臺灣博碩士論文加值系統

電力系統上需要比流器將大電流轉換成小電流，才可直接利用儀表量測以及電驛保護偵測，當電力系統正常時比流器不至於發生磁飽和現象，但是當系統發生故障，因故障電流中直流偏移成份的存在會使得比流器的鐵心發生磁飽和之虞，將會導致鐵心的激磁電流迅速的增加，並且造成比流器二次側電流波形及振幅值的失真現象，使儀表產生量測誤差與電驛誤動作。
現場量測資料顯示，發現在同一個配電盤箱體內的比流器，距離箱體最近的比流器鐵心之表面溫度最高。至於鐵心電磁場的分佈，本篇論文擬利用有限元素法先就實際現場量測的資料做基準，再來就比流器在箱體的不同擺設位置，來分析比較比流器及箱體各部位的電磁場及溫度分佈，進一步瞭解電磁場值及溫度的相對關係，以確認比流器鐵心飽和的主要原因。

Current is need to change from high current to low current by current transformer(CT) in Power system, that meter can examine and relay can detect directly. When the power system is normal the iron-core of CT magnetism saturation phenomenon is unlikely. When faults occur on the power system. However, CT may saturation due to the malfunctions of power systems because of the property of iron-core of CT is non-linearity once CT had saturated, the exciting current of CT would be huge and the secondary current would be distorting.
The thesis draft finite element method to analyze. First reality locale measure results in base. Furthermore, unidentical seat of CT in distribution board compare and analyze electric field, magnetic field and temperature distributions within the device to understand relative relation of electric field, magnetic field and temperature to confirm the cause of iron-core of CT magnetism saturation.

誌謝....................................................................................i
摘要...................................................................................ii
Abstract............................................................................iii
目錄..................................................................................iv
圖目錄.............................................................................vii
表目錄........................…….................................................x
縮寫及符號對照表.............................................................xi
第一章 緒論......................................................................1
1.1 研究背景.....................................................................1
1.2 研究動機.....................................................................2
1.3 論文架構.....................................................................4
第二章 原理理論...............................................................5
2.1 時變電磁場理論與有限元素推導..................................5
2.1.1 時變電磁場方程式推導.....................................5
2.1.2 磁場有限元素推導............................................8
2.2 熱傳導理論與有限元素推導.......................................11
2.2.1 熱傳導理論支配方程式與電功率轉熱能方程式推導.............................................................................11
2.2.2 三維穩態熱傳有限元素方程式推導..................15
第三章 比流器及其外箱體模型之建構.............................18
3.1 比流器的規格............................................................18
3.2 分析模型之尺寸.........................................................19
3.3 有限元素分析模型之建立..........................................22
3.3.1 分析模組選定及模型外觀的建立.....................22
3.3.2 物理量設定及網格切割...................................26
3.3.3 求解及數據圖形輸出.......................................31
第四章 模擬結果分析......................................................33
4.1 現場實測資料............................................................33
4.2 比流器距離配電盤箱體3公分之模擬分析...................36
4.2.1 比流器距離配電盤箱體3公分之電磁感應模擬分析......................................................................41
4.2.2 比流器距離配電盤箱體3公分之熱傳導模擬分析......................................................................43
4.3 比流器距離配電盤箱體13公分之模擬分析.................53
4.3.1 比流器距離配電盤箱體13公分之電磁感應模擬分析......................................................................54
4.3.2 比流器距離配電盤箱體13公分之熱傳導模擬分..析......................................................................57
4.4 比流器距離配電盤箱體23公分之模擬分析.................60
4.4.1 比流器距離配電盤箱體23公分之電磁感應模擬分析......................................................................61
4.4.2 比流器距離配電盤箱體23公分之熱傳導模擬分析......................................................................64
第五章 結論與未來研究方向............................................68
5.1 結論...........................................................................68
5.2 未來研究方向............................................................70

參考文獻..........................................................................71
作者簡介..........................................................................72



圖目錄

圖1.1 台電161KV線路保護系統單線圖...............................3
圖2.1 區域Ω中的三角元素.............................................11
圖2.2 解析區域3維熱傳邊界之定義.................................14
圖2.3 四面體元素圖........................................................17
圖3.1 比流器電路圖........................................................19
圖3.2 比流器等效電路圖.................................................19
圖3.3 比流器之電流方向模擬示意圖...............................20
圖3.4 電熱耦合分析模擬流程圖......................................23
圖3.5 比流器及電力電纜的2維模型.................................24
圖3.6 比流器及電力電纜的3維模型.................................25
圖3.7 比流器外圍配電盤箱體的3維模型..........................25
圖3.8 外加邊界基準溫度箱體之3維模型..........................26
圖3.9 網格化後之3維模型...............................................30
圖3.10 有限元素3維立體結構建立分析模擬流程圖….......32
圖4.1 配電盤內比流器三相擺設位置...............................34
圖4.2 紅外線測溫槍量測比流器三相溫度值.....................35
圖4.3 比流器距離箱體3公分之2維模型............................38
圖4.4 預定分析部位之3維示意圖.....................................38
圖4.5 「直線1」之Z分量總電流密度...................................39
圖4.6 「直線1」之Z分量磁場分佈......................................39
圖4.7 「直線1」之Z分量磁通密度分佈...............................40
圖4.8 「直線1」之Y分量磁位能分佈...................................40
圖4.9 「直線1」之Z分量電場分佈......................................41
圖4.10 比流器距離箱體3公分邊界溫度3維模型...............44
圖4.11 比流器距離箱體3公分切面溫度3維模型...............44
圖4.12 比流器距離箱體3公分邊緣溫度3維模...................45圖4.13 「直線1」的箱體面之邊界溫度分佈........................45
圖4.14 「直線1」之溫度分佈.............................................46
圖4.15「直線3」的箱體面之邊界溫度分..............................47
圖4.16 「直線3」之溫度分佈.............................................48
圖4.17 「直線2」之溫度分佈................................…..........48
圖4.18比流器鐵心之溫度分佈..........................................49
圖4.19 比流器鐵心外側邊緣切面溫度.............................50
圖4.20 比流器鐵心外側邊緣切面溫度2維模型........…......51
圖4.21 比流器鐵心外側邊緣切面溫度分佈曲線...............51圖4.22 「距離箱體較近」之比流器磁通密度流線圖............52
圖4.23「距離箱體較遠」之比流器磁通密度流線圖............52
圖4.24 比流器距離箱體13公分之2維模型......................54
圖4.25 距離箱體13公分「直線1」之Z分量磁通密度分佈...55
圖4.26 距離箱體13公分「直線1」之Z分量磁場分佈.........56
圖4.27 距離箱體13公分「直線1」之Y分量磁位能分佈….....57
圖4.28 比流器距離箱體13公分邊界溫度3維模型.............58
圖4.29 距離箱體13公分「直線1」的箱體面之邊界溫度.....59
圖4.30 距離箱體13公分「直線1」之溫度分佈.....................59
圖4.31 距離箱體13公分比流器鐵心之溫度分佈...............60
圖4.32 比流器距離箱體23公分之2維模型......................61
圖4.33 距離箱體23公分「直線1」之Z分量磁通密度分佈.....63
圖4.34 距離箱體23公分「直線1」之Z分量磁場分佈............63
圖4.35 距離箱體23公分「直線1」之Y分量磁位能分佈........64
圖4.36 比流器距離箱體23公分邊界溫度3維模型.............65
圖4.37 距離箱體23公分「直線1」的箱體面之邊界溫度分佈.................................................................................66
圖4.38 距離箱體23公分「直線1」之溫度分佈.....................66
圖4.39 距離箱體23公分比流器鐵心之溫度分佈..............67
表目錄

表3.1 比流器匝比（CT Ratio）接法及負擔/精度................20
表3.2 比流器模組分析模型尺寸......................................21
表3.3 電磁邊界條件設定.................................................27
表3.4 電磁統御域條件設定.............................................28
表3.5 熱傳邊界條件設定.................................................28
表3.6 熱傳統御域條件設定.............................................29
表4.1 以單點測溫槍量測比流器本體溫度........................34








縮寫及符號對照表

A 介質截面積
B 磁通密度
D 電通密度
E 電場強度
H 磁場強度
J 電流密度
相對介電常數
Jc 外部電流密度
h 為對流熱傳遞係數
k 材料的導熱性
q 熱傳遞率
µ0 為真空的導磁係數
µr 為相對導磁係數
導電率
Q 熱源
C0 熱容
ρ 密度

[1] Kenneth H. Huebner and Earl A. Thornton “The Finite Element Method For Engineers,” Third Edition, Wiley-Tnterscience John Wiley & Sons， Inc. 1993.
[2] D. S. Steinberg “Cooling Techniques for Electronic Equipment,” Second Edition by John Wiely & Sons, Inc. 1991.
[3] J. P. Holman “Heat Transfer”, 8th edition, The Mc Graw-Hill Companies， Inc. 1996.
[4] 黃昌圳編著，有限元素法電磁場分析講義。
[5] 張維綱、李長綱編著，電磁學與電磁波 上冊，鼎茂圖書股份有限公司，1994年1月。
[6] 陳俊德，有限元素法應用於變壓器之電場及熱傳分析，碩士論文，6月，2004年。
[7] 林國恩，應用描述函數法於比流器暫態激磁電流之估算，碩士論文，2002年7月。