七月 16

作者:
2022/7/16 下午 08:33 

 1、 前言

 

您在設計配電系統時，是否也碰到下列的難題？！
需要花費大量時間繪製圖面，編寫規劃書，建立材料表？工程變更時，相互關聯的資料反覆計算確認，接著手動在圖面上填寫修正，造成大量的重工且易出錯，導致書面與圖面不一致？相同的錯誤一再發生，即使重新計算仍無法確保設計是否正確？該如何找出錯誤原因？又該如何修正？

 

這些難題是使用AutoCAD繪圖為主，Excel計算、搭配VLOOKUP查詢為輔，繪圖和計算分開處理的電氣設計中經常碰到的，除了透過管理制度，更多的校核流程與審閱時間，否則很難根本解決。對於中大型工程專案，整個設計週期勢必變得更長，同時品質不能確保，造成設計成本過高，利潤相對減少，進而失去競爭優勢。

 

隨著科技的發達，電腦的運算速度與儲存空間均有長足的進步，輔助設計的相關應用已擴展到建築、土木、結構、空調、水利、環境與地質等工程設計，電力相關的輔助設計軟體也不少。目前應用在電力設計的輔助設計軟體，根據運行模式可分成下列兩種：

• 基於CAD繪圖軟體平台的二次開發，除了強化繪圖能力和效率之外，也實現了部分的計算功能，但因無獨立的資料庫系統，僅限處理設計中大量簡單而又重複的計算，其優點是整合在既有的繪圖環境，相同的操作模式，可降低學習曲線，使用者的接受度也較高；缺點則是使用者介面的互動將受限，也缺乏上下游的整體計算與連動能力，輸出格式為圖面資料。

• 基於資料庫的獨立應用軟體，無需CAD繪圖環境作為宿主，提供系統單線圖之視覺化的繪製環境，同時也涵蓋設計工作所需的大部分計算，其優點是除了熟悉繪圖環境與操作模式，同時也採用標準Windows介面，簡單易用，快速上手，檢查相關標準和規範，可即時修正或提出警告；缺點則是工程設計的繪圖功能與應用範圍，比不上專業的CAD繪圖軟體來得強大與廣泛。

 

整合繪圖與計算於一體的輔助設計軟體，的確可以解決大部分的設計難題，節省大量的時間，減少重複性的錯誤，有效提升工作效率與設計品質。然而電力系統設計是以計算結果和標準規範做為選擇規格的依據，所以第二種基於資料庫的獨立應用軟體，更適合應用在電力設計上。

 

我們習慣繪製單線圖來規劃電力系統，建構發電、輸電、變電、以至配電等各種方案，但配電系統，特別是低壓配電系統，由於每個配電場所都是獨一無二的，其網路拓撲具有廣泛性與複雜性，因此在輔助設計軟體上，採用繪製單線圖來設計規劃配電系統，所花費的工時並不會比直接使用CAD繪圖軟體來得少，對於配電系統設計而言，這種方式的確有其不足之處。

 

有沒有更快更好的解決方案？！擺脫枯燥的計算和繪圖，專注於設計。採用建模方式，應用友善介面，以標準化流程來快速規劃配電系統，以因應各種可能的需求與變化，並能自動產生單線圖、材料表、檢討報告與系統計劃書。

 

2、 典型的配電系統模型

 

配電系統必須遵循供電可靠、操作方便、運行安全靈活、經濟合理等原則，因應不同的配電場所，衍生出各式各樣的設計樣式（Design Pattern），找出通用的建模方式，的確不容易，總有顧此失彼之憾。若從實務應用的角度來看，在工業配電系統的工程實例中，可以找到幾種典型又具有代表性的配電方案，其中雙電源供電具備簡單、經濟、方便等優點，同時又兼具了靈活性，目前較常見也廣泛被採用，如下圖所示：

 

圖 1 雙電源高壓配電系統

 

圖 1 是典型的雙電源高壓供電的配電方案，包含兩路電源，分別來自不同的變電所，提供單獨供電，一用一備或者並列供電，互為備用。兩路電源的分段銅排母線使用 TIE 連絡開關進行連接，並與主開關設備互鎖（Interlock），避免同時開啟或閉合，當某路供電中斷時，系統能立即切換到另一路供電， 因而提高了配電系統的可靠性。

 

 

圖 2雙迴路低壓配電系統

 

圖 2 是典型的雙迴路低壓供電的配電方案，使用 TIE 連絡開關連接兩路電源的銅排母線，並列供電，互為備用，包含下列的功能單元組成：

• 動力設備三相供電
• 消防設備緊急供電，在常用電源中斷時，ATS自動切換至備用電源。
• 低壓變壓器，提供照明插座單相供電
• 並聯電容器，提供低壓集中功因補償

3、 配電元素，進線，母線與出線

 

雙電源供電的配電系統，包括高壓引進電源，透過導體或電纜將電能傳輸到不同地點、低壓配電，直到末端負載，例如馬達、插座和燈具等。導體或電纜是系統中非常重要的一個組成部分，用於連接整個系統，擔負傳輸電能的重責大任。雖然系統整體看似非常複雜，仍可將其拆解成許多進線與出線的電路組成。引進電源的電路（電源側）稱為進線（Incoming），傳送至負載的電路（負載側）稱為出線（outgoing），對於不同的負載別，其負載設備的特性有非常大的差異，因此需要為這些設備提供各自的出線，彼此之間不致於相互影響，這種一進多出的關係之間通常是採用母線（Bus）提供匯集與分配的能力。

 

進線單元與出線單元除了傳輸電能之外，也提供開關、保護、隔離、量測或控制等功能，另外對於電動設備，例如感應馬達、抽水馬達或壓縮馬達等，若大馬力者，亦須裝設啟動器，降低啟動時的電流，同時也用於停止、反轉和保護這些電動設備，其相關裝置的組成，如圖 3 所示。

 

 

圖 3 圖 進線單元與出線單元的組成裝置

 

4、 低壓配電系統設計

 

對於低壓系統而言，進線單元是由配電盤的主開關、測量儀表和保護裝置組成，出線單元則是其分路，每個分路都有各自的開關、啟動方式、測量儀表和保護裝置等，這些全部被整合在一個配電單元。如果發生短路或過載時，可將故障範圍限制在該分路上，而不會影響到其他分路。同時藉由主開關和分路開關之間的選擇性，避免故障範圍往上游蔓延。

 

配電盤是低壓系統的“建模”單元，我們在輔助設計軟體中，提供了標準化的建模流程，友善的編輯介面與良好的互動模式，將相關的試算工具整合在單一的操作環境，如圖 4 所示，協助設計人員新增配電盤，建立分路連接負載設備或者下游子盤，簡單快速地完成低壓配電系統的設計規劃。

 

 

圖 4 低壓配電系統設計

 

除了低壓配電盤，同時也包括低壓用戶的受電箱與電錶箱的“建模”單元，如圖 5 所示。在新增配電盤時，您可選擇配電盤類型來設定，不同的類型各有其特性與用途。

 

 

圖 5 受電箱與電錶箱

 

5、 高壓配電系統設計

 

對於高壓系統而言，由於高壓開關設備的尺寸與安全距離的考量，無法將進線，母線與所有出線全部整合在同一個配電單元。每一個進線和出線都有自己的框架、箱體、面板及門蓋，自成獨立的配電單元，進線單元做為所有負載的總開關，並將電能匯集至列盤上方的水平母線，並分配至出線單元，然後傳送至高壓變壓器，如圖 6 所示。

 

 

圖 6 高壓箱體排列圖
 

高壓開關設備依其功能可分為斷路器、熔絲、開關三種，是高壓配電系統主要的保護設備，主要功能在控制與保護電力系統之安全運轉，例如負載調度、隔離故障、及維修、施工時帶電體隔離等，因此需具有在正常或故障的情況下對電路作安全啟斷及投入之能力。

根據高壓開關設備的特性與用途，定義了幾種常見的高壓配電盤類型作為高壓系統的“建模”單元，說明如下：

• 隔離開關盤 DS
  使用隔離開關作為進線開關，故障或檢修時，隔離電源，確保人員安全，並裝設下列設備：
  • 避雷器LA，過電壓保護，將異常高壓引入大地。
  • 接地開關ES，人為系統短路，將設備與接地線連接，並與隔離開關互鎖。
  • 驗電礙子VPIS，電壓指示器，供判斷設備是否帶電？

• 主斷路器盤 MVCB
  使用高壓斷路器作為所有負載的總開關，提供母線過載與短路保護，同時將進線電源匯集至列盤上方的水平母線，並裝設下列的設備：
  • 比流器 CT，將大電流變成小電流，提供保護電驛和儀表使用，以保護系統及量測電流。
  • 比壓器 PT，將大電壓變成小電壓，可量測和顯示電壓和功率，並提供儀表、配電盤的照明及保護電驛之控制電源。

• 分路斷路器盤 VCB
  將電源從水平母線連接到特定的饋線上，使用高壓斷路器，提供出線之過載及短路保護，並裝設比流器 CT，接地開關ES，驗電礙子VPIS等設備。

• 接線盤：在水平母線上，提供連接點，使用高壓電纜延伸線路至其他配電場所。
• 連絡盤：當常用電源故障時，使用連絡斷路器連接相鄰的水平母線，即時提供備用電源。
• 爬升盤：使用垂直母線，將連絡斷路器的輸出由下而上連接到相鄰箱體上方的水平母線。

使用這些高壓配電盤對高壓配電系統進行“建模”，我們在輔助設計軟體中，提供了由上而下的建模流程，透過一致性的編輯介面，選擇所需的高壓開關設備，以及相關的變比器，保護電驛，量測儀表，接地開關和驗電礙子等，並整合相關的試算工具，如圖 7 所示。

 

 

圖 7 高壓配電系統設計

 

6、 配電系統設計流程

 

工業配電設計主要包括配電系統、保護協調、照明、避雷與接地等內容，其中以配電系統設計是最重要，也是最花費時間與精力的部分，需要計算負載電流，然後根據安裝方式或者標準規範，選擇保護開關、管線、盤內銅排與變壓器的規格，同時包含驗證電壓降，功因改善，以及相序分配與負載平衡等整套設計工作，以滿足相關的安全規定。

 

為了讓整個設計過程能夠更加順利一體化，建議設計流程如圖 8 所示。首先設計低壓系統，由末端設備的分電箱開始，逐樓到每棟的中繼盤，到配電室的低壓開關櫃。根據燈、力、熱設備的容量合計，可進一步確認高壓變壓器的結線方式與容量、饋線數量，以及高壓開關設備的選擇。

 

 

圖 8 配電系統設計流程

 

完成高壓系統後，使用高壓變壓器銜接高壓與低壓系統，即可計算故障電流，決定保護開關的啟斷容量。因為高壓斷路器須由保護電驛控制其跳脫動作，藉由設定保護電驛，確保上下游斷路器的跳脫曲線之間至少保持0.3秒的時間裕度。當發生過載或短路故障時，接近故障點的高壓斷路器先行跳脫，迅速隔離故障，減少影響的範圍，

 

另外值得一提的是大部分的設備規格或電氣參數，經由計算或查表，提供有效的預設值，可依實際需求修改，並提供即時輸入提示，例如計算公式，參考建議值或者有效範圍等。如果不符合CNS標準和規範要求，或者檢查設計中不合理的地方，例如變壓器容量與二次側設備容量合計不匹配，或者變壓器的結線方式與一二次側的電壓等級有所衝突時，將提出警告訊息或修正建議。同時為了避免頻繁的系統訊息，造成設計過程的困擾。根據嚴重程度將訊息等級分成資訊、建議、衝突和錯誤等4種，其中資訊和建議會在相關欄位的右側，以閃爍的圖示與文字做醒目提示；衝突和錯誤，則是彈出式的訊息視窗，衝突會提供是否繼續的選項，供設計者人員自行決定，錯誤則必須修正，才能繼續，以確保設計品質。
 

7、 相位負載平衡

 

相位負載平衡是電力品質的一個重要指標。在低壓配電系統中，不但有三相設備，也有大量的單相設備。這些單相設備的相序分配或者負載功率未平均分配在相線上，將造成相位負載不平衡，流經中性線的電流會變大，增加線路損耗，更有斷線或欠相的風險，造成電壓升高一相上的設備燒壞，電壓降低一相上的設備無法正常運作。

 

相位不平衡指標PUI，定義如下：

 

PUI=Abs[Max(A相功率-平均值,B相功率-平均值,C相功率-平均值)/平均值]

 

單相功率與三相功率平均值之間最大偏差的絕對值，除以三相功率的平均值，其中三相功率平均值 = （A相功率 + B相功率 + C相功率）/ 3

 

當PUI愈小表示相位負載平衡度越好，若為0，表示三相負載平衡，一般要求在10%以內。在輔助設計軟體中的PUI最佳化演算法：

• 按照迴路順序進行相序分配AN、BN、CN …或者AB、BC、CA …
• 負載功率較大的應盡可能平均分布到各相，也就是每相均有大的負載功率。
• 其餘負載功率由大而小排序，先以大者粗調，再以小者微調，計算PUI，並與期望值比較。

8、 箱體布置

 

根據配電系統自動產生箱體之系統圖和排列圖，並提供參數化的選項，例如開關設備的廠牌型號、排列方向、進出線方向和ACB箱體的層數等，用於決定箱體和變壓器的尺寸，產生變電站和低壓開關櫃的外觀（正視圖、頂視圖與側視圖），以及所需的材料表。
 

 

圖 9 低壓箱體排列圖

 

圖 10 高壓箱體排列圖

 

9、 輸出成果

• 配電系統計劃書，包括保護協調，電壓降檢討，功率因數檢討，照明設計，接地設計與緊急發電設備輸出計算表等報告。
• 高低壓單線圖，支援CNS、 IEC與自訂符號，並自動排列在圖框內。
• 高低壓箱體之系統圖和排列圖，以及變壓器尺寸與外形圖。
• 材料清單，彙整盤內的設備規格與數量，變壓器規格，照明插座與管線統計等。

10、 結論

 

本軟體提供了標準化的設計流程，將建模介面、試算工具與檢驗機制整合在一起來簡化設計過程，讓設計人員可以擺脫枯燥的計算和繪圖，專注於設計，快速直覺地完成系統規劃，決定管線尺寸與設備規格，整理功能與優勢如下：

• 基於資料庫的獨立應用軟體，涵蓋設計所需的計算。
• 提供典型系統的建模方式，兼顧安全與可靠的設計。
• 透過友善介面與互動模式，簡單易用，可快速上手。
• 內建完備的設備、器材與管線資料庫，能自行擴充。
• 符合國內標準規範，資料格式清楚易懂，方便審查。