总计画电力系统安全之评估

總計畫：電力系統安全之評估、提升與控制主持人：國立中山大學電機系林惠民教授隨著國內經濟之持續繁榮，國民生活品質大幅提升，電力之使用儼然已成為一項不可或缺的日常生活必需品。由於對電力的依賴，使得電力負載之尖峰值年年創新高峰，加上政府大力推動產業升級與各縣市高科技科學園區之設立，此一類產業對於電力之需求更甚於一般之民生用電，往往幾分鐘的電力中斷，將造成數以千萬元甚至以億元計之損失，此類之新聞時有耳聞。台灣之電力系統屬於孤島型系統，當電力負載逐漸成長，增加發電量與建造輸電線以提供所需之電力能源為必然之對策，但各界對於環境保護的問題日漸重視，屢次的發輸、電擴建或新建工程皆引來若干民意與民眾之抗議壓力，造成路權、土地的取得不易，而後至發、輸電工程之延宕或停止。再者，由於台灣本島先天地理之限制，長期南北兩區供需不平衡之現象，北部用電量大，發電量少，中南部則恰好相反，當全島達到用電尖峰時，大量的電力經由輸電線路北送，實凸顯了維持輸電系統穩定、安全之重要性。子計畫一：ArcEffectonSingle-PhaseReclosingTimeofaPowerTransmissionLine子計畫主持人：逢甲大學電機系鄭進興,黃思倫（一）利用EMTP模擬傳輸線遭受開關GCB的電弧效應。（二）實驗此項模型對系統影響。（三）改善方法第一年：利用EMTP模擬傳輸線遭受開關GCB的電弧效應地下化或海邊鹽霧害的外界環境，將會造成相與相間清除距離降低。將可預期會形成兩次故障，即是產生第二個電弧電流的振幅。本計畫擬發展第二個電弧期間估計且利用一個測試場地驗證，計畫中將分析第二個電弧期間影響的主要的過程，申請人擬推導進行波現象，在第二個電弧的間歇的（斷斷續續）週期內出現有一在弧光期間決定性的影響。由於場地測試與天氣的條件會影響第二個電弧期間，亦為本計畫研究範圍。第二年：實測此項模型精確性與系統影響之驗證為驗證模型的正確性，將以臺灣的系統為例，測試一個真實的161仟伏的輸電線上的結果以比較驗證。第三年：改善方法第二個電弧電流的降低，傳統上係使用現有的分流電抗器組並聯至中性點上，利用自然消弧可成功的將第二個電弧電流減少。本計畫將使用電力電子來抑制第二個消弧條件。子計畫二：與輸電系統並聯電抗器切換及電力電纜事故相關之故障診斷、模擬、分析、與預防子計畫主持人：中正大學電機系張文恭近十幾年來因工業發達之故，我國用電需求激增，且輸變電電壓等級大幅提昇，導致各變電所變電設備、高壓輸電設施、及開關設備等不斷增加；相對地，這些設備的增加雖然提升了系統的電力傳輸能力，但其產生之事故，也使得台電之供電穩定與系統安全承受更大挑戰。由於提升電力系統安全考量之層面與因素相當廣範，本計畫僅就系統中較重要的電力設備：應用於輸電層級並聯電抗器之斷路器切換及高壓電力電纜故障所衍生的系統安全問題進行探討與事故預防，而這方面的研究也是目前國內較少進行的議題。首先，將就並聯電抗器斷路器之切換相關問題作一探討。並聯電抗器主要功用在於電力系統無載或輕載時投入，用以抑制輸電線路電容效應所產生的過電壓現象，但當系統重載時，並聯電抗器卻成為一電感性的大型負載，因此變電所或負載中心必須適時切離部份或多餘之並聯電抗器，以減少不必要之損耗及減輕系統的負擔。並聯電抗器之切換會隨著系統電壓等級升高而愈顯困難，切換瞬間產生之電弧於短時間促使斷路器接點之消弧媒介於導電性及非導電性之間迅速交替變化，會導致極高切換暫態，因此須採用適當滅弧媒介之斷路器才能完成斷路器之切換；由於電力系統並聯電抗器容量(以線路容量10％~20％估算)範圍大都小於300安培，且於接近電流零點時作切換，因此可視為小電感性電流的切換，當斷路器用於切換此小電感性電流時，於接點間常會出現具有高震盪頻率以及高回復電壓特性之暫態電壓，此種斷路器切換瞬間所引發之暫態回復電壓(TRV)，其高震盪頻率會造成斷路器兩電極間之電壓快速上升，當電極打開瞬間因間距尚小，且回復電壓上升速率高於介質強度的回復速度時，則會產生再點弧或再襲現象，嚴重時會造成電抗器、開關設備、電力系統其他元件及負載之損毀或保護電驛誤動作而嚴重影響系統安全與供電品質。為達系統穩定及提高供電品質與供電可靠性，並聯補償電抗器須隨負載變動進行切換為未來趨勢，亦將成為輸變電系統中不可或缺之設備，一般電抗器之切換暫態分析，通常採用EMTP之理想開關模型來進行模擬，以理想開關模擬時，無法模擬斷路器兩側之電感、電容因能量交換所引起之負載側振盪、第一次並聯振盪、第二次並聯振盪、以及主電路振盪等振盪現象；當並聯補償電抗器電壓等級升高及採用斷路器進行切換時，必須建立一個適當的斷路器模型來進行切換暫態之模擬，以達到準確模擬實際切換暫態之目的，近年來電力傳輸系統建設快速進行，為能用來預測斷路器切換暫態及評估其對系統安全可能之衝擊，已使得相關暫態之估測及模型之建立，成為刻不容緩之議題。由於電抗器切換時之暫態現象相當複雜，為能有效掌控電抗器切換時產生之各種暫態及影響，進而分析產生此類暫態之主要電路結構要因，以及評估系統側與負載側之各主要暫態抑制策略之有效性，從而提供改善這類危害系統安全問題之建議。其次，就近年來常發生之電纜事故說明。由於電力電纜類設施經常因為電蝕崩潰與絕緣崩潰而停電，歸納其原因常因為設備維護者無法對事故作正確判定而一概以電纜品質不良視之，或無法判定導致絕緣破壞原因作罷，而無法提升系統用電可靠度與安全性。由於對電蝕崩潰與絕緣崩潰的現象及發生原因認知模糊，沒有研究學者將諸多電氣現象歸納使實務與理論結合，當電壓等級提升，電流容量加大後便衍生出一些令人不解的事故。本研究之目的著重於探討於中、高電壓等級之絕緣電纜中發生電蝕崩潰與絕緣崩潰之差異，尤其對引起電蝕崩潰的原因分析，產生漸蝕現象的步驟建立，及針對電蝕事故後殘留於樣品之電蝕路徑特徵進行歸納，以建立一套電蝕事故判定方法，其次是針對絕緣崩潰的原因與產生的崩潰路徑進行分析研究，並歸納出造成絕緣崩潰的原因與弱點分析。經由研究結果可瞭解電蝕與崩潰發生的原因，提供電氣設計者選用絕緣材料參考，及避免因設計不當而引起電蝕事故，由研究結果比對事故樣品可提供電氣維護者正確判定事故原因及提出有效改善措施。本研究將藉由理論之探討，結合電磁暫態分析軟體EMTP進行相關模擬分析，並採用先進之絕緣材料之電痕與電蝕測試方法來驗證電蝕崩潰現象與絕緣崩潰現象間的差異。最終，將提供各種高壓電力電纜保養檢測的方法，作為事先預防或事後補救措施。本計畫將以三年為期，進行相關之研究與探討。第一年：（1）、以台電系統為主，分析超高壓架空輸電線路無效電力對傳輸容量、系統穩定度與系統電壓偏高現象(Ferranti效應)之影響。（2）、進行電抗器切換暫態電路分析，探討截斷電流、暫態過電壓、負載側振盪、第一次並聯振盪、第二次並聯振盪、主電路振盪間之參數關係，並提出電抗器、斷路器、變電所匯流排之參數設計需求，以降低電抗器切換暫態所帶來之破壞。（3）、分析並聯電抗器切換時產生之各式暫態。第二年：（1）、對台電單位所進行之實測暫態驗證，及提出降低切換暫態之建議，以提高供電品質及減低對系統安全之衝擊。（4）、針對切換電抗器之電弧模型進行分析比較，以瞭解其控制變因與電弧模型之適用性。（5）、斷路器之截斷次數與最大電弧時間之估算，以評估電抗器壽命對暫態之影響。第三年：（1）、首先結合電磁理論，電氣理論與化學理論對電力電纜高壓放電行為，進行分析與電氣模型建立。（2）、對於電蝕、電痕、崩潰現象進行歸納與分析。（3）、對於引起電蝕原因進行分析，並以電磁理論推導且轉換成數學通式，結合電磁暫態分析軟體EMTP進行相關模擬分析，以利評估絕緣材料等級及模擬分析。（4）、對於目前常用高壓電力電纜絕緣材料之適用性進行評估，以提高供電品質及減低對系統安全之衝擊。子計畫三：考量電壓穩定度與緊急事故之即時修正式最佳電力潮流子計畫主持人：國立聯合大學電機工程學系吳有基緊急事故（contingency）與電壓穩定度問題是近年來影響電力系統安全的主要因素，當系統因應負載變動作出經濟調度或最佳電力潮流計算，此一運轉狀態，若沒考量到安全因素，則是否具有足夠的空間與時間以應變可能的緊急事故發生以及電壓崩潰，這答案通常是否定的。因此吾人在考量電力經濟調度或最佳電力潮流問題時，尚須將安全的問題一併考量。本計畫之目的就是針對這一主題進行研究探討。在作電力經濟調度或最佳電力潮流時，一併考量contingencies與電壓穩定度這是一項挑戰，在文獻中多數是分別處理，於處理contingency-constrained問題時，問題的表述可分成兩種類型：事前預防(preventive)式與即時修正(corrective)式，事前預防式之最佳運轉狀態下的目標函數值通常會比即時修正式來的高，因此以經濟角度來看，多數以即時修正式為主，再加上修正控制的方式有許多，除了在rampingrate許可下可調整發電量外，尚可採取卸載的手段等，因此增加運算中的變數數量，也增加求解的難度與時間，而在處理電壓穩定度於最佳電力潮流中的問題，電壓穩定度指標如何訂定，與原有的目標函數如何共存以形成多目標最佳化問題等，也需探討研究。計畫的另一目的是在探討同時考量電壓穩定度與緊急事故之即時修正式最佳電力潮流問題時，研究高效率最佳化演算法modifiedbarrier-augmentedLagrangianmethod(MBAL法)在電力系統上的應用。計畫的第一年，重點在於開發以MBAL法為主之緊急事故即時修正式最佳電力潮流，並探討不同種類即時修正控制方法，第二年探討電壓穩定度指標並結合於以MBAL法為基礎之最佳電力潮流，並求解多目標規劃問題，第三年在探討結合緊急事故與電壓穩定度指標之即時修正式最佳電力潮流，由於不同的緊急事故應其相對應的匯流排電壓值，其電壓穩定度指標一併考量，將增加對問題的難度。子計畫四：高壓直流輸電系統次諧波潛在危險分析及安全提昇對策子計畫主持人：高苑技術學院林祺祥高壓直流輸電系統由於整流站與換流站間之交互作用會產生次同步諧波，在正常運轉狀況下，這些次同步諧波即可能對換流站鄰近之汽輪發電機組造成相當不容忽視之次同步共振威脅，當系統遭受故障時，交互作用引起之次同步諧波將更加嚴重，不僅危害汽輪發電機組，更可能會使整體高壓直流輸電系統崩潰。因此，本研究擬定一個3年計劃，深入探討高壓直流輸電系統之整流、換流交互作用特性，並據以研擬提昇系統安全之對策。計劃分3年執行，各年主題如下：第一年：探討整流、換流站組態之影響及對策第二年：探討整流站、換流站故障之影響及對策第三年：探討整流站、換流站控制參數之影響及對策子計畫五：配電系統網路保護設備設置最佳化之研究子計畫主持人：正修科技大學金鴻展電力業者對用戶之服務係以電力供應之穩定性和低廉的供電成本為主要考量，必須藉由一些標準的保護工程及策略來達到上述目標以確保供電品質。在系統的網路安全提升方式，主要藉由保護設備如斷路器、電力熔絲、保護電驛等設備來達到保護系統及隔離故障點之目的，對於保護設備安置的位置和型態的選擇，將成為影響系統安全非常重要的因素，此外對於供電饋線系統保護設備間之協調和相關之後衛保護的設定，也將影響到系統於故障發生時之處理成效和故障影響之區域。因此本子計畫將針對系統網路保護設備之選擇、安置位置、後衛保護作詳細探討分析，並提出結合專家系統、因果理論、模糊推論法則發展出一套能對配電系統網路之保護工程和協調工作，作最佳化設置之評估及方法來提升系統整體安全。子計劃六：以快速電力潮流法為基礎之即時系統安全度評估子計畫主持人：永達技術學院電機系楊進德國內電力系統經過最近幾次天災的考驗後，以風險為基礎的電力系統安全度評估(risk-basedsecurityassessment,RBSA)，除了有助於整體系統安全度之評估，對發生高風險意外事故時，亦可供採取何種預防措施最有效益之參考依據。目前雖然國內電力尚未自由化，惟在全球普遍電力自由化的潮流下，國內電力自由化的趨勢亦在所難免，進入電力自由化後，電力系統由以傳統控制方式進入市場競爭的環境模式，造成系統操作有