Chapter 3配電設備

Chapter 3配電設備

3.1 過電流保護器與開關設備之功用 ................................. 7

3.2 配電系統過電流之起因 ................................................... 8

3.3 高壓斷路器之任務及種類 ............................................. 10

3.4 消弧之基本原理 .............................................................. 13

3.5 回復電壓、再襲電壓及在襲電壓上昇率 ................. 14

3.6 電力熔絲 ............................................................................ 20

3.7 熔絲鏈開關（FCO） ................... 錯誤! 尚未定義書籤。

3.8 隔離開關、空斷開關與負載啟斷開關錯誤! 尚未定義

書籤。

3.9 無熔絲開關（NFB） ................... 錯誤! 尚未定義書籤。

3.10 電磁開關（MS） ....................... 錯誤! 尚未定義書籤。

3.11 變壓器（TR） ............................. 錯誤! 尚未定義書籤。

3.12 變壓器之連接（TR） ............... 錯誤! 尚未定義書籤。

3.13 儀表用變壓器 ............................. 錯誤! 尚未定義書籤。

3.14 導線之種類 .................................. 錯誤! 尚未定義書籤。

3.15 匯流排（bus）之構造及用途 錯誤! 尚未定義書籤。

3.16 匯流排（bus）之型式 ............. 錯誤! 尚未定義書籤。

1

心得

Chapter 3

配電設備

本章是歷屆試題中出第 2 多考題的一章，大部分都是出實務

上的申論題，對於從事電機相關行業的人士，是非常有利的。當

然我知道大部分的人對這章都沒有把握，甚至是放棄。

所以建議考生應理解本章每道題目，本人所謂理解不是指死

背，而是你看完後能以自己的意思說明一次。這樣會有利你在考

試時，碰到不會的實務申論題，可以『掰』的出來。沒錯!你沒看

錯，碰到不會的申論題靠的是你經年累月所累積的觀念，用『掰』

的方式寫出來，所以平常就要用自己的意思說明一次來練習，因

為我相信在考卷上亂寫，甚至是空白，我只會套句周星馳食神說

的『還是 0 分』，但是你用觀念寫出來的東西，往往會讓閱卷者願

意，相信給你一些分數的，往往這些分數就是決定你上與不上的

界線，所以請多多用力浪費你的墨水吧。

話又說回來，我以前國中考試時聽說過，寫不出來的同學在

考試卷上寫說：老師!我都不會請不要當我。還有聽過寫國歌的。

2

範例 配電設備綜合題型

如下圖所示為一高壓受電系統單線圖，試問圖中之 ABS, LA,

PF, MOF, CT, LCO, CB 及 NFB 分別代表何意?(寫出所代表之元件名

稱)。

3

MOF KWH KVAR

11.4/22.8kV

3-1/C 25kV 38 PEX CABLE IN 4"22 3

DS 3P 24kV 630A

PF 3 24kV 200AFUSE:2A 40kA

PT 3 5kVA24-12kV/120V(MOLD TYPE) 3

5050

10kA

220

10kA50

FOR PANEL LIGHT SOURCE

FOR VCB CONTROL SOURCE

RELAY CONTROL SOURCE

320

10kA50

1 UPS 1kVA

3-1/C 25kV 38 PEX CABLE IN 4"

DS

VCB3P 24kV 630A

CTT 4P

5.5

3OV

3UV

79

3CO

LCO

3OV

3UV

3OV

3UV

3OV

3UV

TO UPSVCB

3-1/C 25kV 38 PEX CABLE IN 100mm PVC PIPE

100

LA-39kV/18kVR<10

R<10

R<10

100R<10

100R<10

100R<10

2A

D-FUSE

3

PTT 3P

GB

GB

GB

TR

100R<10

GB

CT 380-10/5/524kV 30/30VA10P20

TR 322.8kV-11.4kV/3 4W

1000kVA

380V-220VMOLD TYPE

CU BUSBAR 4-60mm 10mm 2

5.5

DMS APFR

MP

3400400

200 3-2

80AHRCFUSE

SR7%

400V50kVARSC

3100100

MC

IC 35KA

集合式電表

CT 31600/5A40VA

ACB(E/O,D/O)3P-1600AF

1600AT

MOF

100R<10

GB

馬達盤

V

A

解：

(1)ABS：空斷開關(Air Break Switch)

(2)DS：隔離開關

(2)LA：避雷器(Lightning Arrester)

4

(3)PF：電力熔絲(Power Fuse)

(4)MOF：計器用變成器(Metering Out Fit)

(5)CT：比流器(Current Transformer)

(6)CO：過電流電驛(Overcurrent Relay)

(7)LCO：小能量過電流電驛(Low Energy Overcurrent)

(8)VCB：真空斷路器(Circuit Breaker)

(9)NFB：無熔絲開關(No Fuse Breaker)

(10)MC：電磁接觸器

(11)SC：同步電容器

依屋內線路裝置規則：

高壓接戶線：以 3300V 以上高壓供給之接戶線

低壓接戶線：以 600V 以下電壓供給接戶線

5

範例 86 電機工程技師

二、一般高壓輸配線路及設備的保護系統是由三部分所組

成，試述此三部分相關的設備及各自的功能。 (20 分 )

解：

一般高壓輸配電線路及設備的保護系統係由變比器 (PT、

CT)、保護電驛及開關 (斷路器、隔離開關 )等三部分所組成，

此三部分之相關設備及各自的功能分述如下：

1. 變比器：比壓器 (PT)及比流器 (CT)，主要之功能在於偵

測，將系統的電壓與電流降低供電給保護電驛，作為判

斷系統是否發生故障點之依據。因為當系統發生接地故

障時，系統電壓必驟然下降，特別是故障點的電壓將降

為零；此時線路上的電流亦必定驟然增加且為正常負載

電流之數十倍，甚至高達數十 KA，流向故障點。

2. 保護電驛：包括過電流電驛、測距電驛、副線電驛等，

其主要之功能在於判斷系統是否發生故障，若保護電驛

動作，則將閉合斷路器之跳脫線圈，使斷路器動作隔離

故障。

電流電驛方式：即測量電流大小而判斷事故之電驛保

護方式。

方向電流電驛：除測量電流大小以外，並判斷其方向

者。

測距電驛：除判斷事故及方向外，並估計故障之距離，

以決定應在何時動作。

副線監試方式：以差動原理把保護範圍確定在副線所

包括範圍之內，不需測距電驛來估計。

高頻波道監視方式：以高頻波道配合測距電驛，使動

作區域確實。

3. 開關設備：包括斷路器及隔離開關。其一接受到電驛動

作之訊號，須立刻啟斷故障電流，隔離故障。

(1) 斷路器：具有啟斷故障電流的能力。

6

(2) 隔離開關：不具有啟斷故障電流的能力，僅能在斷路

器啟斷後，再啟斷作為第二段隔離，以利設備之維修

或故障之排除。

7

3.1 過電流保護器與開關設備之功用

3.1.1 開關設備

負責電路之啟斷及接通的機構，稱為開關設備。為了維持良

好的電力供應，開關設備需要在正常或不正常的情況下安全的啟

斷及閉合。

廣義的開關設備包括開關、斷路器及熔絲，依照高低壓之分：

一、高壓

1.開關：(1)DS，(2)ABS，(3)LBS

2.斷路器：(1)O.C.B，(2)P.C.B，(3)A.C.B，(4)M.B.B，(5)V.C.B，(6)G.C.B

3.熔絲：(1)限流型電力熔絲，(2)非限流型電力熔絲，(3)FCO

二、低壓

1.開關：(1)閘刀開關，(2)按鈕開關

2.斷路器：(1)模殼型斷路器(MCB)，(2)無熔絲開關(NFB)

3.熔絲：(1)栓型熔絲，(2)限流熔絲

三、額定電流、過載電流及短路電流的啟斷

1.高壓斷路器：額定電流、過載電流及短路電流都能啟斷。

2.熔絲：額定電流不能啟斷，過載電流及短路電流都能啟斷，

但是熔絲斷掉後就不能閉合。

8

3.2 配電系統過電流之起因

短路 過載 漏電

範例 e 過電流保護器的目的

試述配電系統產生過電流之原因?配電系統裝置過電流保護

器之目的何在?

解：

(1)配電系統發生連續性之過電流原因如下：

過載：大部分由於加裝負載過多，導致用電超載。

短路：由於設備或電路之絕緣老化而發生短路，或由於外

來因素，導致電路造成短路，如電纜外皮破裂。

漏電：接地系統之線路或設備一相接地時，其接地電流再

加上原有負載電流，會使電路發生過電流。

(2)過電流保護器對於此種連續性之過電流，能即時啟斷電

路，使導線之絕緣不致於被破壞，為其保護目的。

9

3.2.1 廣義開關中之過電流保護設備

一、過電流保護器可分為熔絲及斷路器兩大類。

(1) 熔絲按電壓之高低可分為高壓熔絲與低壓熔絲，又按其熔斷

時，是否有限流作用，而分為限流型與非限流型。

(2) 斷路器按電壓高低，又可分為高壓斷路器及低壓斷路器

(2.1) 高壓斷路器按其構造及消弧方法又可分為：油斷路器(包

括大油量極少油量)PCB、氣吹斷路器 ACB、真空斷路器

VCB、磁吹斷路器 MBB 及六氟化硫斷路器 GCB 等；低壓

斷路器按其構造可分為模殼型斷路器MCB及無熔絲開關

NFB。

(2.2) 一般低壓配電系統常採用無熔絲開關及熔絲作保護器；

而高壓斷路器及電驛，配合比流器來檢出異常電流，使

斷路器動作而達到保護的目的。

二、過電流保護器功能如下

熔絲

其原理係利用故障電流之熱量，將熔絲熔斷，以獲得保護；

利用此法保護之缺點，係需要人力去換熔絲，可用於次要之

線路或設備。

斷路器

能啟斷正常電流及故障電流，故障清除後會自動復閉。以保

護之觀點而言，為最完善之一種，惟需配合電驛系統及控制

系統才能發揮功效。

10

3.3 高壓斷路器之任務及種類

高壓斷路器在正常狀況下，可啟斷負載電流，在機器或線路

發生故障時配合電驛，可啟斷故障電流。

斷路器在啟斷大電流時，會發生電弧高溫，所以斷路器必須

具備消弧的性能。

高壓斷路器可分為

油斷路器（OCB） 氣衝式斷路器（ACBorABB）

磁吹試斷路器（MBB） 氣體斷路器（GCB）

真空斷路器（VCB） 少油量型油斷路器（PCB）

相反的，開關不能啟斷電流如電力熔絲(Power fuse)、隔

離開關(DS)，只能在無電流 (無載 )通過時做「開」、「關」之

操作。它的主要任務是斷路器或其他設備檢修時隔離或線路

分段之用。

11

範例 95 年電機工程技師

二、試寫出下列高壓斷路器中文名稱，並簡述消弧介質或方

法之差異： (每小題 4 分，共 20 分 )

(一 )P.C.B

(二 )A.B.B

(三 )G.C.B

(四 )M.B.B

(五 )V.C.B

解：

(1)少油量油斷路器 (Poor oil Circuit Breaker，簡稱 PCB)：

少油量油斷路器是以絕緣油為消弧介質，其用油量約為

O.C.B 的十分之一，但由於油量較少，啟斷時受電弧的作用，

絕緣油容易劣化，接觸子的損耗亦多，所以維護期較短，不

宜操作及啟斷次數過多。

優點： (1)用油量少， (2)體積小價格便宜

缺點： (1)因油量少，有絕緣劣化， (2)維護期短。

(2)氣衝斷路器 (Air Blast Circuit Breaker，簡稱 ACB 或 ABB)

氣衝斷路器是將高壓空氣利用噴嘴 (nozzle)衝入弧道。

氣衝斷路器由噴嘴所噴出的高壓空氣與電弧為同方向

者，稱為軸向噴氣方式。軸向噴氣方式又分為兩種，即單噴

式 (single blast)與雙噴式 (double blast)，單噴式適合於屋

內，額定電壓 11~34.5kV，雙噴者以其消弧力更強，適用

於更大容量者，多用於屋外，額定電壓 110kV 以上。

優點： (1)可多次操作， (2)維護簡單，高速復閉。

缺點： (1)構造複雜，須壓縮空器設備， (2)噪音大。

(3)6

SF 斷路器 (6

SF Gas Circuit Breaker，簡稱 GCB)

氣體斷路器係利用氣體為消弧介質之斷路器，其構造與氣衝

式斷路器相似，惟用6

SF 氣體為消弧介質。

6SF 斷路器雖然要使用

6SF 氣體，維護上雖麻煩，但

6SF 經

長期使用並不會變質，接觸子損傷程度比在空氣中降低很

12

多，與外面空氣完全隔離，不會吸收濕氣，因此發生事故機

率也反而降低。

(4)磁吹斷路器 (Magnetic Blast Circuit Breaker，簡稱 MBB):

利用電磁力消弧之斷路器，多半使用在較低電壓系統。磁吹

斷路器是在電流啟斷時，利用接觸子離開時之電流本身發生

磁力作用，使電弧被推開，故弧道增長至電壓無法維持電流

之通行，由此達到消弧之目的。

優點： (1)沒有火災危險， (2)維護簡單，(3)故障電流越

大，消弧越佳，啟斷故障電流時間愈短。

缺點： (1)價格高、體積大， (2)絕緣性能低，目前規格

額定電壓為 3.6~12kV。

(5)真空斷路器 (Vacuum Circuit Breaker，簡稱 VCB)：

真空斷路器之消弧室中為真空狀態，真空消弧室是負責斷路

器的「開」、「關」之啟斷消弧任務，且均在真空中完成。

優點：(1)無油故無火災，(2)維護簡單， (3)消弧快，沒

有噪音， (4)壽命長。

缺點： (1)接點耗損大， (2)快速截斷會有高暫態電壓。

(6)油斷路器，簡稱 O.C.B：

係利用絕緣油作為絕緣及消弧的介質，其接觸子浸在油

中，所以周圍的絕緣油會冷卻電弧，並使發弧區迅速恢復絕

緣，完成消弧。

13

3.4 消弧之基本原理

1.冷卻電弧：冷卻

當壓縮空氣流吹向電弧時，高溫之氣體及離子均被吹散，使

電弧置身於空氣流中，故而獲得冷卻效果，可抑制離子之產生。

2.拉長電弧：分割

設法增加接點啟開距離，或使弧光彎曲，降低電位梯度恢復

絕緣強度。

3.將弧道及弧極施加壓力：壓力

氣體壓力越大，分子密度越大，離子之活動力即受抑制，所

以電弧可迅速起交換作用，使離子迅速被消滅。

4.引導氣體穿過弧道：置換

利用介質中產生之氣體穿過弧道，可使離子與其混合或其吸

收。另可利用高壓氣體衝擊電弧，使離子分散並可拉長電弧且可

冷卻弧根。

14

3.5 回復電壓、再襲電壓及在襲電壓上昇率

（1）消弧之有效方法

減低再襲電壓 提高絕緣恢復特性

範例 84 電機工程技師

二、簡述斷路器中電弧之生滅原理，並述回復電壓 (Recovery

Voltage) 、再襲電壓(Restriking Voltage)及再襲電壓上昇率(Rate of

Rise of Restriking Voltage)之意義。(20 分)

解：

斷路器之任務主要為啟斷電流，即為消滅電弧。否則雖其接

觸子在機械上分開，而接觸子間還有電弧存在時，並非電流被啟

斷。

在交流電路中，因電流作正弦波形之變化，故在 60 週波之電

力系統中，每秒有 120 次電流零值存在，而在電流零值時，接觸

子間之離子化程度較弱，最容易消弧，所以多在電流零值消弧。

如圖所示為其消弧現象，在接觸子尚未消弧以前，接觸子間

有電弧電壓存在。當電流以正弦變化到達零值時，電弧極被熄滅，

同時立刻在接觸子間建立起絕緣強度，此時接觸子二端由電弧電

壓立刻升高至系統之電壓稱為回復電壓(Recovery Voltage;R.V.)。但

由於受系統之 L、C 影響，其恢復電壓不依系統之電壓變化而產生

震盪波，此震盪波為一種暫態現象，稱為再襲電壓(Restriking

Voltage;R.R.V.)。暫態電壓以恢復電壓為軸線作上下震盪終至緩慢

衰退，而到達恢復電壓之正常值。

15

圖 3.7 交流電弧零點消弧現象

再襲電壓依下列因素之影響：

1.再襲電壓之振幅：

其振幅與電流零值之電壓有關，因三相電流互相差 0120 ，故

三相電流有不同時間為零值，因此先達零值之電流便先被滅弧，

產生已被滅弧相之電壓瞬時值較原來之電壓為高。

2.再襲電壓至上昇率(Rate of rise of restriking voltage, R.R.R.V)

再襲電壓上升率以 mE

t表示，若再襲電壓上昇率愈大，則滅弧愈難。

3.電壓之振盪頻率

其振盪頻率 N

1f

2 LC

，其中 L 及 C 為系統中之電感及電容

常數。其值約在每秒數百週至每秒數千週； Nf 愈大，則表示再襲

電壓愈大。

利用電阻改善再襲電壓，則其振盪頻率為

2

N

1 1 1f

2 LC 2RC

，上式中：R 之值應為

1 LR

2 C 最有

效。(83 年成大電研)

16

圖 3.8 利用電阻改善再襲電壓

★再襲電壓為何升高

Nf t . . .R R RV

17

範例 求再襲電壓

設一故障系統，由斷路器接觸子觀測到之等效電感及電容分別為

2.5mH 及 600pF。試求當被截斷之故障電流為 150 安培時，斷路

器接觸子兩側之再襲電壓(Restriking Voltage) (82 高考)

解：

電容所儲存之電能=電感所儲存之磁能

2 2C

1 1CV LI

2 2

3

C 12

L 2.5 10V I 150 306.186kV

C 600 10

18

範例 求再襲電壓題型、再襲電壓上昇率與頻率A 50Hz, 11kV, tree-phase alternator with earthed neutral has areactance of 5 ohms per phase, and is connected at busbarthrough a circuit breaker. The capacitance to earth between thealternator and the circuit breaker is 0.02 F per phase. Assumingthe resistance of the generator to be negligible, calculate thefollowing:(a)Maximum value of recovery voltage maxE (phase to neutral).(b)Maximum value of restriking voltage (phase to neutral).(c)The average rate of rise of restriking voltage (RRRV) up to thefirst peak.

(d)Frequency of oscillation. (80 成大電研)

解：

(a)回復電壓最大值

11R.V. 2 8.96kV

3

(b)再襲電壓最大值

R.R.V.=2 R.V. 2 8.96 17.92kV

19

(c)再襲電壓上昇率

R.R.V R.R.VR.R.R.V

t LC

6

6

17.92319.64 10

50.02 10

314

(V/sec)

(d)振盪頻率

6

1 1f 8.9kHz

2 LC 52 0.02 10

314

20

3.6 電力熔絲

範例 88 年電機工程技師

二 、 電 力 熔 絲 (power fuses) 的 功 能 為 何 ? 限 流 型 熔 絲

(current-limiting fuse)及非限流型熔絲(non-current-limiting fuses)

在運轉特性上有何差別?適用範圍各為何? (20 分)

解：

1.電力熔絲係利用金屬受高溫熔斷之特性，加上適當之消弧設備

作為電器機器或線路之過載與短路故障保護之用，可謂為兼具有

保護電驛與斷路器所組合之自動斷路器。2.

(a)限流型者為銀值可熔元件繞製在陶瓷體上，周圍包以矽砂，而

妥裝在密封磁管內。當電路短路時，銀元件熔斷並形成很多串聯

之高阻抗電弧，由矽砂使電弧冷卻並消弧，其特點為有”限流作用”。

(b)非限流型電力熔絲又名驅弧式電力熔絲，按其構造可分為纖維

管式電力熔絲(熔絲熔斷可更換者)及硼酸電力熔絲兩類。前者熔絲

裝於管壁塗有消弧材料之纖維管中，後者熔絲則至於由乾硼酸壓

製而成之管中，此等熔絲在動作之前，即承受彈簧之拉力，一被

熔斷後，其一端即被分開，而電弧路徑因之被拉長，管中消弧材

料亦因受熱分解而產生消弧氣體，以自管中排出並消弧之。3.

(a)限流型者：適用於屋外之裝置，動作時易生異常電壓及電壓最

高不超過 30kV。

(b)非限流型者：動作時放出氣體，適宜裝於屋外或較大之裝設空

間，動作電路上不致於出現異常電壓且其電壓額定可高達

138kV。

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