曾任教於美國德州大學、德國克所羅工業大學、東京帝大、墨西哥大學、北京清華大學、西安交通大學、中國電力科學研究院等四十餘大學名譽教授

<陳謨星 教授 2013離臺告白>
希望台電快快把浪費掉的電力能源搶救回來
今年四月底我從美國回到台灣後,在各種場合大聲疾呼,台電電壓不平衡導致電能損失太多,多到三個核能電廠的發電量都被浪費掉。講出來之後,有些人以為台電的線路損失率只有百分之四點多,表現很好啊!有些人以為台電電壓不平衡率都符合標準,沒什麼不對啊!更多的人則是不懂電壓不平衡與三個核能電廠發電量被浪費掉到底有什麼關係呢?因此,我想藉此機會,把我所知道的說明得更清楚一點。如果能從電壓不平衡及電壓調控改善著手,搶回這些損失掉的電能,那麼我們便能省下三個核能電廠的發電量。
電力從發電機發出來之後的電壓有三相,這個三相電壓是平衡的、對稱的。所謂三相電壓平衡是指三相電壓大小相等及三相電壓的角度各相差一百二十度,三相電壓平衡一直是電力工程師追求的目標。但是很多原因讓電力從發電端送到用戶端時,用戶端的三相電壓經常無法平衡,無法平衡的結果就是造成電壓不平衡。是什麼原因造成三相電壓不平衡呢?原因很多,但是我特別要指出來的就是台電使用的配電變壓器,原來是要用三個,一相一個,三相就是要用三個,但是因為要節省變壓器的投資費用,於是台電就用兩個變壓器來替代三個變壓器,以節省一個變壓器的費用,電學上稱為open delta或是V-V connection。兩個變壓器仍可做為三相供電來使用。由於只有兩個變壓器來供應工廠或公司行號等三相馬達的負載,便會造成電壓不平衡,電壓不平衡就是這樣來的。
電壓不平衡的結果是怎樣呢?就是讓三相馬達變的損失增加,效率低落。有一個指標可以用來說明電壓不平衡的程度,就是電壓不平衡率。一般的三相馬達當電壓不平衡率達到百分六左右時,因為太熱幾乎就無法運轉下去甚至要跳機了。而台電的配電系統設計則是以電壓不平衡率百分之四點五做為上限,以規範配電系統的電壓不平衡率。重點來了,這個百分之四點五的電壓不平衡率送到用戶的三相馬達後,造成三相馬達的損失率高達數十個百分點,換句話說,如果電力公司送到用戶的電是品質很好的電,電壓不平衡率是零,便可以幫助用戶節約能源,用少的電能來使馬達正常工作;但如果送到用戶的電是品質不好的電,電壓不平衡率是百分之四點五的電,則用戶的三相馬達就要用更多的電能來工作,也就是浪費了更多的電能,浪費到數十個百分點。這不是線路損失,這是白白浪費掉的能源。
台電辯稱這種節省一個變壓器的做法是師法美國,可以節省投資,由來已久。美國幅員廣大,人口密度低,農村或偏遠地區用電量少,這種節省一個變壓器的做法是送電到西瓜田的做法,幾十年前能源價格也低廉,用這種節省一個變壓器的做法有其背景因素。台灣幅員小,人口密集,用電也密集,還用這種節省一個變壓器的做法,而且比例不低,實在令人不解。台電供應給用戶電壓不平衡的電能,造成用戶的損失,台電並沒有損失而且又節省投資一個變壓器,用戶損失的電又要照繳電費給台電,損失的是用戶的電,是國家的電,實在是很不合理。我所說的電壓不平衡造成馬達數十個百分點的電能浪費掉了,就是指這些。而馬達用電更是全國用電的最大比例,大家可以想想看這中間有多少能源被浪費掉。這裡頭至少一個核能廠電廠的發電量被浪費掉了。
除了以上所舉之外,電壓不平衡產生的不平衡電流,也會透過變壓器中性點的接地線、地下電纜被覆接地線及架空地線流到地裡去,這些地裡流的、天上流的都是能源損失,想想看全台灣有多少接地線與架空地線,都是非常非常龐大的能源損失。換句話說,如果電壓不平衡率可以降到最低,這些地裡流的、天上流的電也都可以再省下一個核能電廠的發電量了。
改善電壓不平衡率的方法並不是沒有,運用資訊科技等智慧電網,量測電壓、電流、用戶用電量等即時資訊,即時切換饋線負載或電容器等方式,讓電壓不平衡率降下來以節省電能,都是可以做的。此外,對於用電器具做電壓控制,讓這些器具可以在最高的效率下運轉,以節省電力能源,這裡面也有一個核能電廠的發電量可以節省,都是台電該努力而未努力的地方。以往我曾替美國的電力公司做過這些智慧電網的研究,也有實際運用上,效果非常好、也節省了很多電。台電有做過什麼研究或努力來降低電壓不平衡率以減少浪費,替用戶節約能源嗎?裡面有幾十個百分點的用戶節能空間啊!台電造成用戶端的浪費不去努力減少,只想拼命蓋核能電廠,有道理嗎?就像自來水公司漏水率不去改善,拼命要蓋水庫,有道理嗎?這種運用新科技、新方法的智慧電網去改善電壓不平衡率,所費不多,核四要花三千億、四千億甚至八千億元,只要核四經費的百分之一甚至千分之一就可以節省很多電能了,台電有去做嗎?台電也應該去調查一下,用了多少這種節省一個變壓器的做法,分佈在哪裡?有多少成比例是這樣做的?造成用戶的損失加總有多少?而如果做投資改善,就加一個變壓器上去,改善不平衡率,提升電力品質,減少用戶用電損失,要花多少錢?與核四投資相比較也是少的多多,利弊得失如何?都是台電可以努力的地方,可惜到目前為止,我還看不到台電的努力。
電壓不平衡除了經濟上浪費電力能源外,對電力安全也有很大的威脅。台電歷史上核三廠的兩次大事故都與電壓不平衡有關。民國七十四年,核三廠火災,發電機組燒毀,就是電壓不平衡引起發電機組轉軸扭轉共振而燒毀,造成鉅額損失,當時陳蘭皋董事長及朱書麟總經理都因此下台。另外一次,民國九十年,核三廠發生開關設備燒毀,冷卻水送不進去核子反應爐的大危機,相當危險。當時政府聘請我當調查委員,我認為事故源頭也是電壓不平衡所引發,這次事故後來幸運的是用上一台備用移動式柴油發電機解決,才把冷卻水送進核子反應爐,實在是天佑台灣,運氣好,但是核能安全總不能靠運氣。這次的事故,當時郭俊惠總經理也因此下台。兩次的大事故,都是電壓不平衡所引起,都是事先沒有想到會發生的事情而發生了。其實,核能電廠會出事故,都是事先沒有想到的事情發生了;或是有想到,但防禦不夠;或是有想到,也有防禦措施,但是人為因素而造成大事故。美國三哩島、俄國車諾比、日本福島不都是這樣嗎?
總之,第一、台電用節省一個變壓器的方法供電及其他原因,造成電壓不平衡,進而使用戶馬達效率降低,浪費了一個核能電廠的發電量。第二、不平衡電流流經變壓器中性點接地線、地下電纜被覆接地線、架空地線等,又浪費了一個核能電廠發電量。第三、台電的電壓控制與調整,無法使用戶用電器具在最高效率下運轉,再浪費一個核能發電廠的發電量。電壓的不平衡及調控不佳,總共浪費了三個核能電廠的發電量。電壓不平衡同時也會引發核能安全事故,不要小看它。希望電壓不平衡這種現象,台電能夠快快設法解決改善,把浪費掉的電力能源搶救回來,核四停建不運轉,台灣電還夠,而且綽綽有餘。
陳謨星
2013年5月23日

 

<台電官方回應新聞稿>

學理與實務有落差 回應陳謨星教授的發言

針對陳謨星教授所提「三相不平衡電壓」產生鉅額的電力耗損,台電回應表示,發電廠發出來的電力為平衡的三相,三相就是三個單相,而台灣、日本及美國的一般住宅及商店使用單相電力,因為沒有辦法完全控制用戶端的用電,因此產生三相不平衡電壓,衍生的電力耗損是電力公司普遍要面臨的問題。至於工業用電大戶則使用三相電力,一般來說大用戶集中且參差使用,因此會減少電壓不平衡的情形;台電為降低將不平衡電壓產生的耗損,定期辦理電壓測量及負載調整,將不平衡電壓限縮於4.5%以內。
台電表示,國際電工協會(IEC)確實曾提出供電系統的最大電壓不平衡因數限制在2%以下的建議,但這並非標準;如果要把三相不平衡因素改進到2%的程度,以減少電力耗損,必須在送電的饋線上大量投資,諸如自動電壓調節器、靜態無效功率補償器等設備,各國電力公司其實並不容易做到,且這樣的投資成本及減少的電力耗損是否值得,需要進一步審慎評估。
至於核四改用天然氣部分,台電澄清,我國使用的天然氣需要從國外經過加壓、液化,再由海運進口;國內天然氣價格高昂,遠高於歐美大陸型國家所使用之管輸天然氣數倍以上,大量使用天然氣勢必增加發電成本。另外國內天然氣卸收容量及儲存能力不足,且依賴船運進口,夏天的安全存量只有7天,易受外在因素影響,若颱風影響臺灣超過7天,將危及國家能源安全供應。即使興建新建天然氣接收站,需辦理土地收購及環評等作業,估計約需10~12年才能完工,時間上緩不濟急。
有關核四施工品質及圍阻體結構安全部分,台電澄清,核四反應爐圍阻體經實測取樣件之強度,遠大於設計強度;另外為確保施工品質,核四工程各系統施工完成後需依法規進行現場履勘,確認現場設備施工與設計相符,始能移交核四廠執行試運轉測試;而試運轉測試範圍涵蓋全廠各安全系統與發電系統,目的在於確保施工完成的系統均能正確地發揮功能。台電公司也聘請國外具有同型機組經驗之專家協助進行現場履勘作業,包括GE、Hitachi、Mitsubishi、URS 等公司,並於101年初完成工程全面履勘,提出18項工作須再補強,目前已完成6項,其餘12項預定今(102)年底前陸續完成改善。
發言人:李鴻洲 副總經理
聯絡電話:(02)2366-6267
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業務聯絡人:王耀庭 副處長
聯絡電話:(02)2366-6708
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<三項不平衡 - 定義,危害,解決辦法>

定義
三相不平衡:是指在電力系統中三相電流(或電壓)幅值不一致,且幅值差超過規定範圍。

危害
1.增加線路的電能損耗。在三相四線製供電網絡中,電流通過線路導線時,因存在阻抗必將產生電能損耗,其損耗與通過電流的平方成正比。當低壓電網以三相四線製供電時,由於有單相負載存在,造成三相負載不平衡在所難免。當三相負載不平衡運行時,中性線即有電流通過。這樣不但相線有損耗,而且中性線也產生損耗,從而增加了電網線路的損耗。
2.增加配電變壓器的電能損耗。配電變壓器是低壓電網的供電主設備,當其在三相負載不平衡工況下運行時,將會造成配變損耗的增加。因為配變的功率損耗是隨負載的不平衡度而變化的。
3.配變出力減少。配變設計時,其繞組結構是按負載平衡運行工況設計的,其繞組性能基本一致,各相額定容量相等。配變的最大允許出力要受到每相額定容量的限制。假如當配變處於三相負載不平衡工況下運行,負載輕的一相就有富餘容量,從而使配變的出力減少。其出力減少程度與三相負載的不平衡度有關。三相負載不平衡越大,配變出力減少越多。為此,配變在三相負載不平衡時運行,其輸出的容量就無法達到額定值,其備用容量亦相應減少,過載能力也降低。假如配變在過載工況下運行,即極易引發配變發熱,嚴重時甚至會造成配變燒損。
4.配變產生零序電流。配變在三相負載不平衡工況下運行,將產生零序電流,該電流將隨三相負載不平衡的程度而變化,不平衡度越大,則零序電流也越大。運行中的配變若存在零序電流,則其鐵芯中將產生零序磁通。 (高壓側沒有零序電流)這迫使零序磁通只能以油箱壁及鋼構件作為通道通過,而鋼構件的導磁率較低,零序電流通過鋼構件時,即要產生磁滯和渦流損耗,從而使配變的鋼構件局部溫度升高​​發熱。配變的繞組絕緣因過熱而加快老化,導致設備壽命降低。同時,零序電流的存也會增加配變的損耗。
5.影響用電設備的安全運行。配變是根據三相負載平衡運行工況設計的,其每相繞組的電阻、漏抗和激磁阻抗基本一致。當配變在三相負載平衡時運行,其三相電流基本相等,配變內部每相壓降也基本相同,則配變輸出的三相電壓也是平衡的。
假如配變在三相負載不平衡時運行,其各相輸出電流就不相等,其配變內部三相壓降就不相等,這必將導致配變輸出電壓三相不平衡。同時,配變在三相負載不平衡時運行,三相輸出電流不一樣,而中性線就會有電流通過。因而使中性線產生阻抗壓降,從而導致中性點漂移,致使各相相電壓發生變化。負載重的一相電壓降低,而負載輕的一相電壓升高。在電壓不平衡狀況下供電,即容易造成電壓高的一相接帶的用戶用電設備燒壞,而電壓低的一相接帶的用戶用電設備則可能無法使用。所以三相負載不平衡運行時,將嚴重危及用電設備的安全運行。
6.電動機效率降低。配變在三相負載不平衡工況下運行,將引起輸出電壓三相不平衡。由於不平衡電壓存在著正序、負序、零序三個電壓分量,當這種不平衡的電壓輸入電動機後,負序電壓產生旋轉磁場與正序電壓產生的旋轉磁場相反,起到製動作用。但由於正序磁場比負序磁場要強得多,電動機仍按正序磁場方向轉動。而由於負序磁場的製動作用,必將引起電動機輸出功率減少,從而導致電動機效率降低。同時,電動機的溫升和無功損耗,也將隨三相電壓的不平衡度而增大。所以電動機在三相電壓不平衡狀況下運行,是非常不經濟和不安全的。

解決辦法
由不對稱負荷引起的電網三相電壓不平衡可以採取的解決辦法:
1、將不對稱負荷分散接在不同的供電點,以減少集中連接造成不平衡度嚴重超標的問題。
2、使用交叉換相等辦法使不對稱負荷合理分配到各相,盡量使其平衡化。
3、加大負荷接入點的短路容量,如改變網絡或提高供電電壓級別提高系統承受不平衡負荷的能力。
4、裝設平衡裝置。簡要列出以上幾種解決三相電壓或電流不平衡對電網及電能質量危害的技術措施。
具體應該採取哪一種措施更為合理有效,還要根據實際情況,經過技術和經濟比較後確定實施。
在低壓三相四線製的城市居民和農網供電系統中:由於用電戶多為單相負荷或單相和三相負荷混用,並且負荷大小不同和用電時間的不同。所以,電網中三相間的不平衡電流是客觀存在的,並且這種用電不平衡狀況無規律性,也無法事先預知。導致了低壓供電系統三相負載的長期性不平衡。對於三相不平衡電流,電力部門除了盡量合理地分配負荷之外幾乎沒有什麼行之有效的解決辦法。
電網中的不平衡電流會增加線路及變壓器的銅損,還會增加變壓器的鐵損,降低變壓器的出力甚至會影響變壓器的安全運行,最終會造成三相電壓的不平衡。
調整不平衡電流無功補償裝置,有效地解決了這個難題,該裝置具有在補償系統無功的同時調整不平衡有功電流的作用。其理論結果可使三相功率因數均補償至1,三相電流調整至平衡。實際應用表明,可使三相功率因數補償到0.95以上,使不平衡電流調整到變壓器額定電流的10%以內。
根據wangs定理(王氏定理),在相間跨接的電容可以在相間轉移有功電流。調整不平衡電流無功補償裝置就是利用wangs定理來進行設計的,在各相與相之間以及各相與零線之間恰當地接入不同數量的電容器,不但可以使各相都得到良好的補償,而且可以調整不平衡有功電流。

 

<參考資料 1>

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http://pc01.lib.ntust.edu.tw/ETD-db/ETD-search/getfile?URN=etd-0727108-165316&filename=etd-0727108-165316.pdf

<參考資料 2>

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http://electrical.csu.edu.tw/Material/99/N4T/EE4Y/95860/Chapter%207.ppt

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