00.188

00:

00.793

00:

00.793

圖5.發電機磁場斷路器投入建立電樞端電壓及電流波形

圖6.放大機組整步三相電壓、電流波形

圖7.機組整步三相電壓頻譜分析

圖8.機組整步三相電流頻譜分析

圖9.整步電樞電壓、包絡線電壓及電流波形

並聯前，電樞電壓維持在18.0kV，頻率差為Δf=0.0456Hz，且在與系統電壓同相位瞬間併入，併入系統的同步化電流峰值分別為：

a=-250.000A、b=204.500A、c=-273.500A、n=-270.000A；發電機同步穩定後，三相電流量測值分別為：

a=41.1A、b=21.8A、c=25.6A、n=52.5A；相關瞬時值及波形，如表4~6、圖10~11所示。

表4.機組並聯加入系統三相電壓分析

Channel:

Vabgen

Vcbgen

Vbsyn

Vbngsyn

From:

00:

02.204To:

00:

23.684,Duration:

21.479s,Samples:

429589

Mean:

73.270V

87.720V

4.043V

1.746kV

Std.Dev.:

18.012kV

18.044kV

1.650V

17.932kV

RMS:

18.012kV

18.044kV

4.367V

18.017kV

Max.

25.738kV

25.829kV

12.067V

27.597kV

Attime:

00:

02.218

00:

02.215

00:

02.271

00:

02.206

Min.

-25.602kV

-25.713kV

-2.733V

-24.040kV

Attime:

00:

02.209

00:

02.273

00:

02.262

00:

02.265

並聯前

60.0828Hz

Δf=0.0456Hz

並聯後

60.0372Hz

表5.機組並聯加入系統三相電流分析

Channel:

Ia345

Ib345

Ic345

IN345

From:

00:

02.204To:

00:

23.684,Duration:

21.479s,Samples:

429589

Mean:

1.482A

-2.200A

7.017A

1.303A

Std.Dev.:

41.070A

21.659A

24.670A

52.465A

RMS:

41.096A

21.770A

25.649A

52.481A

Max.

104.500A

204.500A

84.000A

86.500A

Attime:

00:

02.669

00:

02.280

00:

02.232

00:

11.168

Min.:

-250.000A

-75.000A

-273.500A

-270.000A

Attime:

00:

02.282

00:

02.235

00:

02.278

00:

02.282

Phaseangle

0°+80.3°

-116.5°+80.3°

-9.7°+80.3°

-22.8°+80.3°

表6.機組並聯加入系統三相電流分析

Channel:

Iagen

Ibgen

Icgen

From:

00:

02.204To:

00:

23.684,Duration:

21.479s,Samples:

429589

Mean:

-128.740A

-151.898A

40.650A

Std.Dev.:

293.698A

651.672A

505.914A

RMS:

320.675A

669.140A

507.544A

Max.

1.651kA

1.354kA

5.327kA

Attime:

00:

02.284

00:

02.254

00:

02.279

Min.:

-2.773kA

-5.034kA

-1.412kA

Attime:

00:

02.276

00:

02.281

00:

02.235

圖10.機組並聯電樞電壓、電流波形

圖11.放大機組並聯電樞電壓、電流波形

2.解析機組並聯操作之暫態現象

發電機組經由整步過程，滿足電壓一致，頻率稍高及掌握兩系統進入同相位時機，閉合斷路器，在上述條件下，機組併入系統瞬間，因斷路器兩端電壓差驅近零，故不會產生暫態過電壓的負面影響。

其次在上述暫態記錄波形中，機組併入系統瞬間亦無暫態突波過電壓。

三、解析器電共生並聯技術要點及華亞汽電廠發電機組併入系統之暫態現象

為維持電力系統供電品質、系統可靠性及公共安全，台電公司於78年1月首度公佈汽電共生併聯技術要點，為因應科技進步的腳步並連技術要點至93年3月止共修正了7次。

參考民國93年3月修訂之“台灣電力公司汽電共生併聯技術要點”相關規定，汽電共生機組欲申請併入台電69KV以上系統，規劃興建之前應向台電提出下列資料，並以不違反台電輸電系統規劃準則，經台電審查同意後始可併入台電系統，以維持系統安全。

系統規劃資料包含下列內容：

（1）用電計畫書：

須包含併入系統時程、相關發電、購售電力及機組模型參數等資訊；

（2）系統衝擊檢討報告：

須包含電力潮流、故障電流（總裝置容量10,000KW以上）及暫態穩定度（總裝容量95,000KW以上）等項目。

關於汽電共生系統併聯一般事項則包含

（1）汽電共生發電廠之發電機、保護設備、變壓器、斷路器及有關設備等，由汽電共生用戶配合台電系統之需求自行規劃、設計、安裝、維護及試驗後會同台電加入系統；

（2）汽電共生發電廠之保護設備相關部份之設計圖面與計算、遙測監視設備、負載管理設備、負載限制裝置等資料應於設備採購前並同圖面先送台電審查；（3）汽電共生系統使用同步發電機者應設置自動同步併聯設備，如於責任分界點與台電系統自動併聯時，其方式須與台電系統配合。

台灣地區合格之各汽電共生廠，均遵循汽電共生併聯技術要點辦理系統規劃、設計與營運，在本章節中，以同步發電機併聯技術文獻及台電中部地區某電廠機組併入系統暫態現象技術服務報告，說明發電廠採用手動或是自動併聯方式，於機組完成整步程序後，掌握同相位之時機，即可順利將機組併入系統，且斷路器兩端幾乎無電壓差，故機組於併聯瞬間亦不會發生暫態突波過電壓之現象，故與樂善變電所配電變壓器事故無直接關聯性。

[3]范振理、鄭強、沈政毅，TPRI-G-7.8-HR-9643技術服務報告，96.06。

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