行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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※ 低壓配電系統的安全設計與電力諧檢討研究 ※
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Impact of Current Harmonic on Distribution Design ※
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in Low Voltage Distribution System ※
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計畫類別：□個別型計畫 R整合型計畫 計畫編號：NSC 89-2213 -E- 011-156 － 執行期間：89年08月01日至90年07月31日
計畫主持人：蕭弘清
執行單位：國立台灣科技大學電機系
中 華 民 國 九十 年 七 月 三十一 日
行政院國家科學委員會
八十九年度電力科技產業學術合作研究計畫研究成果摘要報告 低壓配電系統的安全設計與電力諧檢討研究
Impact of Current Harmonic on Distribution Design in Low Voltage Distribution System
計畫編號：
NSC 89-2213 -E- 011-156 -
執行期限： 89年8月1日至90年7月31日主 持 人：蕭弘清 執行機構：國立台灣科技大學電機系
一、中文摘要
本文旨在探討高諧波負載所產生之諧波電流對配電系 統之影響，利用商用模擬軟體Pspice建立各種低壓系統 之模型，藉以分析變壓器繞組接線方式及負載諧波對系 統線路之影響，並將可能危及配電安全之情況，提出解 決之道。
Abstract: This paper discussed the effects of harmonic current caused by at high harmonic loads in the distribution system. The various low voltage distribution configurations were built, then we analyzed the harmonics effectiveness on the power lines due to different windings connection of distribution transformers and loads by using a commercial simulation software, PSpice. Finally, we proposed some methods to improve the dangerous situat-ions caused by harmonics.
關鍵詞：諧波, 無熔線斷路器, harmonic, NFB.
二、緣由與目的
台灣600 伏特以下的低壓配電系統以三相四線Y 接 地方式為主，在住商混合區之建築物配電設計則以單相 三線V-V接線或Δ接而配合以中間抽頭接地來供電，在 配電安全規章與設計習慣下，電機技師常是以假設負載 不平衡分配並不嚴重而可能將中性線的規格降低來設 計，在傳統電機設備控制設計所產生之電流諧波並不嚴 重時，配電安全也沒有因電流諧波而產生問題。
但近年來由於以閘流體等電力電子變頻方式來控 制電機設備，大至大容量電動機、小至占用電比達電力 負載12%的螢光燈照明燈具安定器，均產生大量的電流 諧波，其中以三倍次諧波(零序電流)[1-2]對配電線路的 安全需特別考量。在三相四線式的配電系統中，會以同 相而同時出現在中性線上，其效果為直接相加，因此當 以電流的基本波做參考基準時，若中性線三倍次諧波的 總電流超過導線安全流時，將會引起火災，然而目前一 些規劃設計案例或設備廠商所販賣的濾波器也只考慮 到如何消除這些諧波[3-5]。但在低壓600伏特以下之用 戶，由於台電對諧波沒有特別要求，且使用之電氣設備 以交換式電源供應器、電腦資訊產品及照明設備為大多 數，往往忽略到諧波對低壓配線安全之影響，且這些設 備負載電流內含有非常高之三次諧波成份，而此三次諧
波量在三相系統的中性線上具有相加性，因此，非線性 負載的大量使用，已引起中性線導體過載的疑慮，所以 為瞭解諧波對配電系統之影響，本計畫利用商用套裝軟 體Pspice建立各種低壓系統之模型，就變壓器連接方式 及負載配置進行模擬 各種假設條件下 電流諧波分佈情 況，以供配電系統維護及設計相關人員參考。
三、變壓器連接方式與電流諧波分佈
一般在進行電力系統諧波計算時，首先是求出系統 等 效 阻 抗 建 立 匯 流 排 阻 抗 向 量 與 注 入 匯 流 排 之 諧 波 源，經演算後即可得到匯流排諧波電壓、諧波增益及流 經各元件之諧波電流；然而卻無法求出中性線電流及負 載不平衡時各相電流諧波分佈情形，其原因在於計算時 已經三相系統等效成單相系統所致，因此需先求出變壓 器、線路及負載三相模型[8-10]。我們先探討當負載電 流諧波含量多大時，將會對用戶配電線路造成影響。
圖1.所示的三相四線式配電系統示意圖，假設三相 之非線性負載均相同，則A相集中性線電流可表示成：
I a
I b
I c I n A
I N
I
BI
AI
Cn
V
CV
AV
BC
B
圖1. 三相四線式配電系統與單相三線配電系統示意
)
sin(
) (
1
0 Ash
h Ash As
A t I I hwt
i = + ∑ ∞ + φ
=
(1)
∑ ∞
−
=
+
=
+ +
=
) 1 2 ( 3
) sin(
3
) ( ) ( ) ( ) (
k n
Nsh Ash
C B A N
hwt I
t i t i t i t i
φ
(2) 由(2)式得知中性線電流值為線電流三倍頻諧波的 三倍。當線電流之三倍頻諧波與基本波的比值很大時，
中性線之電流亦會變大，而經實地測試，一般PVC電線 流過之電流值達到電線本身安全電流值的2.5倍時，會 開始因過熱（約達160°C）而使絕緣外皮熔合、冒煙、
發火，而引起電氣火災。所以在選擇電線時，通常以負
載電流的1.0至1.25倍來選擇。故當負載電流是12安培
時，應選用最少線徑1.6mm導線及選用15（或20）安培 跳脫的無熔線斷路器。而無熔線斷路器一般是在滿載電 流的1.25倍時跳脫，大約在19（25）安培時會跳脫以啟 斷過載電流，但導線則必須等到37.5安培時才會引發電 線走火事故。
假設以導線的安全電流作為滿載條件(100%)，則負 載的電流總諧波失真( THD I )含量應符合﹕
% 230 29 . 2 1 5 .
2
2 − 2 = ≅
I ≤
THD
(3)而三倍次諧波總失真(中性線與相線的規格相同時)
% 6 . 86 3 /
%) 250
3 h ≤ ( =
THD I
(4)或三倍次諧波總失真(中性線為相線的規格之60%時)
% 50 3 /
%) 150
3 h ≤ ( =
THD I
(5)為確切瞭解各種負載所產生之電流諧波對配電系 統之影響，假設負載第三次諧波電流含量為基本波的 33%、50% 及86.6% 及負載不平衡率在 0%~40% 之兩種情 行下，模擬各種變壓器連接方式，電流諧波分佈情況。
( 1 ) 單相三線式
單相三線式供電普遍用於住宅地區，其變壓器低壓 側可同時供兩組110V及一組 220V之低壓電源。利用商 用套裝軟體PSPICE模擬低壓側銜接諧波負載時各相電 流諧波分佈，並觀察中性線是否因高次諧波而過載。
表 1 變壓器參數
額定功率
標么阻抗 高、低壓 側電壓
1 kVA
2.244+j1.12
% 1100/
110~220V 變壓器接
線方式 1Φ3W
10 kVA
1.9+j1.5%
22800/
380~220V
3Φ4W V-V，3Φ4W Y-Y 3Φ4W
△
-△
3 kVA
1.9+j1.9%
380/
190~110V
A
B
a
b n I A
I B
I a
I n
I b
I an
I bn
I ab
圖2單相三線式變壓器模擬電路
由表2可看出，不管負載諧波含量多高，其中性線 電流 I n 都等於 0，因為此時 I an 與 I bn 在中性線是大小 相同且方向相反，彼此可以相互抵消，所以中性線電流 大小可由下式得知：
0 ) (
sin(
) sin(
1 0
1 0
=
+ +
−
+ +
= +
=
∑
∑
∞
=
∞
=
bh h
bnsh bns
ah h
ansh ans
bn an n
wt h I
I
hwt I
I I I I
φ φ
(6)
另當負載不平衡率在0%~40%時，由圖3~5可看 出，不管負載電流諧波含量及不平衡率有多高，中性線 電流都小於相電流，且在各模擬數據中得知中性線電流 隨著不平率增加而提高，其原因在於中性線電流大小不 是由負載諧波含量所決定，而是由兩側負載電流彼此相 消得到(I n =I an －I bn )，所以即使負載分配不平均到完全偏 重於an相，成為單邊單相過載，負載側的保護設備也會
動作，因此住家配電的中性線不會因負載不平衡或諧波 負載造成中性線過載而危及配電安全。
表 2 負載平衡時，單相三線式變壓器電壓及電流各次諧波值
I s1 (A),V s1 (V) 3rd(%)
6.43∠25.7 36.4
5th(%) 7th(%) 9th(%) THD(%) I an (33%)
I an (87%) I an (50%)
I bn (33%)
I bn (87%) I bn (50%)
I A (33%)
I A (87%) I A (50%)
36.4 36.4 36.4 36.4
V an (33%)
V an (87%) V an (50%)
V A B
7.20∠25.3 57.8 32.9 25.6 8.29 71.8 8.95∠-3.7 74.3 37.6 8.6 5.51 83.9
1.30∠25.8 36.1 22.5 20.9 16.1 50 1.45∠25.3 57.3 32.6 25.4 8.22 71.4
1.8∠-3.5 73.9 37.4 8.55 5.48 83.5 107∠-1.6 2.12 1.98 2.49 2.41 4.5 107∠-1.8 3.79 3.22 3.40 1.38 6.18 105∠-1.2 6.15 4.67 1.46 1.14 7.94
1100∠0 0 0 0 0 0
I n ( 33,50,87%) 0 0 0 0 0 0
36.4 36.4 36.4 36.4 36.4 57.8 32.9 25.6 8.29 71.8 74.3 37.6 8.6 5.51 83.9 6.43∠-154
7.20∠-154 8.95∠176
其中(33%)(50%)(87%)分別表示第三次諧波電流(
I s 3
)為基本 波電流(I s 1
)的33%、50%及86.6%0 5 10 15
Ian Ibn In
A
40%
30%
20%
10%
0%
圖3負載(
I 3 m =
33%I 1
)不平衡率在0%~40% 時負載端電流0 5 10 15
Ian Ibn In
A
40
% 30
% 20
% 10
% 0%
圖4負載(
I 3 m =
50%I 1
)不平衡率在0%~40% 時，負載端電流值0 5 10 15 20 Ian
Ibn In
A
40%
30%
20%
10%
0%
圖5負載(
I 3 m =
87 I%1
)不平衡率在0%~40% 時，負載端電流值V 220 380 V b 1
a1
c1
V 110
V V w KV w
T 1 : 3 φ 3 22 . 8 / 3 φ 4 220 ~ 380 V V w V w
T 2 : 3 φ 3 220 / 3 φ 4 110 ~ 190 n 1
1
I
a1
I
b1
I
c1
I
n1 , 1 n
I
c1 , 1 n
I
b1 , 1 n
I
a2 , 2 n
I
a Ib2 n,2I
c2 n,2a2
b 2
c2 A1
B1 C1
1
I
A1
I
C1
I
B1 ,a
I
L1 ,b
I
L1 ,c
I
L1 ,n
I
L2 IA
2
I
C 2I
B2
I
a2
I
b2
I
c2
I
n1 T
2 T
圖6大面積辦公大樓燈力負載供電配置圖 ( 2 ) 三相四線式△ Y接線
目前大面積辦公大樓常採用三相四線式△ Y接 線供應照明及動力所需之電力，其配置如圖6所示。由 圖6大樓動力負載採用 220V/380V供電，而一般小型電 器 設 備 及 燈 具 利 用 自 設 △ Y 接 線 變 壓 器 供 應 110V/190V電源
變 壓 器 2 採 三 相 四 線 △ Y 接 線 供 應 220/110~190V，提供單相插座及燈具負載使用，但由表 10可看出接在此電源下之設備諧波含量非常高，尤以第 三諧波最高，經由模擬數據結果可知：
(A).當負載電流諧波含量為 33%且平衡時，中性線電 流值已接近線電流大小(I a2 =7.07A,I n2 =7.06A)，其所得之 數據值與理論推導值相符合。
(B).因 本 次 模 擬 變壓 Y接線，高壓側線電流 △ 採 器
將不會有三倍頻諧波出現，與所模擬之數據相符 (C).若負載三次諧波含量高於 33 % I 時，其中性線電 1 流將高於線電流，由表3~7所得之數據在負載電流三倍 頻諧波含量為 50%時I n2 =12.54A, I a2 =8.7A ，而在87% 時 I n2 =25.32A, I a2 =14.62A。
當變壓器線電流大於導線安全電流1.25倍時，保護 設備將會動作來保護配電系統安全，但若負載三倍頻諧 波含量愈高，中性線電流會大於線電流，以負載電流三 倍頻諧波含量為50%為例，中性線電流約為線電流1.5 倍，若此時線電流等於導線安全電流且中性線線徑為相 線線徑60% 時，將使導線過載而燒毀。採用此系統供電 之辦公室，是電腦及辦公設備最多的地方，也是造成中 性線過載最常見的場所。而雖然變壓器一次側線電流三 次諧波含量已接近0，但三次諧波電流卻在△側內循 環，將影響變壓器運作。而變壓器 1採三相四線△ Y 接線22.8kV/220~380V供應辦公場所動力負載時，因空
調負載所占比例最高且其諧波含量約在 5%左右，模擬 時可將動力負載當成電感性負載。若動力負載為三相平 衡時，中性線電流等於0，可以不考慮中性線過載問題。
另 當 負 載 不 平 衡 率 在 0%~40%時，從圖 7~9 可看 出，在負載不平衡率不高時，中性線電流可能比平衡時 還低，當負載不平率增高時，中性線電流也會隨之增 加，其原因在於負載不平衡使得各相線電流大小不一 樣，將影響原本中性線電流中非三倍頻諧波電流的含 量，其中以基本波變化最大，造成中性線電流變大。
一般而言，當高諧波負載分配不平均造成過載時，
保護設備將會動作；但中性線過載時，因沒有保護設備 而可能危及配電安全，這是設計時須考慮的地方。
表 3 三相四線△ Y 接線變壓器 a 相電壓及電流各次諧波值
1st(A,V) 3rd(%) 6.51∠88.1 33.78
5th(%) 7th(%) 9th(%) THD(%)
I a2 (33%) 18.77 12.15 17.78 42.47
(A,V)
I a2 (50%) I a2 (87%)
7.07
7.25∠88.9 51.78 23.36 23.19 25.21 66.33 8.70
9.69∠64.6 85.9 62.2 35.9 65.3 113 14.62
V a2 (33%) V a1 (33%) V A B (33%)
109∠59.8 0 0 0 0 0
109.5
218∠30 0 0 0 0 0
218
22800∠30 0 0 0 0 0
22800
表 4 三相四線式△ Y 接線變壓器 n 相電流各次諧波值
1st(A,V) 3rd(%) 5th(%) 7th(%) 9th(%) THD(%) (A,V)
I n2 (33%) I n2 (50%) I n2 (87%)
0 6.60A 0 0 2.50A
7.06
0 11.3A 0 0 5.49A
12.54
0 25A 0 0 4.06A
25.32
I n1 (33%) 0 0 0 0 0 0 0
表 5 三相四線式△ Y 接線變壓器高壓側相電流各次諧波值
1st 3rd(%) 5th(%) 7th(%) 9th(%) THD(%) Σ
I A2 (33%) I A2 (50%) I A2 (87%) I B2 (33%) I B2 (50%) I B2 (87%) I C2 (33%) I C2 (50%) I C2 (87%)
1.86∠39.4 0 33.03 21.38 0 39.34 1.99
1.86∠-80.6 0 33.03 21.38 0 39.34 1.99
2.02∠43.9 0 38.69 38.41 0 54.5 2.3
2.02∠-76.1 0 38.69 38.41 0 54.5 2.3
2.02∠164 0 38.69 38.41 0 54.5
2.3
1.86∠159 0 33.03 21.38 0 39.34 1.99
3.9∠17.6 0 77.83 45 0 89.9
5.24
3.9∠-102 0 77.83 45 0 89.9
5.24
3.9∠137 0 77.83 45 0 89.9
5.24
0 5 10 15
In2 Ian2 Ib2 Ic2 IA2 IB2 IC2
A
40%
30%
20%
10%
0%
圖7負載(
I 3 m =
33%I 1
)不平衡率在0%~40% 時，負載端電流值0 5 10 15 In2
Ian2 Ib2 Ic2 IA2 IB2 IC2
A
40%
30%
20%
10%
0%
圖8負載(
I 3 m =
50%I 1
)不平衡率在0%~40% 時，負載端電流值0 10 20 30
In2 Ian2 Ib2 Ic2 IA2 IB2 IC2
A
40
% 30
% 20
% 10
% 0%
圖9負載(
I 3 m =
87 I%1
)不平衡率0%~40% 時，負載端電流值 ( 3 ) 三相四線式V V接線目前台電提供集合式住宅或小型工廠常採用三相 四線式V V接線供應單相(照明、插座 )及三相 (電梯、
馬達 … )負載所需之電力，其配置如圖 10所示。由圖 10 可得知集合式住宅或小型工廠三相動力負載採用 220V 供電，一般小型電器設備及燈具由其中一變壓器提供 110/220V電源。
B A I
AI
BC I
CV 110 V 220
110V
bn
I
L, anI
L,ab
I
L,a
c b n
a
I
L,b
I
L,c
I
L,I
aI
bI
cI
nV V w KV
w 22 . 8 / 3 4 110 ~ 220 3
3 φ φ
圖10集合式住宅或小型工廠負載供電配置圖
從表8單相三線式模擬結果可看出，採用此接法中 性線電流都小於相、線電流，其原因有二：(A).採三相 四線V-V接供電，因其中一台變壓器為單相三線式，所 以不管接於相線負載諧波含量及不平衡率有多高，中性 線電流都不會超過相電流，所以選擇中性線線徑時可與 相線線徑大小一樣。(B)由於a、b 相需同時提供單相及 三相動力負載，所以線電流 I a 及 I b 會比中性線電流 大，且由於動力負載容量遠大於非線性負載，使得線電 流 THD i 將隨動力負載增加而降低，故選擇線徑可依所 接負載容量大小作決定，而不用考慮諧波影響。
表 8 三相四線式 V V 接線變壓器電壓及電流各次諧波值
1st 3rd(%)
11.65∠-37 0.13
5th(%) 7th(%) 9th(%) THD(%)
I L,a (33%) 0.07 0.04 0.04 0.16
Σ
I L,b (33%) I L,c (33%) I L,an (33%) I L,bn (33%) I a (33%) I b (33%) I c (33%) I n (33%)
V an (33%) V ab (33%) V A B (33%)
I A (33%) I B (33%) I C (33%)
11.65
6.48∠58.6 33.31 17.48 9.94 10.3 40.24 6.98
22.8∠-156 9.35 4.9 2.79 2.89 11.3 22.94
11.7∠-157 0.06 0.03 0.02 0.02 0.08 11.71
6.48∠-12.1 6.98
11.7∠82.6 0.06 0.03 0.02 0.02 0.08 11.71
11.7∠82.6 11.71
19.47∠-6.9 10.91 5.7 3.2 3.3 13.18 19.64
0 0 0 0 0 0
0
8.12 4.26 2.42 2.51 9.81 252m
6.09 3.19 1.81 1.88 7.35 337m
0.03 0.02 0.01 0.01 0.04 197m
108∠29.8 0.23 0.19 0.15 0.19 0.39 108.7
217∠29.8 0.23 0.19 0.15 0.19 0.39 217.3
22.8K∠30 0 0 0 0 0
22.8K
0.06 0.03 0.02 0.02 0.08
33.31 17.48 9.94 10.3 40.24
252m∠9.1 336m∠-135
197m∠92
表 9 三相四線式△-△接線變壓器電壓及電流各次諧波值
1st 3rd(%)
13.1∠58.1 32.8
5th(%) 7th(%) 9th(%) THD(%)
I L,ab (33%) 17.9 10.9 9.8 40.2
Σ
I L,bc (33%) I L,ca (33%) I n (33%) I a (33%) I b (33%) I c (33%) I A (33%) I B (33%) I C (33%)
14.12
0 0 0 0 0 0
0
22.7∠28 23.16
369m∠23 0 10.5 6.44 0 12.3
372m
0 17.95 10.94 0 21
V ab (33%) V A B (33%)
219∠29.4 0 0.4 0.3 0 0.5
219
22.8K∠30 0 0 0 0 0
22.8K
13.1∠-62 32.8 17.9 10.9 9.8 40.2 14.12
13.1∠178 32.8 17.9 10.9 9.8 40.2 14.12
22.7∠-92
23.16 0 17.95 10.94 0 21
22.7∠148
23.16 0 17.95 10.94 0 21
369m∠-97 0 10.5 6.44 0 12.3
372m
369m∠143 0 10.5 6.44 0 12.3
372m
( 4 ) 三相四線式△ △接線
將變壓器接成V V接線所能輸出之功率僅為△
△接額定的57.7% ，故當用電需求增加時，可加設一台 變壓器形成△ △接線。一般三相四線式△ △接線與 V V接一樣可同時供應單相(照明、插座)及三相(電 梯、馬達 … )負載所需之電力，其配置如圖 11所示。由 圖11可知三相動力負載採用220V供電，一般小型電器 設備及燈具則由其中一變壓器提供110/220V電源。
B A I
AI
BC I
CV 110
220 V V 110
bn
I
L,a n
I
L, a bI
L,a
c b n
a
I
L,b
I
L,c
I
L,I
aI
bI
cI
nV
V w KV
w 22 . 8 / 3 4 110 ~ 220 3
3 φ φ
圖11變壓器△ △接線負載配置圖
由表9若將照明燈具接成Δ型且三相平衡時，安定 器電流諧波將在相線內部循環而不會流經線電流中，線 電流將不含三次諧波。如果電子安定器的電流諧波含量 偏高，也不會對於配電安全造成嚴重的威脅。
另 當 負 載 不 平 衡 率 在 0%~40% 時 ， 負 載 線 電 流
I a
、I b
、I c 三次諧波含量遠小於基本波電流，其原因
在於負載所產生之三次諧波電流都在相線內部循環，所
以當負載為非線性時，建議配置成Δ型式，防止因諧波 電流流入配電系統中，造成線路過載或通不過台電諧波 管制標準。
0 10 20 30
IL,ab IL,bc IL,ca Ia Ib Ic
A
40%
30%
20%
10%
0%
圖12負載不平衡率在0%~40% 時，負載端電流值 表 10 不同負載類型的平均諧波電流失真
負載類型
照明
THDi(%) 3rd (%) 5th (%) 7th (%) 9th (%)
電熱 動力 視聽 資訊 儀器
30.97 8.47 10.01 87.38 100.80
64.95
29.37 6.77 6.55 71.56
74.6 51.44
11.75 2.53 3.05 41.76 55.61 30.74
9.28 1.28 1.33 16.88 37.24 16.44
5.77 0.81 0.52 9.29 22.42
9.37
四、配電設計改善
在低壓配電系統中若變壓器採三相四線△ Y接地 方式供電，最容易發生中性線過載，而採用此種接法之 場所一般集中在商業大樓或契約容量超過 100馬力之用 戶，所以需特別注意負載電流諧波含量。表 10為商業大 樓常見之負載種類，依表10所示照明、視聽、資訊及儀 表設備3倍頻諧波含量都很高，若採用三相四線 △ Y 接地方式供電，將引起中性線過載。為防止此事件發 生，配電設計可採用下列方式改善。
( 1 ) 保護設備改善
配線採三相四線△ Y接110/190V供應插座(高諧 波負載 )或三相四線 △ Y接 380/ 220V供 應 電 燈 負 載 時，中性線線徑需與相線 相同，且保護設備改換成4P 無熔線斷路器，以防止諧波造成中線電線走火。
( 2 ) 接線方式變更
將三相四線△ Y接改採△ △接，三倍頻諧波含量 不會流至相線上，不會有中性線過載等問題產生。
而單相三線式接線則中性線電流會小於線電流，若 將三相四線△ Y接線改成單相三線式可防止負載諧波 電流對中性線之影響，但相對的會造成容量及不平衡問 題產生，可經由設計規劃時克服。
當變壓器由△ Y接線改成△
æ接線時，假設
△
æ接線各相所接之非線性負載均相同，其a相與 -a相電流可表示成：
) sin(
) (
1
1 n
n an a
a t I I nwt
i = + ∑ ∞ = + φ
(16)
) ) 180 ( sin(
)
(
0
1 ' '
1 '
n n
an a
a t I I n wt
i = + ∑ ∞ = − + φ
(4)
' ' '
() () )( ) ( ) ( )
(
a b a b c
n t i t i t ic t i t i t i
i = + + + + + =0 (5) 由(12)式當變壓器接成 △
æ接線中性線電流值為 0，
此與單相三線式相同，因其中有二相電流大小相同且方 向相反，彼此相互抵銷，負載電流諧波不會流經中性線。
a 1 b 2 c 1
c 2 b 1
a 2 n
C
B A
圖13 △ æ 接線 ( 3 ) 分路負載計算變更
依前述模擬結果負載電流三倍頻諧波含量為 50%
時中性線電流大小為線電流 1.44倍，而在87%時為1.73 倍，若以分路額定之80%為基準，中性線都將過載。
由表11當幹線容量為 50A時，選用導線為 14mm 2 ， 此時負載諧波為 ( I s 3 = 0 . 33 I s 1 )時，中性線電流與線電 流相同，原則上分路額定擬採現行規定80%為基準，另 負載諧波為( I s 3 = 0 . 5 I s 1 )時分路額定建議選用70％，其 計算如下為(80%*導線安培值/ 中性線電流值 )，所以負 載諧波為( I s 3 = 0 . 8 7 I s 1 )時分路額定建議選用58％。
表 11 分路額定建議值(A)
負載諧波為 (I
3m
=33%I1
) 中性線電流(A)負載諧波為 (I
3m
=50%I1
) 中性線電流(A)負載諧波為 (I
3m
=87%I1
) 中性線電流(A)分路額定80%
時線電流(A) 保護設備(AT) 導線安培值(A) 幹線導線(mm
2
)幹線額定(A) 15
1.6 15 15 12
12 17.28 69.44%
20.76 57.8%
20 2.0 25 20 16
16 23.04
80%
27.68 72.25%
30 8 33 30 24
24 34.56 76.38%
41.52 63.58%
40 14 50 40 32
32 46.08
80%
55.36 72.25%
50 14 50 50 40
40 57.6 69.44%
69.2 57.8%
五、配電設計改善成本比較
( 1 ) 保護設備改善成本比較
目 前 配 電 只 有 少 部 分 採 用 進 口 4P 無 熔 絲 開 關
(ATS ； 自 動 切 換 開 關) ， 與3P 無 熔 絲 開 關 價 差 約 在
1.5~4.5倍之間。表 12為某一正在新建之辦公大樓，將可
能引起中性線過載之回路改用 4P 無熔絲開關 (NFB)當
作保護設備。由表11得知，需變更保護設備之配電盤共
有26只，其所增加之費用為63157元，佔全部開關設備
採購金額的 11.31%；佔電氣系統工程費為 0.576%：而
佔總工程費則為0.15%，其增加之費用對整體而言並不
大，但卻可提高保護中性線免於過載之優點。
表 12 採用 4P NFB 所增加成本比較
改 採4P NFB 所 增 加 費 用 20 AT * 8=19520 30 AT * 10=24400 40 AT * 4=9760 75 AT * 1=2124 100 AT * 2=4248 125 AT * 1=3105
總 開 關 設 備費
電 氣 系 統 設
備 工 程費 總 工 程費
合 計 63157
558463 10958623 42000000
比 例
11.31% 0.576% 0.15%
設 備 容 量 ：860KVA 契 約 容 量 ：163KVA
供 電 方 式 ： 低 壓 三 相 四 線 380/220V
O O O 辦 公 大 樓 新 建 工 程 水 電 工 程
( 2 ) 三相三線△ △接與三相四線△ Y接成本比較
採用三相三線△ △接可使負載設備自成一回路，
將三倍頻諧波含量留置內部循環，但其所增加之成本為 每一分路保護開關需使用2P無熔絲開關，而採 Y接只 需使用1P無熔絲開關，另在相同負載時△接線電流將比 Y接高，選用導線時線徑需較大。此外，因△接線電流 比Y接高，故其電壓降將會較高，需選擇較大之導線。
( 3 ) 單相三線與三相四線成本比較
若將△ Y接變壓器改由3台單相三線式變壓器供 電其比較如表13所示。
表 13 單相三線與三相四線比較表
變 壓 器 規 格 一 次 側 電 流
保 護 設 備 導 線 線 徑
三 相△- Y 接 30kVA 380/
190-110 1台
△- Y 45.5A
3P 50 AT 14mm 2 *3
單 相 三 線 一 次 側Y接
單 相 三 線 10kVA 220/
220-110 3台 45.5A
1P 50 AT*3 14mm 2 *4
單 相 三 線 一 次 側 △接
26.3A
2P 30 AT*3 8mm 2 *6 單 相 三 線 10kVA 220/
220-110 3台
單相變壓器二次側保護開關及導線線徑與三相△ Y 接時相同，不需增加額外費用。當單相變壓器一次側 接於相間時與三相變壓器相差無幾；若接於二線間保 護設備費用較高而導線費用較低。採用單相三線時若 相線與中性點發生短路故障時短路電流會較大，所以 保護設備需購買較大框架容量(AF)。
( 4 ) △
æ
接線與△ Y 接線成本比較△
æ接線可等效成由二台△ Y接變壓器疊代而 成，可降低中性線電流，但△
æ接變壓器需特別訂製，
造價會比成本△ Y接貴。保護△
æ接變壓器需另外設 計保護電路。
綜合以上分析結果以採用△ △， 1 φ 3 W ，△
æ接可消除中性線電流諧波，若以成本及換裝方便性以採 三相四線Y接配合更改保護設備較為可行，且換裝時需 增加的費用也不會很高。
表 13 各種改善方式比較表
可 否 解 決 中 性 線 過 載 問 題
與△- Y接成 本 增 加 項 目
W
1φ3可 否 消 除 中 性 線 諧 波 電 流
△ - △
4P NFB △ - æ
保 護 設 備 保 護 設 備 相 差 不 多 導 線
保 護 設 備 變 壓 器
六、結論
本計畫藉由商用套裝軟體Pspice的模擬與分析，探討 變壓器在各種接線方式下諧波電流之分佈情形與中性 線電流之大小，有系統的探討各種接線方式對中性線電 流之大小之影響。研究結果得知，以變壓器採△ Y接 地方式供電，最易發生中性線過載，因此若要使系統獲 得一個安全無虞的環境，可加大中性線線徑、將高諧波 設備以三相三線△接供電、線路保護設備由3P無熔絲開 關換成4P 無熔絲開關、採用三台單相三線變壓器或將 變壓器接成△
æ等各種方式，來避免中性線過載造成 火災。然而上述方法都將增加建設成本，而以採用以4P 無熔絲開關當作保護設備最為經濟，並可提高線路安 全。
七、參考文獻
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