TW201516425A

TW201516425A - 符合接地安全之低電壓微電網人工故障試驗方法

Info

Publication number: TW201516425A
Application number: TW102138431A
Authority: TW
Inventors: Shi-Lin Chen; Keng-Yu Lien; Chen-Min Chan; Po-An Shih
Original assignee: Shi-Lin Chen
Priority date: 2013-10-24
Filing date: 2013-10-24
Publication date: 2015-05-01

Abstract

一種符合接地安全之低電壓微電網人工故障試驗方法，俾確保低電壓微電網在執行人工故障試驗的過程中不致造成地電位上升的感電事故。本試驗方法用於不與市電並聯(或稱作孤島運轉)的低電壓微電網及由任何形式之分散式電源供電之用戶低電壓電力系統(不與市電並聯)。人工故障試驗涵蓋範圍為：單相接地故障、兩相短路故障、兩相短路接地故障及三相短路故障。

Description

符合接地安全之低電壓微電網人工故障試驗方法

本發明係有關低電壓微電網故障試驗技術領域，特別關於一種符合接地安全之低電壓微電網人工故障試驗方法。

目前常見的再生能源設置於高低壓配電系統者有小規模的風力發電、太陽能電池等，這類發電系統常稱作分散式電源(Distributed Generation,DG)，相較於以往傳統的發電廠，分散式電源因受風力、日照等環境因素影響，分散式電源會以小規模的方式併接於配電微電網內的任何一處；這些分散式電源遂接近負載，進而形成多個分散式電源與負載的區域，演變成為具有多區域架構的微電網。

微電網是指一個由分散式電源與負載所組成的系統，具有小型負載、分散式電源和儲能系統的高、低壓配電網路，根據其運轉的狀況可以分為市電併聯(Grid-connected)與孤島運轉(Islanded Model)等兩個運轉模式。在正常運轉情況下，分散式能源供給系統內負載所需電力，但分散式電力供給量的多寡都受限於環境如風力、日照等因素，而是由市電補足微電網所不足的部分，此型模式稱為「與市電併聯」；當市電端發生故障等異常情況，微電網的靜態開關會與市電切離，而僅由微電網內部分散式電源供電，此稱作「孤島運轉」模式。

當孤島運轉時，微電網內電力潮流方向皆依微電網內電源/負載的電力供需而有所不同，且分散式電源可能會併接於微電網內任意一個匯流排，造成微電網電壓、電流的特性不同於傳統的配電系統，亦即：微電網內電力潮流的方向及其大小二者皆會因為環境因素如日照、風速等而改變。

再者，當微電網發生故障時，系統內的分散式電源內建的保護系統會迅速作動約在1.5~2cycle跳脫，且故障電流高於2倍的額定電流值。在目前380V低壓系統中尚缺少在2標么故障電流下而能在2cycles內迅速跳脫之保護元件。亦即：當故障發生時，微電網內的各個分散式電源可能會在保護系統跳脫前先行跳脫，遂無法達到保護協調及分層保護的功能，也降低了供電的可靠度。

圖1為根據CERTS的微電網故障偵測的方式，在電驛的下游區域發生單相故障時，係採用Id(三相及中性線電流大小的總和)作為偵測依據，在電驛的上游則採3|I0|作為偵測故障的依據；茲以圖2及圖3指出：在CERTS 480V單點接地系統與INER 380V多點接地系統發生單相接地故障時故障電流流向有何不同，並指出CERTS的保護方法為何不適用於380V的多重接地系統。參考圖2所示之480V單點接地系統發生單相接地故障下的故障電流分佈圖。當系統發生單相接地故障時，電驛#1(Relay1)偵測到之Id若不考慮負載電流，則只包含市電提供的a相故障電流(Iaf1)，故電驛#1跳脫；而以電驛#2(Relay2)所偵測到的Id，除了包含a相故障電流(Iaf3)外，亦包含經由單一接地點回流之中性線電流(Inf3)，因兩者大小相等方向相反故在電驛的偵測上Id=0，因此下游電驛遂採用3|I0|作為偵測變量。

若將此保護方法應用在380V多重接地系統，則會如圖3所示，分散式電源DG1的故障電流(Iaf2)，會經由故障點再由變壓器之中性點回流至a相；而下游電驛#2(Relay2)則偵測到DG2提供的故障電流(Iaf3)，由故障點下地後因多重接地又由變壓器中性點回流至a相，導致上、下游的故障電流分布相同，遂無法根據Id(上游電驛)及3|I0|(下游電驛)據以辨認故障位置。因此，CERTS的方法不適用於380V多重接地系統。

因此在微電網大量應用前，設計一套適用於微電網的保護系統益顯必要。尤其，設計一套適用於國內380V多重接地的微電網保護方法。

本發明之符合接地安全之低電壓微電網人工故障試驗方法，可在於以人為的方式模擬微電網在孤島運轉時，線路發生單相接地或三相短路故障的情況，量測微電網的分散式電源及微電網匯流排的暫態電壓、電流特性，並根據所量測到的數據測試以為故障偵測演算法之可用性。在一實施例中，分散式電源包括微渦輪機、太陽能板、儲能系統。

本發明的目的為提供一種符合接地安全之低電壓微電網人工故障試驗方法，包括：試驗前解說；該人工故障試驗設備架設前確認；進行該人工故障試驗設備架設；確認量測儀器讀值；執行總電壓源單相接地故障試驗步驟、執行電壓源各別單相接地故障試驗步驟、執行總電壓源三相短路故障試驗步驟、及執行總電壓源單相接地故障試驗步驟中任一試驗步驟；以及執行試驗結果分析，以判斷低電壓微電網是否為單相接地故障、兩相短路故障或三相短路故障。

100‧‧‧流程圖

101~106‧‧‧步驟

105-1~105-4‧‧‧步驟

以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方法進行詳細的描述，以使本發明的特徵和優點更為明顯。其中：圖1所示為CERTS微電網架構圖示意圖；圖2所示為480V單點接地系統發生單相接地故障下的故障電流分佈圖；圖3所示為380V多重接地系統發生單相接地故障下的故障電流分佈圖；圖4所示為根據本發明一實施例之符合接地安全之低電壓微電網人工故障試驗方法流程圖；圖5所示為根據本發明一實施例之故障點與量測點位置圖。

以下將對本發明的實施例給出詳細的說明。雖然本發明將結合實施例進行闡述，但應理解這並非意指將本發明限定於這些實施例。相反地，本發明意在涵蓋由後附申請專利範圍所界定的本發明精神和範圍內所定義的各種變化、修改和均等物。

此外，在以下對本發明的詳細描述中，為了提供針對本發明的完全的理解，提供了大量的具體細節。然而，於本技術領域中具有通常知識者將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。在另外的一些實例中，對於大家熟知的方法、程序、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明之主旨。

圖4所示為本發明一實施例之符合接地安全之低電壓微電網人工故障試驗方法流程圖100。包括以下步驟：在步驟101中，試驗前解說；在步驟102中，設備架設前確認；在步驟103中，進行人工故障試驗設備架設；在步驟104中，確認量測儀器讀值；在步驟105中，執行總電壓源單相接地故障試驗步驟105-1、執行電壓源各別單相接地故障試驗步驟105-2、執行總電壓源三相短路故障試驗步驟105-3、及執行總電壓源單相接地故障試驗步驟105-4中任一試驗步驟；在步驟106中執行步驟105中之試驗結果分析以判斷低電壓微電網是否為單相接地故障、兩相短路故障或三相短路故障。圖4將配合圖5進一步說明。

在一實施例中，執行步驟101包括：於會議室內由本次試驗的指揮官進行當日流程解說，並分配安全帽及絕緣手套。試驗開始前，因負載端NFB會於故障試驗中跳脫，影響故障電流量測的準確性，故於NFB的一次側連接一個可調整式36kW的電阻性負載(共分9、18、27、36kW四段負載)，且微電網內的原設負載不予投入，以利實驗之進行。

執行步驟102包括：確認停電狀況，用驗電筆檢驗是否已停電，以利實驗器材之架設，並將該區域用電插頭拔下，避免分流造成地電位上升，燒毀用電器具。

執行步驟103包括：(1)引導至故障點F1架設NFB(AT500)，確認接地NFB為開路狀態之後，將NFB的電源端接於F1(如圖5)上游的R相，再將接地NFB的另一端連接至變壓器的接地點。(2)完成後進行36kW負載箱的連接，連接位置如圖5，並將接地線接至L1負載箱的接地銅排上。(3)引導量測人員至量測點，包括故障點(#1)、PV(#2)、PCS100(#3)、隔離變壓器二次側(#4)、65kW微渦輪機變壓器的二次側(#5)及負載箱(#6)，其中2台8XPM架設於PCS100儲能系統與故障點，3台Fluke-435架設於65kW微渦輪機變壓器的二次側、隔離變壓器二次側及36kW負載箱，CA-8334架設於PV的位置。(4)各量測點測量。測量規畫如下表所示。(5)設定PCS100為主要電壓源，微渦輪機為電流源，控制電流及頻率的輸出。

在一實施例中，8XPM(故障點、PCS100)包括：(1)將8XPM的CH1、3、5、7利用鱷魚夾分別接至變壓器一次側的R、S、T、N相，並連接接地線。(2)檢查CT電池電量，並先對CT作歸零動作(將CT開啟，長按DC Zero鈕直至紅燈消失即完成)，再將CH2、4、6、8利用CT(300A)分別環繞於一次側的R、S、T、N相。(3)連接UPS(UPS online模式)至8XPM，設定比壓及比流器的比值，並設定取樣模式為連續模式以記錄實驗完整波形，並可於實驗結束後再加入條件來過濾所需波形。

在一實施例中，FLUKE-435(隔離變壓器二次側、65kW微渦輪機變壓器的二次側、36kW負載箱)包括：(1)設定接線方法，以及比壓器及比流器之比值。(2)電壓輸入端利用鱷魚夾分別引接至R、S、T及N相的匯流排，並連接接地線。(3)電流輸入端利用CT引接R、S、T及N相的匯流排。(4)設定觸發模式為故障錄波，並設定觸發位準。

執行步驟104包括：當故障點、負載箱及量測儀器接架設完成後，設定負載為18kW，開啟負載箱18kW，開啟PCS100儲能系統及微渦輪機對微電網系統施加電壓及電流，檢驗讀值，並逐一確認儀器接線是否正確。(1)電壓部分：8XPM之電壓讀值應為380V左右，確認電壓相序；Fluke-435之電壓讀值應為380V左右，確認電壓相序；CA-8334之電壓讀值應為380V左右，確認電壓相序；(2)電流部份：8XPM之電流讀值應與系統設備讀錶相符；Fluke-435之電流讀值應與系統設備讀錶相符；CA-8334之電流讀值應與系統設備讀錶相符。

確認讀值無誤後，斷開PCS100、微渦輪機、PV、36kW負載箱。

在一實施例中，執行執行總電壓源單相接地故障試驗105-1包括：開啟設備：MT+PV+PCS100，其中，(1)開啟量測儀器8XPM、Fluke-435、CA-8334，再次確認量測儀器讀值、解析度、時基、觸發準位是否正確，設定PCS100為Master模式輸出18kW，微渦輪機為電流源輸出18kW，負載18kW，設定完後確認微渦輪機、PCS100及PV(天候不佳則不投入)、負載箱是否投入。(2)施測人員至量測點操作量測儀器。(3)人工故障試驗人員在指揮官指揮下執行人工故障試驗，於指揮官倒數10秒後將NFB閉合，量測人員於最後兩秒開始量測按鈕。(4)待人工故障試驗完成後，斷開接地的NFB。(5)8XPM、Fluke-435、CA-8334儲存全部資料，並於記錄表上填寫測試編號、情境、檔案名稱、設備之Fault call。(6)指揮官巡視各點所紀錄之波形，是否需要重新進行人工故障試驗。(7)待確認無誤後，斷開MT、PV、PCS100、負載箱並調整負載箱、MT、PCS100至36kW，重新施作步驟(1)~(6)。

在一實施例中，執行電壓源各別單相接地故障試驗測試順序105-2為1. 微渦輪機(MT)；2. MT+PV(太陽能系統)；3. PCS100。

65kW微渦輪機(MT)包括：(1)開啟量測儀器8XPM、Fluke-435、CA-8334，再次確認量測儀器讀值、解析度、時基、觸發準位是否正確，設定微渦輪機模式為Master(主要電壓源)，並確認投入微渦輪機及負載箱開啟36kW。(2)施測人員至量測點操作量測儀器。(3)人工故障試驗人員在指揮官指揮下執行人工故障試驗，於指揮官倒數10秒後將NFB閉合，量測人員於最後兩秒開始量測按鈕。(4)待人工故障試驗完成後，斷開接地的NFB。(5)8XPM、Fluke-435、CA-8334儲存全部資料，並於記錄表上填寫測試編號、情境、檔案名稱、設備之Fault call。(6)指揮官巡視各點所紀錄之波形，是否需要重新進行人工故障試驗。(7)比較紀錄之波形，是否需要重新進行人工故障試驗。(8)確認無誤後，斷開微渦輪機與負載箱。

MT+PV太陽能系統包括：(1)開啟量測儀器8XPM、 Fluke-435、CA8334，再次確認量測儀器讀值、解析度、時基、觸發準位是否正確，並投入MT、PV及負載箱36kw。(2)施測人員至量測點操作量測儀器。(3)人工故障試驗人員在指揮官指揮下執行人工故障試驗，於指揮官倒數10秒後將NFB閉合，量測人員於最後兩秒開始量測按鈕。(4)待人工故障試驗完成後，斷開接地的NFB。(5)8XPM、Fluke-435、CA-8334儲存全部資料，並於記錄表上填寫測試編號、情境、檔案名稱、設備之Fault call。(6)指揮官巡視各點所紀錄之波形，是否需要重新進行人工故障試驗。(7)比較紀錄之波形，是否需要重新進行人工故障試驗。(8)確認無誤後，斷開微渦輪機、PV與負載箱。

PCS100儲能系統包括：(1)開啟量測儀器8XPM、Fluke-435、CA8334，再次確認量測儀器讀值、解析度、時基、觸發準位是否正確，設定PCS100模式為Master(主要電壓源)，並確認投入PCS100及負載箱30kW。(2)施測人員至量測點操作量測儀器。(3)人工故障試驗人員在指揮官指揮下執行人工故障試驗，於指揮官倒數10秒後將NFB閉合，量測人員於最後兩秒開始量測按鈕。(4)待人工故障試驗完成後，斷開接地的NFB。(5)8XPM、Fluke-435、CA-8334儲存全部資料，並於記錄表上填寫測試編號、情境、檔案名稱、設備之Fault call。(6)指揮官巡視各點所紀錄之波形，是否需要重新進行人工故障試驗。(7)比較紀錄之波形，是否需要重新進行人工故障試驗。(8)確認無誤後，斷開PCS100與負載箱。

在一實施例中，執行總電壓源三相短路故障試驗105-3包括：開啟設備：MT+PV+PCS100。(1)請人工故障試驗人員將故障點單相故障線路修改為三相短路，連接R、S、T三相，並斷開NFB。(2)開啟量測儀器8XPM、Fluke-435、CA-8334，再次確認量測儀器讀值、解析度、時基、觸發準位是否正確，設定PCS100為Master模式輸出18kW，微渦輪機為電流源輸出18kW，負載18kW，設定完後確認微渦輪機、PCS100及PV(天候不佳則不投入)、負載箱是否投入。(3)施測人員至量測點操作量測儀器。(4)人工故障試驗人員在指揮官指揮下執行人工故障試驗，於指揮官倒數10秒後將NFB閉合，量測人員於最後兩秒開始量測按鈕。(5)待人工故障試驗完成後，斷開接地的NFB。(6)8XPM、Fluke-435、CA-8334儲存全部資料，並於記錄表上填寫測試編號、情境、檔案名稱、設備之Fault call。(7)指揮官巡視各點所紀錄之波形，是否需要重新進行人工故障試驗。(8)待確認無誤後，斷開MT、PV、PCS100、負載箱並調整負載箱、MT、PCS100至36kW，重新施作步驟(1)~(6)。(9)試驗結束，關閉微渦輪機、PV、PCS100及負載箱。

執行電壓源各別三相短路故障試驗測試105-4順序為1. MT；2. MT+PV；3. PCS100。

65kW微渦輪機(MT)包括：(1)開啟量測儀器8XPM、Fluke-435、CA-8334，再次確認量測儀器讀值、解析度、時基、觸發準位是否正確，設定微渦輪機模式為Master(主要電壓源)，並確認投入微渦輪機及負載箱開啟36kW。(2)施測人員至量測點操作量測儀器。

(3)人工故障試驗人員在指揮官指揮下執行人工故障試驗，於指揮官倒數10秒後將NFB閉合，量測人員於最後兩秒開始量測按鈕。(4)待人工故障試驗完成後，斷開接地的NFB。(5)8XPM、Fluke-435、CA-8334儲存全部資料，並於記錄表上填寫測試編號、情境、檔案名稱、設備之Fault call。(6)指揮官巡視各點所紀錄之波形，是否需要重新進行人工故障試驗。(7)比較紀錄之波形，是否需要重新進行人工故障試驗。(8)確認無誤後，斷開微渦輪機與負載箱。

MT+PV包括：(1)開啟量測儀器8XPM、Fluke-435、CA8334，再次確認量測儀器讀值、解析度、時基、觸發準位是否正確，並投入MT、PV及負載箱36kw。(2)施測人員至量測點操作量測儀器。(3)人工故障試驗人員在指揮官指揮下執行人工故障試驗，於指揮官倒數10秒後將NFB閉合，量測人員於最後兩秒開始量測按鈕。(4)待人工故障試驗完成後，斷開接地的NFB。(5)8XPM、Fluke-435、CA-8334儲存全部資料，並於記錄表上填寫測試編號、情境、檔案名稱、設備之Fault call。(6)指揮官巡視各點所紀錄之波形，是否需要重新進行人工故障試驗。(7)比較紀錄之波形，是否需要重新進行人工故障試驗。 (8)確認無誤後，斷開微渦輪機、PV與負載箱。

PCS100儲能系統包括：(1)開啟量測儀器8XPM、Fluke-435、CA8334，再次確認量測儀器讀值、解析度、時基、觸發準位是否正確，設定PCS100模式為Master(主要電壓源)，並確認投入PCS100及負載箱30kW。(2)施測人員至量測點操作量測儀器。(3)人工故障試驗人員在指揮官指揮下執行人工故障試驗，於指揮官倒數10秒後將NFB閉合，量測人員於最後兩秒開始量測按鈕。(4)待人工故障試驗完成後，斷開接地的NFB。(5)8XPM、Fluke-435、CA-8334儲存全部資料，並於記錄表上填寫測試編號、情境、檔案名稱、設備之Fault call。(6)指揮官巡視各點所紀錄之波形，是否需要重新進行人工故障試驗。(7)確認無誤後，斷開PCS100與負載箱。

本發明提出一套人工故障試驗流程，俾確保低電壓微電網在執行人工故障試驗的過程中不致造成地電位上升的感電事故。本發明適用於不與市電並聯(或稱作孤島運轉)的低電壓微電網及由任何形式之分散式電源供電之用戶低電壓電力系統(不與市電並聯)。人工故障試驗涵蓋範圍為：單相接地故障、兩相短路故障、兩相短路接地故障及三相短路故障。本發明程略經修改亦可適用於三相電源不平衡情況下的相故障試驗。

本領域普通技術人員可以理解實現上述實施例方法中的全部或部分流程，是可以透過電腦程式來指令相關的硬體完成，程式可儲存於一電腦可讀取儲存介質中，程式在執行時，可包括如上述各方法的實施例的流程。其中，的儲存介質可為磁碟、光碟、唯讀儲存記憶體(Read-Only Memory，ROM)或隨機儲存記憶體(Random Access Memory，RAM)等。

上文具體實施方式和附圖僅為本發明之常用實施例。顯然，在不脫離後附申請專利範圍所界定的本發明精神和保護範圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本技術領域中具有通常知識者應理解，本發明在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、結構、佈局、比例、材料、元素、元件及其它方面有所變化。因此，在此披露之實施例僅用於說明而非限制，本發明之範圍由後附申請專利範圍及其合法均等物界定，而不限於先前之描述。

100‧‧‧流程圖

101~106‧‧‧步驟

105-1~105-4‧‧‧步驟

Claims

一種符合接地安全之低電壓微電網人工故障試驗方法，包括：試驗前解說；該人工故障試驗設備架設前確認；進行該人工故障試驗設備架設；確認量測儀器讀值；執行總電壓源單相接地故障試驗步驟、執行電壓源各別單相接地故障試驗步驟、執行總電壓源三相短路故障試驗步驟、及執行總電壓源單相接地故障試驗步驟中任一試驗步驟；以及執行試驗結果分析，以判斷低電壓微電網是否為單相接地故障、兩相短路故障或三相短路故障。
如申請專利範圍第1項之方法，其中，低電壓微電網為一380V供電之多重接地系統。
如申請專利範圍第1項之方法，其中，試驗前解說的該步驟包括：於會議室內由一指揮官進行當日流程解說，並分配安全帽及絕緣手套；設備架設前確認的該步驟包括：確認停電狀況，用驗電筆檢驗是否已停電，以利實驗器材之架設，並將該區域用電插頭拔下，避免分流造成地電位上升，燒毀用電器具。
如申請專利範圍第1項之方法，其中，進行人工故障試驗設備架設的該步驟包括：引導至故障點F1架設NFB(AT500)，確認接地NFB為開路狀態之後，將NFB的電源端接於故障點F1上游的R相，再將接地NFB的另一端連接至變壓器的接地點；完成後進行36kW負載箱的連接，並將接地線接至L1負載箱的接地銅排上；引導量測人員至量測點，包括故障點(#1)、PV(#2)、PCS100(#3)、隔離變壓器二次側(#4)、65kW微渦輪機變壓器的二次側(#5)及負載箱(#6)，其中2台8XPM架設於PCS100儲能系統與故障點，3台Fluke-435架設於65kW微渦輪機變壓器的二次側、隔離變壓器二次側及36kW負載箱，CA-8334架設於PV的位置；各量測點測量；以及設定PCS100為主要電壓源，微渦輪機為電流源，控制電流及頻率的輸出。
如申請專利範圍第1項之方法，其中，確認量測儀器讀值的該步驟包括：當故障點、負載箱及量測儀器接架設完成後，設定負載為18kW，開啟負載箱18kW，開啟PCS100儲能系統及微渦輪機對微電網系統施加電壓及電流，檢驗讀值，並逐一確認儀器接線是否正確。
如申請專利範圍第5項之方法，進一步包括：確認電壓部分：8XPM之電壓讀值應為380V左右，確認電壓相序；Fluke-435之電壓讀值應為380V左右，確認電壓相序；CA-8334之電壓讀值應為380V左右，確認電壓相序；以及確認電流部份：8XPM之電流讀值應與系統設備讀錶相符；Fluke-435之電流讀值應與系統設備讀錶相符CA-8334之電流讀值應與系統設備讀錶相符。
如申請專利範圍第1項之方法，其中，執行執行總電壓源單相接地故障試驗的該步驟包括：開啟設備MT、PV與PCS100。
如申請專利範圍第1項之方法，其中，執行總電壓源三相短路故障試驗的該步驟包括：開啟設備MT、PV與PCS100。
如申請專利範圍第1項之方法，其中，執行電壓源各別單相接地故障試驗的該步驟的測試順序為MT、MT及PV與PCS100。
如申請專利範圍第1項之方法，其中，執行電壓源各別三相短路故障試驗測試順序的該步驟的測試順序為MT、MT及PV與PCS100。