电压调整及使用电容器改善功率因数之探讨庄登吉

電壓調整及使用電容器改善功率因數之探討
莊登吉.林俊吉.鍾翼能
前言：
為使用電戶之電壓保持在容許之變動範圍內，減輕電力輸送損失，除了電力業者應致力於系統之電壓調整和功率因數之改善外，用戶端的積極配合更是良好供電品質的要務。

壹、電壓調整（Voltage Regulation）
(一) 電壓變動之原因
1. 線路上的電壓降：電流流經線路會因電阻、電感、電容之效應而產生壓降。

2. 頻率變化：系統頻率高低變化時，發電機輸出電壓亦隨之高低變化。

3. 負載變動：用戶的負載性質及大小隨時牽動線路之電壓。

4. 發電機功率因數之變化。

(二) 電壓調整之利益
1. 增進供電品質、提高用戶滿意度。

2. 減少系統設備容量，提高供電效率，降低線路損失，增加營運收入。

3. 電壓一定，與其他電路並聯方便。

4. 不致影響感應電動機、同步電動機、變壓器之運轉特性及壽命。

5. 穩定電子設備之發射能力、運用特性及延長使用年限。

6. 燈光無閃爍現象，不影響光度及壽命。

7. 穩定電熱器之熱量輸出、發熱時間及壽命，效率合乎標準，用電經濟。

(三) 電壓變動容許標準
電力業者實際上無法做到恆定的供電電壓，惟配電電壓應保持在一定的變動範圍內，才不致影響用戶用電器具之正常使用。

依台灣電力公司所定之容許電壓變動標準如下：
註：1. 標準範圍：用戶設備之運用
可獲最滿意結果之電壓變動範圍。

2. 容許限度：無法維持供電電
壓於標準範圍，但能保持在容許限度
以內，使用戶設備仍可有相當合理之
使用效果。

3. 非常供電：當線路發生事
故、改修等特殊狀況下得作非常供電，但需儘速改善。

(四) 電壓調整之方法
1. 變壓器分接頭之選定：變電所主變壓器及配電電壓器，視一次側電壓值來選定適當分接頭，提高二次側電壓。

2. 有載分接頭切換裝置之變壓器：變電所主變壓器常使用O.L.T.C之變壓器，可隨負載之變動改善電壓，調整幅度約±10％。

3. 感應電壓調整器：在變電所或線路上裝設，利用一次及二次繞阻位置之不同來變更感應電壓以補償線路壓降，調整幅度約±5％~±10％。

4. 固定式昇壓器：配電線路上裝置普通變壓器，提高一定的電壓。

5. 並聯電容器：在變電所或配電線路或用戶端裝設電容器，能抵消無效電力，提高功率因數、改善電壓降。

6. 串聯電容器：在配電線路上串聯電容器以補償線路電感抗，改善電壓降，防止諧波電流。

貳、功率因數改善（Power Factor Improvement）
(一) 功率因數的定義
交流電力可分為有效電流及無效電流，兩種電流的向量互成直角而與系統供應之總電流成一直角三角形，其關係為：
（總電流）2＝（有效電流）2＋（無效電流）2
或（視在電力）2＝（有效電力）2＋（無效電力）2
一般而言，電感性無效電力其功率因數“滯後”，而電容性無效電力其功率因數“超前”，白熾燈及電熱器之功率因數不超前也不滯後。

電力系統的負載，其有效電力及無效電力均由發電機供給，但無效電力的輸送需要較高的電壓，增加線路之電力損失，佔用系統容量，造成系統營運、維護運轉損失。

所以最好在靠近負載處供給無效電力，提高功率因數，以減少系統供應之無效電力，在配電系統裡幾乎均使用電容器來改善功率因數。

(二) 電容器之基本原理
以兩片互相平行的金屬片，中間以空氣或其他絕緣材料相隔，金屬片的一端接電池的正極，另一端接負極，通電後金屬片上能儲存電荷。

這種儲存電荷的裝置即為電容器，電容器的容量單位為法拉，以公式表示為：
C＝Ｑ／Ｖ
C＝電容器之容量（法拉）
Q＝金屬片上儲存的電荷（庫侖）
V＝金屬片間之電壓（伏特）
或Ｃ＝ＫＡ／Ｌ
Ｋ＝金屬片間絕緣物之介質常數（法拉／公尺）
Ａ＝金屬片的面積（平方公尺）
Ｌ＝金屬片間的距離（公尺）
電極的面積越大，兩極間的距離越小，介質常數越高則電容器之容量越大。

高壓系統的電容器以仟乏（KVAR ）為單位，低壓電容器以微法拉為單位，其關係如下： KVAR ＝Ｖ2 2πfc （10-6）／1000
Ｖ＝額定電壓（V ）
ｆ＝電力系統的頻率（HZ ）
Ｃ＝電容量（μf ）
(三) 電容器的額定、標準
電容器有單相及三相兩種，三相電容器接線較為方便，單相電容器則是運用較靈活，電力系統使用之電容器容量較大，由多個單相電容器組成。

電容器的KVAR 容器誤差為＋15%-0%，電容器運轉時的損失，在額定電壓、額定頻率、25℃時，紙電容器每ＫＶＡＲ約３Ｗ，而Ｐ.Ｐ.薄膜電容器約0.2W 。

電容器允許運轉電壓為額定電壓的110%，在緊急時可在較高電壓下短時間運轉，其最大運轉容量不得超過額定容量的135%。

(四) 防止電容器事故之對策
1. 電容器應選用較高一級之耐壓等級。

2. 電容器之單位電容，採用多段式控制，來降低容量單位。

3. 防止諧波電流，在電容器前串聯電抗器，可改善諧波，但達到諧波共振頻率的時候，會發生較高之不正常電壓而影響電容器。

4. 電容器裝有APFQ 控制時，所用之電磁開關（MS ）應採用專用型，因電容器投入及切離動作會因負載之不固定而發生電流隨之變化頻繁，其衍生之電弧在接觸點處較易損毀。

5. 注意周邊溫度在35℃為最佳，電容器間以相互得持5公分以上為宜。

6.
依屋內線裝置規則設備接地，以設備中不帶電之金屬部份與大地以導線相連接，目的為
7. 過電流保護器
如圖三所示如果低壓電容器裝設於器具之過載保護設備的負載側時免再裝設過載保護 如圖四所電容器組應裝設過電流保護器，其額定值為設電容器設定電流之1.35倍為佳。

8.放電設備
不份低壓或高壓之電容器組，都要附裝放電設備，假如電容器（組）直接裝於變壓容或電動
機（負載）線路上的過電流保護器之負載側，中間不加過載保護及啟斷開關時，可視為適當之放電設備，則免再裝設放電設備。

當停電或是開啟時，電容器的殘餘電荷而能自動釋放出來。

APFQ設於變壓器的二次側（正常一般設定為0.95Lagging）利用APFQ來管理電容器投入的段數（容量大小）來計償無效功率。

但APFQ位於TR之後來能補償到變壓器損耗之無效功率，故採用一組直接投入為原則（電容器容量大小按TR容量來檢討之）。

(五) 電容器裝置原則與方式
1. 電容器裝設位置應儘量靠近負載側。

2. 裝於低壓側時，對用電容量較大的設備，以裝設於欲改善功率因數之機器處，效果較好，至於零星設備，以裝設於低壓配電盤母線，較為有利。

3. 裝於高壓側時，應集中裝於變電高壓站高壓母線上，惟對裝置地點之電源端較具效益。

4. 裝於高低壓側時，對功率因數較差的負載及高壓電動機需個別裝設，而其他負載則集中裝於高壓電路上。

5. 低壓感應電動機以裝設於操作器負載側，且須能與該電動機同時啟閉電源為宜。

6. 裝置電容器以能提高功率因數到95％為原則。

(六) 改善功率因數的效益
1. 減少線路電流：負載電流的有效電流為一定，裝置電容器後減少了無效電流，使總電流減少。

2. 改善電壓：並聯電容器減少線路電流，則也減少線路之壓降，使得電壓升高，負載端的電壓升高與電容器電流大小及線路之電抗成正比。

3. 減少線路電力損失：電力損失可分為有效電力I2 R及無效電力I2 X，裝置電容器後減少無效電流，所以可減少無效電流所產生之電力損失。

4. 增加系統容量：並聯電容器後補償了系統供應的無效電流，使得總電流可以減少，所以在系統容量固定之下，改善功率因數可增加負載量，也就是說無形中增加了系統之容量。

自動讀表功能及效益
莊登吉.李柏輝.鍾翼能
摘要
本文介紹之自動讀表功能係屬試辦性質，主要目的在探討各種情況之讀表技術、負載管理之直接負載控制等功能之可行性研究，其方式是於控制中心利用電話線路作傳輸媒介，以蒐集電業之用電指數、電表竊電、電表故障之資料，並透過電話線控制用戶端末單元，使空調設備暫停以達負載管理之目的。

前言
傳統電業市場多為獨佔或寡佔市場，電業體制多為發、輸、配、售電業垂直整合型式，長期
以來因電業市場缺乏競爭，面臨經營績效提升之瓶頸。

1980年代，電業改革已蔚為全球電力市場之發展趨勢，在供給端提高電業管理面的經營績效與服務品質，刺激技術面高效率發電技術的研發革新，以反應合理電價、提升服務品質。

在需求端透過負載管理，落實節約用電或轉移用電型態，以達到改變電力需求時間的分佈。

負載特性分析
94年台灣電力系統尖峰負載為30,943千瓩，離峰負載為20,450千瓩，二者比例為1：0.66，與10年前之1：0.61相較，離峰負載佔比有上升的趨勢。

住宅用戶主要負載特性為用戶數多、用電量少、有明顯的季節用電習性，主要用電設備為冷氣、照明、抽水馬達及家電設備。

商業用戶主要負載特性為用電時間主要集中在白天、屬於連續規則性用電型態、夏季冷氣負載造成系統尖峰負載，主要用電設備以冷氣及照明為主。

工業用戶主要負載特性為製程形成各種不同的用電型態、電力臨時中斷影響大、季節性用電變化隨不同產業而不同，用電之成長率與經濟景氣有關。

負載管理
「負載管理」是電力公司利用有效的鼓勵和誘導措施以及適宜的運作方式，與用戶共同協力提高終端用戶用電效率、改變用電方式以減少電能(kwh)的消耗和抑低電力(kw)的需求所進行的管理活動。

目的在均衡系統負載，提高發電設備利用率及減少不必要之電能消耗。

包括推廣廠商設置汽電共生設備、推廣節約用電或調整用電時段之策略，以改善用戶的負載型態、縮短尖離峰差距、提高能源使用效率。

為了解用戶即時之用電狀況，以達負載管理目的，進行讀表技術、負載管理之直接負載控制等功能之可行性研究，以實例說明如下：
一、系統架構：
系統組合：含自動讀表工作站（控制主站）、集訊器（DCU）、
用戶端末單元（CTU）及；低壓ＡＭＲ及直接負載控制（DLC）
利用CTU作為DAS與電表間之電子介面，並利用DCU以收
集CTU資料或發送直接負載控制信號；高壓ＡＭＲ及負載
管理（LM）利用CTU作為DAS與電表間之電子介面，直接
收集CTU資料或發送負載管理信號。

自動讀表工作站：安裝於配電自動化控制中心，利用CTU或DCU讀表，同時蒐集與儲存電表故障資料，可自動或依調度員要求將讀表清單資料下傳至每一DCU或CTU。

集訊器（DCU）：用於低壓AMR及DLC，安裝於配電變壓器二次側處，支援DAS主站與低壓用戶CTU間所有AMR之通訊，當作DAS主站的副主站，由CTU取得資料、發出控制指令給CTU 並將結果回報主站，DCU應以微電瑙為基礎，其內部邏輯植基於永久性記憶體，DCU應能依據預定的狀況自動再啟動，不需主站之介入即能啟始內部邏輯並執行各種DCU之功能。

用戶端末單元（CTU）：CTU安裝於各用戶處，CTU應能夠支援AMR、LM及TLS，並作為主站或其DCU的附屬單元；CTU由用戶電表及其他設備取得資料，或發出控制指令給用戶電表及其他設備，並將結果回報給主站或DCU；CTU須具備適當的儲存能力以執行其功能，並能避免資
料的流失，CTU須可(1)傳送瓦時、乏時、時間電價、可停電力用戶、汽電共生用戶、及需量電力資料；(2)接收、顯示與列印即時電價資訊；(3)接收直接負載控制信號及執行所需之控制；(4)接收及通告降載信號；可使用戶瞭解時間電價資訊及降載訊號；(5)傳送變壓器負載監測資料。

通訊媒體：本案計有電話線、電話專線（數據專線）、及電力載波三種通訊媒體。

●電話線（公司申裝）：主站至可停電力、即時時間電價、直接負載控制及自願降載等用戶之CTU，採本公司向電信公司申裝之電話線做為雙向通訊頻道，控制、監視用戶負載及讀取用電資料。

●電話線（用戶借用）：主站至高壓用戶、汽電共生用戶及備用電力等用戶之CTU，採向用戶借用之電話線做為通訊頻道以撥入方式讀表。

●電話專線（數據專線）：主站至DCU間之通訊利用向電信公司申裝之專用電話線。

●電力載波：DCU至低壓用戶CTU間之通訊利用配電線載波雙向通訊。

四、負載管理：
●負載管理之主要功能具備控制、監視用戶負載並計算電費。

主要實施項目有下列三項：
●即時時間電價（RTP）：
LM應傳送RTP時程給參加之用戶，內容包括：傳送之日期時間、24小時內每小時之需量與用電價格；LM讀取負載資料之時間間隔可定期或依調度員要求。

●直接負載控制（DLC）：
DLC是由調度員送出「入／切」指令以控制用戶之中央空調、箱型及窗型冷氣機；調度員輸入降載總量，由LM公平適當的分配於參加之用戶。

●自願降載（VLR）：
依調度員要求，由LM發出降載信號給自願參加用戶；在用戶處之CTU將產生聽覺與視覺警告，並由用戶自行降載。

五、變壓器負載監測：（主辦單位為維護課，本課將協助提供相關資料）
ＴＬＳ將收集參與AMR低壓用戶之資料、時間戳記，並加以儲存。

ＴＬＳ將計算每一時段內用戶、變壓器及饋線每相之ＫＷＨ讀數、時間戳記並加以儲存，俾利以後之擷取與分析之用。

ＴＬＳ檔案儲存資料至少保存一年以供比較分析。

績效：
一、可進行用戶端供電品質與停電偵測。

二、可免於打擾用戶即可精確取得用電資料。

三、用戶對用電有疑義時，可提供即時用電情形，供用戶參考。

四、未來可將系統擴展，利用既有之通訊裝置適時將供電訊息及用電資訊傳遞至用戶端。

五、配合實施時間電價之負載管理及取得用戶即時之用電資料，以進行負載特性分析，供市場策略之參考。

六、降低抄表成本外，並可解決偏遠地區不便抄表的難題。

七、可大規模實施直接負載控制、即時時間電價及自願降載等以抑制尖峰用電量之負載管
理。

六、專有名詞說明：
AMR：自動讀表（Automatic Meter Reading）
CTU ：用戶終端單元（Customer Terminal Unit）
DCU ：資料集訊器單元（Data Concentrator Unit）
DLC ：直接負載控制（Direct Load Control）
DAS ：配電自動化系統（Distribution Automation System）LM ：負載管理（Load Management）
PLC ：電力載波（Power Line Carrier）
RTP ：即時時間電價（Real Time Pricing）
TLS ：變壓器負載監測（Transformer Load Survey）
VLR ：自願降載（Voluntary Load Reduction）
高雄辦事處與嘉義辦事處結盟兄弟會16週年合影。

高雄辦事處第15屆第10次委員會議自強活動。