中壓輸配電技術演進介紹

2015-02-09 - 所謂的「電流標準大戰」發生距今,已逾一個世紀,由愛迪生發明的直流電標準,對上威斯汀豪斯(其所創辦的西屋電氣公司,最後成為ABB家族之一)所主導的交流電標準。早期,美國初始的中壓電輸配一直採用直流電,然而,交流電技術的發展逐漸趕上,並超越直流電技術。譬如,交流電馬達的出現,其技術日漸發展茁壯;交流電纜展現了更高的輸配電效能;交流電變壓器讓電壓容易升降,而這正是直流電的關鍵缺點。

因此,交流電擊敗直流電成為主流標準。120年來,交流電發展規模之龐大,從導電、絕緣、開關操作、過電流保護、控制和電流斷路等,數以百計的精密技術遍布在輸發電過程中。

為使中壓交流電輸配能安全可靠,現代電網仰賴許多的技術支援。這些技術涵蓋的範疇包括,在各種電網故障情況下的導電、絕緣、開關操作、過電流保護、控制電流和電流斷路等技術。技術能力必須達到以下要求:

    • 開關元件不僅可在正常情況下運作,更能因應各種可能的失常情況
    • 保護及控制設備能監控電網輸電,並在正常或失常的情況中啟動開關元件
    • 設置量測設備以量測電壓、電流量
    • 開關櫃能安全地容納開關、保護、控制及量測等功能設備

開關櫃的歷史及演進
1980年代前,世界各國絕大多數的開關櫃多為空氣絕緣, ABB及西門子分別發表採用六氟化硫(SF6)的氣體絕緣開關。ABB的三相式設計,較西門子之一向式結構設計更為精巧緊密。這項先進的技術如今被世界各地的電力生產者大量採納並使用。

中壓開關設備的歷史發展
早年,較佳的中壓斷路基礎立基於氣衝(air-blast)技術上。氣衝隔絕斷路器(air-blast breaker)利用橫向或縱向的壓縮氣流噴吹,使電弧變形、冷卻或達到引弧的效果,藉而滅弧。而後,絕緣油斷路器出現。第一代的絕緣油斷路器,內置鐵槽,槽中儲滿絕緣油。簡單的兩個電極接點被置於絕緣油中,透過周遭的油來中斷電路並引弧。此設計的斷路能力相當有限(大約僅有15kV、200A),並隱藏了相當大的爆炸風險。下一步的設計,便在斷路器的兩個觸點周圍加上管子,藉而固定油流。更高的電流(高達50kA)也可順利被中斷;另外,則是幫助減少了斷路器中的絕緣油用量,少油斷路器因而誕生了。少量絕緣油斷路器一直被使用至1970年代,性能表現相當成功。

接著新一代的中壓絕緣斷路技術則是立基於SF6絕緣氣體上。80年代,自衝式斷路器問世。利用電弧本身所產生的熱能來燃燒SF6氣體,並透過氣體燃燒產生的高壓造成SF6氣衝,以熄滅電弧。其反應及斷路時間更短、更迅速。

而今,最先進的主流則是真空技術。

為實現真空斷路的設計理想,其中幾項關鍵技術必須成熟,才能達到工業所需的一定標準,如以氧化鋁為基底的陶瓷構材、無氧銅材、適當的潔淨室生產技術、先進的焊接科技,以及銅鉻合金接頭等技術等。1982年ABB發表了一款名為VC1的斷路器(24kV/25kV)便採用此項技術。此產品技術發展快速,從手工凸緣焊接,結合流體(蒸氣)動能傳遞式馬達和阻斷器抽排真空管氣體的製造方式,演進到利用機械動能傳遞式馬達協助高溫熔爐排氣的一次性釬焊技術。今日,ABB則將螺旋形接點,用於額定值達63kA的短電路設備上。

保護及控制設備演進
在過去幾十年來,ABB皆在中壓保護及控制技術演進、隔離人為失誤和避免停電方面,貢獻良多。早期的電力保護和控制設備,僅僅是單一功能的電機保護電驛或固態(靜態)保護電驛。不同的結構型態因應不同的電機需求,其運作的基本原理多為利用電磁吸力,電磁感應和固態電子。

1970及80年代,重大的軟硬體技術突破,帶來了首個採用微處理器並商業化的保護電驛。數位保護電驛種類有基礎功能、類比及數位技術混合保護電驛。大幅度的增強了輸配電網的保護及控制能力。

ABB在電力標準化上,不僅扮演領頭羊的角色,也為保護電驛的未來發展造橋鋪路。如ABB致力於推動、發展並統合的IEC61850電力標準,為保護電驛未來在最先進的輸配電網中,找到可能的發展方向。在2007年,ABB發表了第一款採用IEC 61850標準,具有通訊功能的輸配電保護電驛ABB Relion。而今,IEC 61850不僅穩固了未來保護電驛的通訊發展方向,並為開關櫃設計、安裝及運行上帶來相當多的優點。ABB新一代的開關櫃UniGear(UniGear Digital),就是善用此項電力標準技術,使其功能再添彈性,也為使用者帶來超值回饋。

保護電驛從原先的簡單保護裝置,發展到具有控制、自動化、通訊功能的智慧電子裝置。使得相關的軟體和硬體平台得經由軟體進行連結配置,透過輸配電管理系統(distribution management system,DMSs)進行整合。

測量與感應
電壓及電流量測技術同樣經歷了一場大革新。最早期的變比器(instrument transformer)僅是個小型版的油紙隔絕變壓器。其內含鐵芯、初級線圈、二級線圈、絕緣油、瓷套管等。

而今,電壓及電流量測的設計及製造依據其連結的設備,以及變比器所提供的功能來決定。有鑑於此,變比器(有時稱作電子互感器或低功率獨立傳感器)日漸熱門。通常電流量測依據羅氏線圈定律,而電壓感測則可以是電阻性或電容性。傳感器在線性、重量、安全(無鐵磁共振)及節省空間上,具有許多顯著的技術優勢。而當傳感器結合了最新一代的智慧電子裝置(intelligent electronic device,IED)後,則可提供傳統變比器其他有益的技術選擇,並帶給使用者額外的投資價值。

總結
中壓開關櫃及變電站的四個主要功能特色為:安全、穩定性、環保、智能化。技術進步不斷改善操作上的安全性,譬如,超高速接地開關(ultrafast earthing switches,UFES)與快速保護電驛的結合運作、無鐵磁共振傳感器、採用先進模擬技術的最佳化開關櫃設計、具優異阻燃性的新材質。最佳化的開關櫃面板設計,使操作更加安全。高品質的製造過程,則生產出高性能表現的隔絕斷路器與設備,增加設備運行時的穩定性。採用更環保的新材質,而最新的智慧電子裝置設計,結合最佳化的人機介面模式,不僅使保護功能升級,並且易於控制、傳訊及進行環境監控。

詳盡翻譯,請參考附件
電力輸配演進史_電網輸配關鍵+中壓輸配電技術.pdf電力輸配演進史_電網輸配關鍵+中壓輸配電技術.pdf