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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:李楷元
研究生(外文):Kai-Yuan Lee
論文名稱:台灣高鐵電力系統之雷突波模擬
論文名稱(外文):Lightning Surge Simulation for Taiwan High-Speed Railway Power System
指導教授:陳士麟陳士麟引用關係
指導教授(外文):Shi-Lin Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:127
中文關鍵詞:基本雷突波絕緣等級基本開關突波絕緣等級截尾波耐受能力波前耐受能力臨界閃絡電壓短時過電壓接地故障因數最大連續運轉電壓
外文關鍵詞:Basic Lightning Impulse Insulation LevelBasic Switching Impulse Insulation LevelChopped Wave WithstandFront of Wave WithstandCritical FlashOver voltageTemporary OverVoltageEarthing Fault FactorMaximum Continuous Operating Voltage
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台灣高速鐵路全線長340公里,由北到南共設置七個主變電站。每座主變電站皆由台電的161kV變電所匯流排以三相雙回路供電,並經史考特型主變壓器將三相電力轉換為2×27.5kV、60Hz的單相電力饋至電車線,再由動力車以集電弓擷取接觸線與軌道間的27.5kV電力供列車使用。因此,台灣高速鐵路電力系統的161kV部份為台電的多重接地系統,但其主變壓器採史考特連接之中性點不接地,與一般國內161kV工廠的Y接中性點接地的主變壓器不同。此外,屬於電車線系統的自耦變壓器之中性點係直接接地,此亦與日本新幹線不同,新幹線的自耦變壓器中性點係透過保護間隙接地。
基於上述理由,本論文根據相關數據及假設條件,分析模擬台灣高速鐵路電力系統可能發生的過電壓現象。對於雷擊突波進行電磁暫態程式模擬,本論文說明模型方法、模型參數與模擬結果,依據模擬結果,討論其特性,並檢視台灣高鐵系統的絕緣協調情況是否合乎標準。
目前,台灣高鐵尚在規劃興建階段,將採用的電力系統設計亦在調整當中。本論文僅根據所收集到的有限數據,進行模擬分析,以期提供高鐵公司參考。
本論文蒐集整理絕緣協調的相關著作,有系統地討論短時、開關突波及雷突波等過電壓現象,並首次為台灣高速鐵路電車線系統建立感應雷突波下的等效模型,更為雙端不接地電源建立電磁暫態程式模型,具有學術創新的意義。
From north to south, the length of the operation route of Taiwan High Speed Railway (THSR) which has seven power substations is about 340 km. Every substation is supplied by TPC’s 161kV buses via three-phase double-circuit transmission lines. By Scott main transformer, the three-phase power is transferred to two single-phase power (2×27.5kV、60Hz) and then fed to the catenary system. Although the electrical system of Shinkansen Sysyem (SKS) is adopted by THSR, there are some differences between them. For example, the midpoints of autotransformers in THSR are directly grounded compared to SKS ones which are grounded via protection gaps.
Due to the above reason, the thesis analyzes and simulates the overvoltage phenomenon which may happen in the power system of THSR according to the relative data and assumptions. As for using ElectroMagnetic Transient Program (EMTP) to simulate the lightning surge, the thesis explains the modeling methods, parameters and the simulation results. Finally the thesis discusses the characteristics of overvoltage and evaluates the insulation coordination conditions of THSR according to simulation results.
At the present time, the adopted power system configuration of THSR is still in planning and construction phase. In order to provide a reference to THSR, the thesis analyzes and simulates possible overvoltage phenomenon according to the limited information we have.
Besides all above, the thesis systematically discusses overvoltage phenomenon including Temporary OverVoltage (TOV), Switching OverVoltage (SOV) and Lightning OverVoltage (LOV) on the basis of gathered information and publications. A new way for modeling the two-terminal-ungrounded voltage source to simulate the lightning induced voltage by EMTP is also presented, which contributes to the EMTP modeling technique.
目錄
中文摘要………………………………………………………………………………Ⅰ
英文摘要………………………………………………………………………Ⅱ
誌謝……………………………………………………………………………Ⅲ
目錄……………………………………………………………………………Ⅳ
圖目錄…………………………………………………………………………Ⅸ
表目錄. ……………………………………………………………………ⅩⅡ
中英文專有名詞索引………………………………………………………ⅩⅣ
第一章 續論…………………………………………………………………1
1.1 研究動機及目的…………………………………………………………1
1.2 國內外研究概況…………………………………………………………2
1.3 研究內容及成果…………………………………………………………2
1.4 各章重點…………………………………………………………………3
第二章 絕緣協調………………………………………………………………4
2.1 前言………………………………………………………………………4
2.2 設備絕緣強度……………………………………………………………4
2.2.1 內部絕緣與外部絕緣…………………………………………………4
2.2.2 定值型絕緣強度與機率型絕緣強度…………………………………5
2.2.3 可自我恢復絕緣與不可自我恢復絕緣………………………………5
2.2.4 變壓器的各項絕緣強度定義…………………………………………5
2.2.5 礙子的各項絕緣強度定義……………………………………………7
2.3 過電壓應力………………………………………………………………8
2.3.1 短時過電壓……………………………………………………………9
2.3.2 開關突波過電壓……………………………………………………11
2.3.3 雷突波過電壓………………………………………………………13
2.4 氧化鋅避雷器…………………………………………………………16
2.4.1 氧化鋅避雷器特色…………………………………………………17
2.4.2 最大連續運轉電壓…………………………………………………18
2.4.3 額定電壓……………………………………………………………18
2.4.4 最大波前保護準位…………………………………………………19
2.4.5 最大雷擊突波保護準位……………………………………………19
2.4.6 最大開關突波保護準位……………………………………………20
2.4.7 能量吸收能力………………………………………………………20
2.4.8 洩壓能力……………………………………………………………20
2.5 避雷器選定程序與絕緣協調…………………………………………21
2.5.1 絕緣協調定義………………………………………………………21
2.5.2 絕緣協調曲線或電壓時間曲線……………………………………22
2.5.3 保護比及保護裕度…………………………………………………23
2.5.4 距離效應與有效保護準位…………………………………………25
2.5.5 避雷器選定程序與絕緣協調………………………………………27
第三章 台灣高鐵供電系統…………………………………………………29
3.1 前言………………………………………………………………………29
3.2 台灣高鐵主變電站一次側供電網路……………………………………29
3.2.1 台電161kV變電所及161kV架空輸電線路…………………………31
3.2.2 電纜連接站…………………………………………………………32
3.2.3 161kV電纜……………………………………………………………32
3.2.4 161kV氣封式變電站…………………………………………………33
3.3 台灣高鐵主變電站:兩相式變電站…………………………………33
3.4 電車線供電系統………………………………………………………35
3.4.1 電車線系統…………………………………………………………35
3.4.2 自耦變壓器饋電方式下的負載電流分佈…………………………42
第四章 台灣高鐵主變電站雷擊突波之模擬………………………………44
4.1 前言……………………………………………………………………44
4.2 主變壓器相對機殼短路故障造成的主變電站之地電位湧昇………44
4.3 單相接地故障與避雷器額定電壓之選擇……………………………45
4.4 開關突波分析與避雷器的額定能量選擇……………………………47
4.5 161kV架空輸電線雷擊事故模擬………………………………………49
4.5.1 模型說明………………………………………………………………50
4.5.2 模擬結果……………………………………………………………55
4.5.3 主變壓器的雷擊突波保護裕度檢視………………………………57
第五章 電車線雷擊突波之模擬……………………………………………68
5.1 前言……………………………………………………………………68
5.2 短時過電壓或持續性過電壓…………………………………………68
5.2.1 接觸線接地故障的電位上昇………………………………………68
5.2.2 佛倫第效應…………………………………………………………70
5.2.3 串聯共振過電壓……………………………………………………71
5.3 開關突波過電壓………………………………………………………73
5.3.1 斷路器的再襲電壓…………………………………………………73
5.3.2 啟斷無載變壓器激磁電流造成變壓器端點的開關突波…………74
5.4 電車線感應雷突波之模擬……………………………………………77
5.4.1 感應雷模型…………………………………………………………77
5.4.2 接觸線、負饋線及保護線之模型…………………………………79
5.4.3 鋼軌模型…………………………………………………………… 81
5.4.4 變壓器模型…………………………………………………………81
5.4.5 電車線系統架構圖…………………………………………………84
5.4.6 整體模型……………………………………………………………85
5.4.7 模擬結果……………………………………………………………90
5.4.8 簡化模型及其模擬結果……………………………………………92
5.5 架空地線直擊雷事故模擬……………………………………………104
5.5.1 模型說明……………………………………………………………104
5.5.2 模擬結果分析………………………………………………………106
5.6 架空地線直擊雷與電車線感應雷共存之情況………………………110
第六章 結論及未來研究方向……………………………………………………111
6.1 結論……………………………………………………………………111
6.2 未來研究方向…………………………………………………………112
參考文獻……………………………………………………………………114
附錄A 電力系統元件之EMTP輸入格式……………………………………118
A.1 EMTP資料卡輸入順序…………………………………………………118
A.2 雜項資料卡……………………………………………………………118
A.2.1 浮點雜項資料卡……………………………………………………118
A.2.2 整數雜項資料卡……………………………………………………119
A.3 支路卡…………………………………………………………………119
A.3.1 無耦合,集總串聯RLC支路(TYPE 0 支路)……………………119
A.3.2 分佈參數支路(TYPE -N 支路)…………………………………120
A.3.3 避雷器VI特性:片段線性支路(TYPE 92 支路;4444)………121
A.4 開關卡…………………………………………………………………122
A.4.1 時間控制開關………………………………………………………122
A.5 電源卡…………………………………………………………………123
A.5.1 雷電流函數:TYPE 13三角波函數………………………………123
A.5.2 電源函數:TYPE 14弦波函數……………………………………124
A.5.3 感應雷電壓函數:TYPE 11步級函數……………………………124
A.6 節點電壓輸出指定卡…………………………………………………125
附錄B 避雷器(ZnO L.A.)保護特性……………………………………126
圖目錄
圖2.1 根據 及 值決定接地故障因數 (%)……………………………10
圖2.2 161kV系統開關突波及避雷器………………………………………12
圖2.3 直擊雷附近線路的感應雷突波……………………………………13
圖2.4 雷雲間放電所造成的感應雷突波…………………………………14
圖2.5 逆閃絡過電壓及屏蔽失敗過電壓的雷擊點示意圖………………15
圖2.6 串聯間隙及特性元件………………………………………………17
圖2.7 過電壓保護示意圖…………………………………………………21
圖2.8 絕緣協調圖:電壓-時間曲線(Volt-Time Curve)……………22
圖2.9 避雷器引線接法……………………………………………………26
圖2.10 避雷器選定流程……………………………………………………27
圖3.1 台電變電所與高鐵變電站的並聯關係……………………………30
圖3.2 常見的特高壓用戶161kV系統架構圖………………………………31
圖3.3 相位開關……………………………………………………………34
圖3.4 史考特連接型主變壓器……………………………………………34
圖3.5 高鐵的2*27.5kV配合自耦變壓器供電……………………………34
圖3.6 台灣高鐵架空地線之沿線接地架構………………………………37
圖3.7 保護線連接狀況……………………………………………………38
圖3.8 保護線在空曠區間的閃絡保護方式………………………………39
圖3.9 電車線架構…………………………………………………………39
圖3.10 在自耦變壓饋電方式下的電車線負載電流分佈…………………42
圖4.1 161kV系統開關突波與避雷器吸收能量……………………………48
圖4.2 161kV架空輸電線雷擊事故模擬系統圖─架空線路部分…………51
圖4.3 161kV架空輸電線雷擊事故模擬系統圖─地下電纜部分…………51
圖4.4 主變電站逆閃絡雷擊事故模擬結果:直擊雷電流波形…………59
圖4.5 主變電站逆閃絡雷擊事故模擬結果:透過A相相線入侵主變電站的雷電流波形……………………………………………………………………59
圖4.6 主變電站逆閃絡雷擊事故模擬結果:透過架空地線入侵主變電站的雷電流波形…………………………………………………………………59
圖4.7 主變電站逆閃絡雷擊事故模擬結果:匯流排比壓器輸入端導線對地電壓…………………………………………………………………………60
圖4.8 主變電站逆閃絡雷擊事故模擬結果:主變壓壓器線對地電壓…62
圖4.9 主變電站逆閃絡雷擊事故模擬結果:GND11的接地電位湧昇……64
圖4.10 主變電站逆閃絡雷擊事故模擬結果:GND11-13的接地電位差…66
圖5.1 單相接地故障下,非接地系統之健全相對地電壓上升…………69
圖5.2 忽略線路電阻下,長距離輸電線路的等效電路…………………70
圖5.3 忽略線路電阻下,長距離輸電線路的相量圖……………………70
圖5.4 考慮線路電阻下,長距離輸電線路的等效電路…………………70
圖5.5 忽略線路電阻下,長距離輸電線路的相量圖……………………71
圖5.6 RLC串聯電路…………………………………………………………71
圖5.7 串聯共振時的電感電壓及電容電壓(品質因數Q=10)…………72
圖5.8 計算斷路器再襲電壓的等效電路…………………………………73
圖5.9 斷路器啟斷無載變壓器激磁電流的等效電路圖…………………75
圖5.10 以四條直線段近似的感應電壓波形………………………………78
圖5.11 任一電壓源的近似等效電路………………………………………78
圖5.12 電壓源串聯電阻的諾頓等效電路…………………………………79
圖5.13 單電流源並聯電阻以雙接地電流源的Π型電路等效……………79
圖5.14 鋼軌的阻抗搭接器…………………………………………………81
圖5.15 高頻下的變壓器等效模型…………………………………………81
圖5.16 高鐵的自耦變壓器接線及對雷突波等效電容……………………82
圖5.17 電車線系統架構圖…………………………………………………84
圖5.18 電車線感應雷突波模擬之整體模型………………………………85
圖5.19 與圖5.18模型相對應之簡化模型…………………………………92
圖5.20 AT1上半部繞阻電壓波形…………………………………………95
圖5.21 AT1下半部繞阻電壓波形…………………………………………96
圖5.22 AT2上半部繞阻電壓波形…………………………………………97
圖5.23 AT2下半部繞阻電壓波形…………………………………………98
圖5.24 AT3上半部繞阻電壓波形…………………………………………99
圖5.25 AT3下半部繞阻電壓波形…………………………………………100
圖5.26 AT2中性點對地電壓波形…………………………………………101
圖5.27 AT2(南下)上半部繞阻電壓波形………………………………102
圖5.28 AT2(南下)下半部繞阻電壓波形………………………………103
圖5.29 架空地線直擊雷模擬之整體模型架構…………………………105
圖5.30 GW1點對地電壓波形………………………………………………107
圖5.31 GW2點對地電壓波形………………………………………………108
圖5.32 GW3點對地電壓波形………………………………………………109
表目錄
表2.1 不同電壓等級電力變壓器的各項絕緣能力…………………………6
表2.2 接地故障因數 計算實例……………………………………………10
表2.3 避雷器的IV資料……………………………………………………12
表2.4 保護裕度建議值(考慮有效保護準位)…………………………24
表2.5 圖2.8之液體絕緣變壓器的各項保護裕度…………………………24
表3.1 高鐵主變電站的電源引接線型式及公里數………………………30
表3.2 懸垂線吊架式的各類吊架方式……………………………………35
表3.3 電車線系統中各種導線的材質與截面積…………………………40
表3.4 台灣高鐵沿線的P點及SP點…………………………………………41
表4.1 144kV避雷器的短時過電壓能力……………………………………46
表4.2 144kV避雷器的開關突波IV參數……………………………………48
表4.3 圖4.2及圖4.3中各支路所使用的模型……………………………52
表4.4 建立圖4.2模型所依據的模型參數值………………………………53
表4.5 建立圖4.3模型所依據的模型參數值………………………………54
表4.6 逆閃絡雷擊事故模擬結果…………………………………………56
表4.7 主變壓器的雷擊突波保護裕度……………………………………58
表5.1 電車線系統的避雷器參數…………………………………………69
表5.2 接觸線、負饋線及保護線的線路常數……………………………80
表5.3 變壓器基本雷突波絕緣等級與突波電容常數A、B的關係………82
表5.4 圖5.18中各支路所採用的模型……………………………………86
表5.5 圖5.18中各節點對地所採用的模型………………………………88
表5.6 電車線感應雷模擬結果……………………………………………91
表5.7 電車線感應雷模擬結果(簡化模型)……………………………93
表5.8 架空地線參數………………………………………………………105
表5.9 架空地線直擊雷事故模擬結果……………………………………106
[1] 蔡坤河,壹765kV系統雷擊突波之數位模擬,清大電機工程研究所碩士論文,71年5月。
[2] 陳南鳴、顏世雄、楊金石,雷擊突波對數位電驛的影響,台灣電力公司委託合作研究計畫期末報告,80年12月。
[3] 周至如、吳譯辯,接地系統雷突波特性及其影響研究,第二十屆電力工程研討會,第1270-1274頁。
[4] S. Yokoyama, K. Miyake, and S. Fukui, “Advance Observations of Lightning Induced Voltage on Power Distribution Lines(Ⅱ)”, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 4, No. 4, October 1989, pp. 2196-2203.
[5] F. E. Menter, and L. Grcev, “EMTP-Based Model for Grounding System Analysis”, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol.9 No. 4,October 1994, pp. 1838-1849.
[6] M. Ramamoorty, M. M. Babu Narayanan, S. Parameswaran and D. Mukhedkar, “Transient Performance of Ground Grid”, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 4, 1989, pp. 2053-2059.
[7] H. W. Dommel and I. I. Dommel, “Transient Program User’s Mannual”, University of British Columbia, 1976, Revised, 1986.
[8] T. H. Lee, Surge, Insulation Coordination and Arrester Selection for NBEPC 230 and 345kV System, Lecture Notes, A Lecture presented at Taipower, Aug. 18, 1992.
[9] 陳耀賓,絕緣協調與避雷器,研討會講義,台灣愛波比公司主辦,90年。
[10] 安食浩司,軌道電氣環境技術研討會論文集,電力鐵路系統絕緣協調及電力鐵路系統異常電壓、雷害及鹽害,89年9月18、19日,第45-78頁。
[11] 持永芳文,軌道電氣環境技術研討會論文集,交流電力鐵路供電方式概要及電力鐵路接地系統89年9月18、19日,第1-44頁。
[12] 陳大岡,「GIS雷擊突波過電壓保護解析」,電機月刊,第11卷,第9期,90年9月,第199-213頁。
[13] 周至如,「161kV高科技工廠接地問題檢討與改善對策」,電機月刊,第11卷,第11期,90年11月,第238-257頁。
[14] 劉遠芬,木柵機廠雷擊,清大電機工程研究所碩士論文,90年5月。
[15] Insulation Coordination, Electrical Engineering Guide(EEG-17),A Report of Gibbs & Hill, Nov. 1976, Revision 1, Feb. 1980.
[16] 薛小生、黃郁東,工業配電,第十章系統過電壓保護,第10.2.2節進行波,大中國圖書公司,第18版,84年出版,第379-380頁。
[17] D. K. Cheng, Chapter 3, Section 10, Capacitance and Capacitors, in Field and Wave Electromagnetics, 2nd ed., Addison-Wesley, pp. 121-125.
[18] 持永芳文,牽引電力系統之問題與對策,國際高速鐵路技術研討會論文集,第A1~A3章,第1-01~1-64頁,87年12月10、11日。
[19] 席寶祥,穩態運轉下高速鐵路牽引電力系統之分析與設計,清大電機系博士論文,87年6月。
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[23] 台灣鐵路管理局幹線電化電務工程報告(上冊),第貳章電車線工程,第2-2節技術規範之制定,台灣鐵路管理局編印, 68年11月,第82-91頁。
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[25] CIGRE WG 33.10 & IEEE Task Force on TOV, Temporary Overvoltages:Causes, Effects, and Evaluation, CIGRE 33-210, 1990 Session.
[26] R. Klaus, Surges in High-Voltage Network, Plenum Press, 1980.
[27] The Principles and Practice of Insulation Co-ordination, CAN3-C308-M85, CSA, 178 Rexdale Boul., Rexdale, Ontario, CANADA, 1985.
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[29] S. Rusck, “Induced Lightning Over-Voltages on Power Transmission Lines with Special Reference to The Overvoltage Protection of Low Voltage Networks”, Trans. of Royal Institute of Technology, No. 120, Stockholm, Sweden, 1985.
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[33] 日本新幹線公司傳真資料(電車線),91年2月15日。
[34] 持永芳文,手寫資料,91年4月27日於台北市公務人力發展中心。
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