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鋼鐵廠鋼鐵廠鋼鐵廠鋼鐵廠負載負載負載負載變動變動變動變動對對對對電力系統電力品質電力系統電力品質電力系統電力品質電力系統電力品質之之之之影響影響影響影響

aiRobotsaiRobotsaiRobotsaiRobots Laboratory, Department of Electrical Engineering,

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摘要摘要摘要摘要

電力系統架構電力系統架構電力系統架構電力系統架構

電力諧波電力諧波電力諧波電力諧波的危害的危害的危害的危害

濾波器濾波器濾波器濾波器的裝置的裝置的裝置的裝置

電壓的閃爍電壓的閃爍電壓的閃爍電壓的閃爍

變壓器變壓器變壓器變壓器的的的的噪音噪音噪音噪音

結論結論結論結論

Outline

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台灣電力公司台灣電力公司台灣電力公司台灣電力公司為了為了為了為了提供提供提供提供客戶客戶客戶客戶可靠可靠可靠可靠的的的的電力電力電力電力服務服務服務服務，，，，近年來近年來近年來近年來致力致力致力致力於於於於提升用電品質提升用電品質提升用電品質提升用電品質

及及及及減少對用戶停電次數及停電時減少對用戶停電次數及停電時減少對用戶停電次數及停電時減少對用戶停電次數及停電時間間間間，，，，以提高用戶之滿意度以提高用戶之滿意度以提高用戶之滿意度以提高用戶之滿意度。。。。

隨著電力電子技術之不斷研究及發展隨著電力電子技術之不斷研究及發展隨著電力電子技術之不斷研究及發展隨著電力電子技術之不斷研究及發展，，，，一些應用於一些應用於一些應用於一些應用於工業控制方面工業控制方面工業控制方面工業控制方面的電力負的電力負的電力負的電力負

載載載載，，，，諸如鋼鐵工業的電弧爐設備諸如鋼鐵工業的電弧爐設備諸如鋼鐵工業的電弧爐設備諸如鋼鐵工業的電弧爐設備、、、、伺服馬達之速度控制器伺服馬達之速度控制器伺服馬達之速度控制器伺服馬達之速度控制器、、、、電腦所用之電電腦所用之電電腦所用之電電腦所用之電

源供應器及不斷電系統源供應器及不斷電系統源供應器及不斷電系統源供應器及不斷電系統、、、、電子式安定器電子式安定器電子式安定器電子式安定器等等等等裝置等等裝置等等裝置等等裝置等等。。。。這些電力負載所造成這些電力負載所造成這些電力負載所造成這些電力負載所造成

之諧波污染問題之諧波污染問題之諧波污染問題之諧波污染問題日益日益日益日益嚴重嚴重嚴重嚴重。。。。

如何有效掌握用電設備所產生之電力諧波如何有效掌握用電設備所產生之電力諧波如何有效掌握用電設備所產生之電力諧波如何有效掌握用電設備所產生之電力諧波，，，，以及如何避免電力諧波造成其以及如何避免電力諧波造成其以及如何避免電力諧波造成其以及如何避免電力諧波造成其

他設備或鄰近受電用戶之危害他設備或鄰近受電用戶之危害他設備或鄰近受電用戶之危害他設備或鄰近受電用戶之危害，，，，成為如何提高成為如何提高成為如何提高成為如何提高電力電力電力電力品質品質品質品質研究研究研究研究之之之之首要首要首要首要目標目標目標目標。。。。

這篇論文主要這篇論文主要這篇論文主要這篇論文主要探討探討探討探討大型鋼鐵廠電弧爐之負載變化大型鋼鐵廠電弧爐之負載變化大型鋼鐵廠電弧爐之負載變化大型鋼鐵廠電弧爐之負載變化，，，，對電力系統供電品質影對電力系統供電品質影對電力系統供電品質影對電力系統供電品質影

響響響響以以以以及找出改善電力品質及找出改善電力品質及找出改善電力品質及找出改善電力品質的的的的因應對策因應對策因應對策因應對策。。。。

摘摘摘摘 要要要要

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發電系統發電系統發電系統發電系統(Generation System)

核能、火力、水力、風力、太陽能、潮汐

輸變電系統輸變電系統輸變電系統輸變電系統(Transmission System)

超高壓變電所 Extra-Voltage Station (345kV/161kV)

一次變電所 Primary Station (161kV/69kV)

配電變電所 Distribution Station (161kV/22.8kV-11.4kV)

各級輸電線路

配電系統配電系統配電系統配電系統(Distribution System)

二次變電所、配電變壓器、配電線路及用戶端

電力系統架構電力系統架構電力系統架構電力系統架構

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G

G G

G

345 kV161 kV 69 kV

E/S P/S S/S

D/S

11.4 kV/22.8kV

電廠外

受電抽

蓄負

載

161kV

工業

用戶

電

廠用

電

P/S所內

用電

電廠用電

D/S所內用電

桿上/亭置式變壓器

桿上/亭置式變壓器

161 kV

配電系統損失二次輸電

系統損失一次輸電系統損失

輸電系統損失

低壓用戶

低壓

用戶

高

壓用戶

69kV

工業

用戶

發

電端

11.4 kV/22.8kV

E/S所

內用

電

S/S所內用

電

一次輸電系統 二次輸電系統 配電系統

電力系統架構圖電力系統架構圖電力系統架構圖電力系統架構圖

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大型鋼鐵廠的電弧爐之負大型鋼鐵廠的電弧爐之負大型鋼鐵廠的電弧爐之負大型鋼鐵廠的電弧爐之負載變化載變化載變化載變化時時時時對電力系統對電力系統對電力系統對電力系統造成的造成的造成的造成的影影影影響響響響：：：：

電力諧波

電壓閃爍

變壓器激磁噪音

電弧爐產生的諧波

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電力諧波電力諧波電力諧波電力諧波發生的原因發生的原因發生的原因發生的原因：：：：

一般電力系統負載種類包括線性與非線性負載，由於非線性負載引起高次

諧波電流，進而使得負載之電源電壓產生畸變，間接使得線性負載的負載

電流亦會產生失真現象。在畸變波形下運轉之線性負載，則因為畸變波形

將造成效率降低、運轉不良或誤動作等現象。

ZS

線

性

負

載

非

線

性

負

載

+

VL

_

IL IN+

VS

_

一般電力系統之簡化模型

電力諧波電力諧波電力諧波電力諧波

8

電力諧波電力諧波電力諧波電力諧波產成的危害產成的危害產成的危害產成的危害：：：：

諧波電流會增加變壓器銅損和漏磁損，而諧波電壓則會增加變壓器鐵損。

過量之諧波成份，可能引起電力設備過電壓或過電流，致使設備壽命減短

或發生事故。此外電力諧波亦提高變壓器工作機械噪音和增加變壓器額外

的溫升，尤其頻率愈高之諧波成份，噪音與溫昇特性愈明顯。

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電力諧波改善的方法電力諧波改善的方法電力諧波改善的方法電力諧波改善的方法：：：：至於為防止諧波電流到處流通，經常使用之方法則

為在接近諧波源之附近接近諧波源之附近接近諧波源之附近接近諧波源之附近，，，，加裝電力濾波器加裝電力濾波器加裝電力濾波器加裝電力濾波器，以吸收諧波電流，將有助於流

至其他設備之諧波電流盡可能降至最低。

被動式電力濾波器被動式電力濾波器被動式電力濾波器被動式電力濾波器：：：：被動式電力濾波器較便宜，容量也較大，不過改善效果卻

礙於裝置地點之電源阻抗特性，同時亦可能引起其他非系統頻率之共振。

主動式電力濾波器主動式電力濾波器主動式電力濾波器主動式電力濾波器：：：：改善效果較佳，但其價格昂貴，且容量不易擴增

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被動式電力濾波器之分類被動式電力濾波器之分類被動式電力濾波器之分類被動式電力濾波器之分類：：：：(a)單調諧型、(b)單階高通型、(c)二階高通型、

(d)三階高通型及(e)C高通型

(a) (b) (c) (d) (e)

LL

R

C2

R

C2

L

C

L

R

C

R

C

R

C1

C1

較常採用之被動式電力濾波器為單調諧型及二階高通型電力濾波器。單調

諧型（串聯共振電力濾波器）經常設計作為針對某些特定諧波，諸如 5次

或 7次成分加以濾除，其特性為在該諧波頻率時為低阻抗，而在其他頻率，

則為高阻抗。至於二階高通型電力濾波器則用於 11次諧波以上之消除。

被動式電力濾波器被動式電力濾波器被動式電力濾波器被動式電力濾波器

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主動式電力濾波器則係自動調整電流注入電力線，以補償非線性負載之諧

波電流，故可抑制時變負載所產生之諧波，並可使負載達到單位功率因數，

惟其成本較高，故設置時須考量其經濟效益。

主動式電力濾波器基本電路

諧

波

負

載

+

vS

_

iLiCiS

主動式電力

濾波器

vS

iL

iS

iC

主動式電力濾波器主動式電力濾波器主動式電力濾波器主動式電力濾波器

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電壓閃爍發生的原因電壓閃爍發生的原因電壓閃爍發生的原因電壓閃爍發生的原因

配電系統中有許多大型間歇性快速變動的負載（intermittent loads），如煉鋼用

的電弧爐（electric arc furnace）和軋鋼爐、碎石機、粉煤機、電焊機及鋸木機

等，這些設備的特性是常需做週期性或隨機性的工作，由於這類負載用電量起

伏變化相當劇烈，則在其鄰近之匯流排上，就會產生程度不一的電壓波動

（voltage fluctuation）現象，不僅對照明負載而言是一大威脅，同時對其他敏

感性設備如電視、電腦、電子設備、X-ray 設備等造成干擾或誤動作。

電壓閃爍電壓閃爍電壓閃爍電壓閃爍

此等設備之負載電流變動很大此等設備之負載電流變動很大此等設備之負載電流變動很大此等設備之負載電流變動很大，，，，易造成白熾易造成白熾易造成白熾易造成白熾

燈燈燈燈、、、、日光燈等之閃爍現象日光燈等之閃爍現象日光燈等之閃爍現象日光燈等之閃爍現象。。。。

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電壓閃爍造成的危害電壓閃爍造成的危害電壓閃爍造成的危害電壓閃爍造成的危害

白熾燈之壽命及光度受電壓變動的影響很大，電壓較額定電壓為高時發光效率

高，光度及消耗電力增加，但壽命減短。若電壓較額定電壓為低時，燈泡之消

耗電力及光度減少，發效率較低，但壽命延長。

目前傳統日光燈具的安定器，係由漆包線繞在漏磁非常大的矽鋼片鐵心上所構

成的，加入 60 Hz 交流電後，會產生不明顯的光線跳動現象（120 次/秒），

稱為閃爍（flicker）。特別是當供電電壓過低、電壓不穩定、低溫環境或燈管

老化時，閃爍就越嚴重。長期處於閃爍的日光燈底下，不自知之視覺疲勞因而

產生，不但易造成眼睛不舒適，甚至導致近視加深與視力衰退。

對電磁線圈設備的影響：交流電磁線圈的吸力，約與電壓的平方成正比，通常

電磁線圈電壓比額定電壓高 10％以內或低 15％以內時應仍能正常運轉。

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日本中央電力研究所於實驗中發現人類的眼睛對光束照明度的變化頻率有不同的敏

感度，如下圖所示為電壓閃爍頻率與視感度係數曲線，圖中顯示頻率在 1~30 Hz 間

的電壓瞬間變動會對人類眼睛視感度造成影響，而頻率在 10 Hz 時的電壓變動造成

最大的閃爍視感度，頻率超過 30 Hz 或低於 0.1 Hz 時之電壓變動則人的肉眼感覺

不出閃爍現象。

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△△△△V 之定義與之定義與之定義與之定義與電電電電壓壓壓壓閃爍閃爍閃爍閃爍管制標準管制標準管制標準管制標準

但為了降低閃爍所產生之弊害，世界各國對電壓閃爍容許值都訂有管制標準，

各國之容許標準略有不同，大致規範之容許值是在每秒變化 10 次，電壓閃爍

變動率為 0.5~1.5%。目前我國採用之電壓閃爍管理標準為等效每秒鐘變化 10

次之電壓閃爍，所謂「等效每秒鐘變化 10 次之電壓閃爍（△V10 ）」係指基

頻（60 Hz）電壓變動量等效至 10 Hz 之變動量。

我國「屋內線路裝置規則」第 431條電弧爐等驟變負荷應符合下列之規定：電

弧爐等驟變負載在共同點之電壓閃爍值，其每秒鐘變化 10 次之等效電壓最大

值（△V10 max）以不超過 0.45%為準，其中之電壓閃爍值係代表△V10。

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改善改善改善改善電電電電壓壓壓壓閃爍閃爍閃爍閃爍的措施的措施的措施的措施

變動負載串聯電容

變動負載並聯同步調相機

變動負載串聯緩衝電抗器

變動負載並聯電容器組

閘流體(thyristor)無效功率補償器

為抑制電壓閃爍並改善電力品質，常用的方法是將系統上並聯靜態虛功補償器

（SVC）或同步調相機等，在成本考量下，工業界大多採用以電容器組為主的虛功

補償技術。目前電容器虛功補償設備，最常用自動功因修正系統乃結合電磁開關及

電容器組，它可依負載所需之虛功量來投入或切離電容，另外又有將電容器組或電

感器配合閘流體(thyristor)來作為虛功補償量之調整之靜態虛功補償器。

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閘流體(thyristor)無效功率補償器

閘流體切換電容器(thyristor-switched capacitor TSC)

閘流體控制電抗器(thyristor-controlled reactor TCR)

固定電容閘流體控制電抗器(Fixed Capacitor, Thyristor-Controlled Reactors

FC-TCR)

閘流體切換電容閘流體控制電抗器(TSC-TCR)

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SVC 的連接方式

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SVC 的控制原理

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加裝 SVC 後的電壓變化

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鋼鐵廠電弧爐加裝 SVC 後的特性曲線

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SVC 電容器組及電抗器外觀圖

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改善改善改善改善電電電電壓壓壓壓閃爍閃爍閃爍閃爍造成照明危害造成照明危害造成照明危害造成照明危害的措施的措施的措施的措施：：：：採用新式的日光燈電子安定器，其功

率因數可提高至 0.98以上，噪音 30分貝以下，燈管閃爍率在 15%以下；因高

頻點燈，輸出光波很穩定，燈管閃爍率低，處於低溫時，也不易閃爍，對視力

保護亦有助益。

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變壓器的噪音變壓器的噪音變壓器的噪音變壓器的噪音

變壓器噪音的來源主要發生自鐵心，鐵心噪音是由矽鋼片之磁歪及磁性吸引力所產

生之鐵心震動。磁歪的大小與矽鋼片材質⁄鐵心緊密度有關，鐵心磁通密度愈高，矽

鋼片之磁歪也愈大。變壓器鐵心的疊積接縫狀況會影響磁通之流通，使鐵心產生不

同程度大小的噪音。交流電源若含有諧波成份交流電源若含有諧波成份交流電源若含有諧波成份交流電源若含有諧波成份，，，，將導致噪音擴大將導致噪音擴大將導致噪音擴大將導致噪音擴大，，，，鐵心噪音是電源

頻率之 2倍頻率為基本波，以及含有其整數倍之各種頻率之噪音。另繞組導體間或

線圈間之電磁力，也會引起震動導致噪音。

變壓器的噪音變壓器的噪音變壓器的噪音變壓器的噪音

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變壓器的噪音抑制方法

改善鐵心接縫與組裝方式改善鐵心接縫與組裝方式改善鐵心接縫與組裝方式改善鐵心接縫與組裝方式：：：：盡量減少鐵心的接縫並縮減接縫間細；將鐵心疊積

方式改用階梯搭接，對改善變壓器噪音有很大的效果。

降低鐵心之磁通密度降低鐵心之磁通密度降低鐵心之磁通密度降低鐵心之磁通密度：：：：降低鐵心之磁通密度雖然可降低變壓器噪音，但因而需

增加鐵心的截面積，導致變壓器重量增加而抵銷降噪音的效果，也使變壓器成

本增加，故降低鐵心之磁通密度以 80％降幅為限。

使鐵心束縛力均勻化使鐵心束縛力均勻化使鐵心束縛力均勻化使鐵心束縛力均勻化：：：：在組裝鐵心過程中，勿使鐵心承受到局部性應力而發生

特性劣化，使用束縛帶束緊鐵心時，宜使各部位的束縛力均勻化。

以黏著劑真空含浸以黏著劑真空含浸以黏著劑真空含浸以黏著劑真空含浸：：：：一般變壓器於於捲製過程中若張力調整不當，或熱處理不

當，導致矽鋼片鬆弛而增加噪音。欲獲得超靜音產品，除加工過程必須嚴加管

控外，應於鐵心捲製完成後即單獨將鐵心放入凡立水槽內真空含浸，繞組完成

後若有必要可再度以凡立水真空含浸一次，如此可以確保萬無一失。

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當電力系統中大型負載變動時，會產生電力諧波、電壓閃爍、變壓器噪音

及變壓器溫升等諸多影響，嚴重影響電力品質，因此如何減少影響並找出

改善電力品質的因應對策，進而提供優質供應電力成為近年來重要的研究

主題之一。

結論結論結論結論

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