臺灣博碩士論文加值系統

鐵磁共振是一種複雜的電力現象，屬於非線性的共振，起因於變壓器或比壓器鐵心元件的飽和效應。當非線性電感變化與迴路電容匹配時，便會產生共振。如未及時排除共振現象，將造成電力系統中持續性的過電壓、過電流，使得設備的溫度升高與絕緣破壞，最終造成設備的損壞，並嚴重危害人員的安全。因此，深入探討鐵磁共振發生的原因與情形，目的就是為了消除鐵磁共振的發生，降低電力系統運轉的風險。
台電甲變電所161kV氣封絕緣開關設備(Gas Insulated Switchgear, GIS)所發生的比壓器鐵磁共振現象，造成比壓器燒損及間隔器破損。除了設備損壞的財物損失之外，也降低了電力系統的供電品質。本文利用電磁暫態程式(Electromagnetic Transients Program, EMTP)，依據GIS設備參數建立電磁暫態模型，以事故時的操作程序進行模擬，模擬的結果確認GIS比壓器發生鐵磁共振現象；本文提出藉由移除斷路器極間電容、改變GIS操作程序及改變比壓器二次側阻尼電抗器的串聯電阻值等三種作法，探討改善消除鐵磁共振，經分別模擬的結果證實，透過適當的改變即可消除鐵磁共振現象，避免事故的發生，最後，提出具體建議供設備製造商、運轉及維護人員參考。

Ferroresonance, as a non-linear resonance, is a complex electrical phenomenon caused by the saturation effect of the core components in a transformer or a voltage transformer. If not removed immediately, resonance which occurs as the nonlinear inductance changes to match the circuit capacitance will result in sustained over voltage and over current in a power system. It may further trigger a rise in the temperature and impair insulation, severely damaging equipments and endangering the safety of related personnel. The major purpose of this research is therefore to eliminate the occurrence of ferroresonance via in-depth exploration of its causes and conditions so as to reduce the risk of power system operation.
A 161kV gas insulated switchgear (GIS) at a Taipower substation went through voltage transformer ferroresonance phenomenon, resulting in the voltage transformer burned and the spacer broken. Not only the equipment was damaged, the quality of power supply system was also impaired. In the thesis, the electromagnetic transients program (EMTP) is used to build an electromagnetic transients model based on the GIS-derived parameters. The same operational procedures during the accident are then adopted for simulation; the results confirm the occurrence of ferroresonance on the voltage transformer of GIS. For eliminating ferroresonance, the thesis proposes three methods, including: removing the grading capacitance of the circuit breaker, changing the GIS operational procedures, and modifying the series resistance of the damping reactor on the secondary side of the voltage transformer. Effectiveness of the proposed methods are verified by the results of separate simulations; appropriate changes do contribute to the elimination of ferroresonance and help prevent the occurenace of subsequent accidents and damages. Specific recommendations are then presented to provide reference for equipment manufacturers and operation and maintenance workers.

中文摘要 i
英文摘要 ii
誌 謝 iv
目 錄 v
表 目 錄 viii
圖 目 錄 ix
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究目的 2
1.3 文獻回顧 2
1.4 論文架構 7
第二章 氣封絕緣開關設備簡介 9
2.1 氣封絕緣開關設備組成元件 9
2.2 極間電容 14
第三章 鐵磁共振概述 15
3.1 線性共振 15
3.2 鐵心元件特性 19
3.2.1 飽和特性 20
3.2.2 磁滯現象 21
3.3 鐵磁共振 22
3.3.1 鐵磁共振的概念 22
3.3.2 鐵磁共振發生條件及可能造成的現象 24
3.3.3 鐵磁共振的特性 25
3.3.4 鐵磁共振的模式 27
3.4鐵磁共振實例 29
第四章 鐵磁共振分析 30
4.1 容易發生鐵磁共振的架構 30
4.1.1 斷路器的極間電容與比壓器 30
4.1.2 中性點絕緣系統與比壓器 31
4.1.3 單相或兩相激磁的變壓器 31
4.1.4 中性點絕緣系統之變壓器與比壓器 33
4.1.5 中性點經電抗器接地 34
4.1.6 引接低短路容量及高電容性系統之變壓器 35
4.2 鐵磁共振運轉點分析 36
4.3 系統參數變化對運轉點的影響 38
4.3.1 電壓源變化的影響 38
4.3.2 頻率變化的影響 39
4.3.3 電容變化的影響 40
4.4 消除鐵磁共振 41
4.4.1 原理 41
4.4.2 改變開關操作方式 42
4.4.3 判斷條件 43
4.4.4 抑制的方法 44
第五章 甲變電所161kV GIS電磁暫態模型 45
5.1 ATP/EMPT軟體簡介 45
5.1.1 ATP/EMPT發展歷史 46
5.1.2 ATPDraw簡介 47
5.2 甲變電所161kV系統架構 48
5.3 甲變電所161kV GIS電磁暫態模型建立 48
5.3.1 系統等效電源 49
5.3.2 電容 50
5.3.3 比壓器 51
5.3.4 阻尼電抗器 53
5.3.5 斷路器 54
5.3.6 電磁暫態模型建立 55
第六章 GIS電磁暫態模型模擬及分析 58
6.1 甲變電所GIS事故紀錄 58
6.2 甲變電所GIS事故模擬與分析 61
6.2.1 模擬事故發生 61
6.2.2 比壓器二次側負擔選用之比較 67
6.2.3 阻尼電抗器開路模擬 69
6.2.4 事故模擬結論 75
6.3 消除鐵磁共振之模擬與分析 76
6.3.1 極間電容的存在 76
6.3.2 操作程序的改變 78
6.3.3 阻尼電抗器電阻值的選用 81
6.4模擬結論 85
第七章 結論與未來研究方向 86
7.1 結論 86
7.2 未來研究方向 87
參考文獻 89
作者簡介 92

[1] 廖順安，急速暫態過電壓之特性分析與抑制，碩士論文，國立臺灣科技大學電機工程系，台北，2004。
[2] Ph. Ferracci, Cahier technique no 190 ferroresonance, Groupe Schneider, Mar. 1998.
[3] M. Val Escudero, I. Dudurych and M. Redfem, “Understanding ferroresonance,” Proceedings of the 39th International Universities Power Engineering Conference, Bristol, vol. 2, 6-8 Sept. 2004, pp. 1262-1266.
[4] M. Stosur, W. Piasecki, M. Florkowski and M. Fulczyk, “ATP/EMTP study of ferroresonance involving HV inductive VT and circuit breaker capacitance,” Electrical Power Quality and Utilisation, Journal vol. 14, no. 2, 2008, pp. 49-52.
[5] J.R. Marti and A.C. Soudack, “Ferroresonance in power systems: fundamental solutions,” Proceedings of the IEE Conference on Part C, Generation, Transmission and Distribution, vol. 138, Jul. 1991, pp. 321-329.
[6] B.P. Daay, “Ferroresonance destroys transformers,” Proceedings of the IEEE Southeastcon ''91 Conference, Williamsburg, vol. 1, 7-10 Apr. 1991, pp. 568–578.
[7] R.G. Ahdrei and B.R. Halley, “Voltage transformer ferroresonance from an energy transfer standpoint,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 4, no. 3, Jul. 1989, pp. 1773-1778.
[8] 寧家慶，電力系統非線性共振之研究，博士論文，國立中山大學電機工程學系，高雄，2005。
[9] ATPDraw users'' manual, version 3.5, Preliminary Release no. 1.1, Oct. 2002
[10] 社志葉，阮江軍，王偉剛，「應用MATLAB/SIMULINK仿真研究鐵磁諧振」，高電壓技術，第30卷，第09期，2004，第30-32頁。
[11] 陳聰榮，變壓器鐵磁共振之分析與模擬，碩士論文，逢甲大學資訊電機工程系碩士班，台中，2003。
[12] 張右龍，比壓器鐵磁共振之研究，碩士論文，逢甲大學資訊電機工程碩士在職專班，台中，2006。
[13] D.R. Sevcik and C.W. Fromen, Experiences with ferroresonance problems on EHV equipment, Houston Lighting & Power Company, Alington Texas, Sep. 1980.
[14] 石峰，「110~220 kV變電站空母線鐵磁諧振的分析」，湖南電力，第21卷，第1期，2001，第14-16頁。
[15] Y. Li, W. Shi, R. Qin and J. Yang, “A systematical method for suppressing ferroresonance at neutral-grounded substations,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 18, no. 3, Jul. 2003, pp. 1009-1014.
[16] 鄭沛昱，曾國雄，「161kV氣封絕緣開關設備比壓器鐵磁共振分析及抑制方法」，中華民國第29屆電力研討會，台南，2008，第933-938頁。
[17] 台灣電力公司供電處，變電設備維護手冊，2009。
[18] 阮柏村，以有限元素法分析GIS斷路器之啟斷特性及開關突波特性，碩士論文，中原大學電機工程學系，桃園，2004。
[19] 李宏任，實用保護電驛(修訂版)，台北：全華圖書股份有限公司，2007，第4-2 - 4-8頁。
[20] 李翔儒，應用斷路器電弧模型於斷路器啟斷之暫態行為分析，碩士論文，逢甲大學電機工程系，台中，2008。
[21] 孫樹威譯，電機機械Applying MATLAB，台北：美商麥格羅‧希爾國際出版公司，2002，第59-61頁。
[22] L.A. Neves and W. Dommel, “On modeling iron core nonlinearities,” IEEE Transactions on Power Systems, vol. 8, no. 2, May. 1993, pp. 417-425.
[23] J.D. Greene and C.A. Gross, “Nonlinear modeling of transformers,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 24, no. 3, May/Jun. 1988, pp. 434-438.

[24] 沈毅，陳水明，陳剛，高文輝，董華路，「由於斷路器並口電容引起的鐵磁諧振研究」，華北電力技術，第3期，2006，第7-10頁。
[25] N. Janssens and F. Van Meulebroeke, “Stability analysis of ferroresonant oscillations in networks with isolated neutral,” Proceedings of the 1995 First IEEE International Caracas Conference on Devices, Circuits and Systems, Dec. 1995, pp. 41-45.
[26] T. Short, J. Burke and R. Mancao, “Application of MOVs in the distribution environment,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 9, no. 1, Jan. 1994, pp. 293-305.
[27] C. Kieny, “Application of the bifurcation theory in studying and understanding the global behavior of a ferroresonant electric power circuit,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 6, no. 2, Apr. 1991, pp. 866-872.
[28] 張晉嘉，台南科學園區345kV系統鐵磁共振現象之研究，碩士論文，國立成功大學電機工程學系，台南，2006。
[29] M. Sanaye-Pasand, A. Rezaei-Zare, H. Mohseni, Sh. Farhangi and R. Iravani, “Comparison of performance of various ferroresonance suppressing methods in inductive and capacitive voltage transformers,” Proceedings of the IEEE International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems for Industrial Growth-2006, New Delhi, 2006, pp.8.
[30] http://www.emtp.org/
[31] 台灣電力公司98年第一期EMTP分析實務班課程講義。
[32] 台灣電力公司超高壓一次系統操作圖，電力調度處，Jan. 2010。