电源的省思之一
从九二一大地震谈起
陈运双
编按：本刊资深主笔陈运双先生是台电总工程师，亦是音响实作派的技术高手，相信许多读者都还记得十多年前「陈式真空管前级」的旋风。138期彻底研究「电源处理器」一文刊出后，陈先生曾经来电与编辑部讨论内容，我们就借机会请陈先生供稿，希望他能够就电源、变压器与是受电源处理器的相关话题，进行完整性的深入探讨。虽说这些话题涉及的范围很广，篇幅所限必须分期刊登，但读者也可以有更多的时间细细消化，深入了解这些难得一见的专业知识理论。
345kV超高压输店电塔
台湾电力公司电力系统流程图
台电电力网络结构简图
架空输电线路系统
去年7月29日及9月21日，二个月不到就发生两次灾变，引起大停电及限电措施，让社会大众体会到「电」的重要性，我们生活及工作中已不能缺少它。七二九停电，经台电紧急抢修22个小时内就复电；九二一停电，虽然台电动员更多的人力紧急抢修，但由于系统损坏严重及种种原因，到10月10日全省才恢复正常供电。本文藉这二次大停电及限电现象提出说明，让各位知悉目前台湾电力系统的隐忧；接着简介台湾地区输变电系统网络结构。输变电系统属较专业性的知识，一般民众比较陌生不易了解，故文内再附上架空线路实体图对照解说，以利读者能快速进入状况。无效电力与有效电力则是更难理解的原理，连专业人员都感到头痛无法确切的掌控，可是它确实存在于日常用电环境中，且对电源的品质又是那么重要，而过去有关讨论电源的文章却很少提及，所以本文将多利用一些篇幅予以解说。
看完本文后，您将了解台电如何调度及控制电力系统，使电源维持在一定的品质。惟，由于无效电力的侦测与调整比较复杂，且传输特性较差，仅于变电所执行调整，对无效电力之补偿恐力有未逮，故本文将以DIY的方式教您如何在自己家里进行功率因子补偿。此装置亦兼具滤波的效果，可吸收相当程度的电源谐波及一般干扰杂波，花费不大却可以获得极大的效益，绝对胜过您花高价去购买各种电源处理器或发烧电源线。笔者在草拟本文期间为慎重起见，已经完成初步的实验测试，效果相当令人满意，有兴趣的读者请继续往下看，一定有意想不到的收获哦！
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由二次大停电了解现有电力系统的弱点
七二九停电系南电北送，输电线路近满载之情况下，中寮山线与龙崎至嘉民海线共架之第326号输电铁塔，因连日豪雨塔基地层滑动（走山）而倒塌，致相关电力设备跳脱、解联之故。九二一大地震线路受损情形比七二九严重得多，范围亦大，因为中部输变电系统严重受损，南电无法北送，而北部由于长期电源不足，以致造成轮流分区限电的现象。限电措施原订民生用电以每二小时一轮，但遭产业界反对而改为四小时，但许多工厂为了赶着出货，改成晚上开工，导致电力依然不够，不得已晚上民生用电也跟着限了。
九二一大地震将平时担任系统频率调整的大甲溪、浊水溪水力电厂的联外输电线路全部摧毁，中部地区南北超高压及161KV输电线亦被震垮，使各系统间之电力无法相互融通，因此硬生生将系统分裂成北、中、南三大系统，除南部系统电力充足稳定运转外，受余震影响的北部、中部系统则陷入断电困境。各系统均缺乏水力机组调节频率，在台湾电业史上可谓空前。幸赖台电群策群力以手动控制，应付北中南系统独立运转及缺乏水力机组调节频率之难题，勉力维持系统运转不坠。
近十年来，区域发电与负载严重不平衡，北部地区因人口密集，负载高达整个电力系统的45％，而发电量仅26％，区域供电严重不平衡增加电力调度的困难度，并影响到供电品质。为因应北部地区负载成长之需，台电早于民国68年及69年即分别推动苏澳火力及核四发电计划，无奈因遭到地方诸多抗争阻碍，例如：线下居民质疑电磁场对人体健康有影响及线下地价滑落影响地方发展为由，强力抗争、阻挠施工或强迫停工，以致让苏澳火力发电计划取消、核四兴建延宕，造成目前北部地区达四百多万千瓦电力不足。第三回路超高压输电线原订于民国82年完成，但因路权取得及地方抗争等因素，至今仍未能如愿，才会在碰到这么大事故时，产生了大停电事件。假如台电相关发电计划能如期完成，并协助北部地区民营发电顺利兴建完成，预期民国94年以后，北部地区电力才可达到供需平衡，届时北部地区将享有更好的供电品质。
电力输送比自来水、石油、天然气、道路运输更复杂
输变电系统输送电力在型式上来讲，颇有类似于输水管送水、输油管送油、输气管送气和道路运输车辆，但在传输特性上，输电是其中最复杂的，也最难为一般大众所了解。交流电既不能储存又要时刻维持电力供需的平衡，一条输电线所能输送的电量，不能仅由本身线路容量为唯一考量因素，而是要藉整体电力系统结构特性分析后才能决定。电力输送必需时刻保持发电端与客户端的能量平衡，这种能量平衡在交流系统中又区分为「有效电力平衡」与「无效电力平衡」二种，若在某些事故下，电力输送无法保持能量平衡，且又超过电网的忍受程度或时间后，则电网将发生不稳定现象。电力系统领域非常广泛与丰富，从发电、变电、输电至配电，每一个环节都与电力供应的品质有关，惟有对输变电系统作全盘了解，才能更有效掌控电源品质。
台电系统网络结构
为使读者对台电输电系统有更具体的了解，请参考「台电系统网络结构」（图1）及「架空输电线路系统图」（图2）。大型发电厂（如核能电厂、火力电厂和水力电厂）发电机所发出来的电力，经开关场升压到34万5千伏特、16万1千伏特或6万9千伏特后，直接送到345KV输电线、161KV输电线或69KV输电线。345KV输电线由北到南贯穿全台湾（相当于国道高速公路），形成超高压输电网络；透过超高压变电所，将电压降低161KV（相当于省道），各161KV线路也连接成网络，称为「一次系统」，担负部份输电责任并作为超高压系统的后备网络；透过一次变电所再将电压降至69KV（相当于县道）供给大用户，或22KV（相当于乡镇市内道路）接至一般用户馈线，称为「二次系统」；69KV线路透过二次变电所降至11KV，由11KV馈线再经过杆上变压器降至220－110伏特接到一般用户。
台湾是一个小岛，电力系统为单独供电系统（欧美地区幅员广大，国与国之间或州与州之间电力可以相连互相支持，使电力能量之平衡达到最佳化）整个电网的电力容量不是很大，所以对频率与电压之反应特别灵敏，亦即当负载变化时，其频率、电压亦随大量变化。台湾工业用电比率高约65％，致负载曲线起伏变化大，影响频率及电压之稳定。目前台电系统中，北、中、南部都有大型电厂，但北部用电需求远大于其它地区，且常无法完全由北部电厂供给，因此不足电力须从其它地区支持，而形成南电北送的情况；这种情况除了增加输电损失外，大量的潮流也易引起低频振荡的现象。
无效电力与有效电力
电力系统之负载中同时存在着「有效电力」及「无效电力」。无效电力的输送需要较高电压，且增加输电线路的电力损失及增加线路电流（总电流＝有效电流＋无效电流），当无效电力的量过多时，功率因子就低，用电费用会跟着增加。电气的负载种类可以极端的分为电阻性、电感性与电容性，实际大部份的负载是由电阻性的有效电力与电感性的无效电力混合而成。电感的负载包括：输电线路、变压器及电动机等，这些电感性的负载会消耗无效电力，导致电流相位滞后，当无效电力需求增加时，受电端电压会降低，反之，则电压升高。
大部份负载不仅消耗有效功率，也需要无效功率，因此二者都要由电力公司提供。一般电力公司都利用「自动发电控制」来调度有效电力，以维持频率的稳定。当发电机和负载平衡时，频率就固定不变；当负载增加时，频率便下降。「自动发电控制」依下降幅度算出所需增加的发电量，并依各机组特性及经济原则，指令各机组增加发电，发电增加后整个系统频率亦随着升高；因全系统的频率均相同，所以控制发电机的有效功率即可维持整个电力系统的正常频率。因为水力发电机组对于输出变化的控制信号反应较快，故用以担任系统频率调整的效果最佳。对于电压和无效电力的控制，我们无法仅控制发电机的无效电力，来维持整个网络系统各总线的电压于合理范围内。无效电力比有效电力更难控制的原因可归纳如下：
一、 无效电力较有效电力更具非线性，因此一般的灵敏度分析法，用在无效电力控制上较困难。
二、 无效电力之传输性较差，因此无效电力控制装置须分布于全系统。
三、 电压大幅偏高所能容忍之时间要求极短，且系统加入更多的电压及无效电力控制装置后，使模型化处理及计算机分析度变得更困难。
无效电力和电压的控制方法
并联电容器提高功因
电力系统在尖峰负载时，不仅有效电力需求大，同时无效电力需求也增大，以致系统电压下降；反之在系统轻载时，有效及无效电力需求均减小，而使系统电压升高。欲保持电压稳定，就必须做好无效电力和电压的综合控制。一般情况下，各发电厂及变电所之控制方式如下：
一、 发电厂：发电厂之机组通常是利用自动电压调整器改变发电机的激磁电流，以维持稳定的电压。当发电机发生的电压高于参考电压时，即减少激磁电流，而使无效电力输出降低；反之，当发生的电压低于参考电压时，即自动增加激磁电流，以提高无效电力输出。改变激能目的仅是为了控制无效电力，并不影响有效电力的输出。
二、 变压器：变压器主要的功能是在不同电压等级间传输电能，一般变压器都有分接头以供改变匝数比，进而改变二次侧电压。有些变压器在有载时亦可切换改变二次侧电压者，称为有载分接头切换器（OLTC，On-Load Tap Changer）。电力系统电压会随着负载高低而变动，白天负载升高时电压下降，晚上负载降低后电压会升高，为了维持负载端电压稳定，理论上我们可以藉由无效电力控制达成，但并不经济，因此实际上需要OLTC配合调整电压，其变压比调整范围约在10％内。OLTC可手动操作、遥控操作或由自动电压调整器（AVR）控制，AVR可依设定电压自动调整OLTC维持二次侧电压稳定。
三、 电容器：电力系统的负载大多是电感性的，会吸收无效电力，使得负载电流之相位落后于电压，是为落后功因。相角差愈大，无效电力亦愈大，要供给固定的有效功率，势必提高电流而增加线路损失，殊不经济，故需装设并联电容器供给无效电力Qc，以减小相角差。如＜图3＞所示，Qo减为Q，则提高功率因子，减少系统传输的无效功率，降低线路损失。并联电容器可视各地负载之轻重分设于系统中，由于成本低廉，操作维护方便，故成改善系统功因及调整总线电压之最有效装置。目前静态电容器（SC）大部分装设于一、二次变电所中，每所约装设2－3组电容器，每组之容量为21.6MVAR或43.2MVAR（注：M的单位为百万）。各一次变电所设有SC者，可配合无效电力情况使用。当受电侧无效电力达到一组SC额定之80％时，即可投入一组SC；反之，负载减轻时，无效电力降至零，即可将SC切离。各二次变电所设有SC者通常并入系统，但如电压过高，OLTC已调整至最低电压极限，且所属一次变电所调整无效时，才由调度员指令停用。
四、 电抗器：并联电抗器的作用和电容器相反，会吸收无效电力，用来抑制系统异常电压，如深夜或假日轻载时，超高压输电线的充电容量甚大，需用电抗器来抵消输电线之进相无效电力，以防止电压上升太高。电抗器都安装在超高压变压器之三次侧，其容量约为40MVAR。超高压变电所由中央调度员指令调整各主变压器有载分接头，使各161KV侧总线的电压在161KV±5％范围内运转。目前超高压变电所还装设并联电抗器，但没有并联电容器。电抗器装设在变压器之三次侧，用来抑制超高压系统受电端之异常高压，例如系统轻载时，输电线路充电电流大，使系统电压升高，则须投入电抗器。
电容器改善功率因子的效益
cosθ为功率因子
电力系统交流电力的传输分为二大部份，其一是以KW表示的有效功率，另一则是以KVAR表示的无效功率，二者向量和，就是通称的「视在功率」（负载容）以KVA表示。KW与KVAR向量二者相差90度角，以直角三角形表示时，斜边是视在功率（负载容量），二垂直股各是有效功率及无效功率（如图4所示）。供给电感性或称落后KVAR负载（诸如感应电动机、变压器或其它磁场电路）所需要的电流，其向量落后线路电压90度角。相反的，电容器的电容性领先KVAR负载电流，其向量则领先电压90度角，因为电容性电流方向恰与电感性负载的电流方向相反，因此电容性KVAR在线路上的无效功率与电感性KVAR（相等的部份）互相抵消。
功率因子（Power Factor）＝cosθ＝KW／KVA
有效功率（KW）＝KVA╳cosθ
注：θ＝电压与电流间的夹角
KW＝有效功率（Kilowatt）
KVAR＝无效功率（Kilovar）
KVA＝视在功率（负载容量）
在配电系统里，我们几乎都使用电力电容量来供给负载所需之无效电力以改善功率因子，其效益如下：
一、 节省电费：功率因子与计算电费有关，通常电力公司规定，用户的负载功率因子低于标准（综合功率因子80％作基准）时要加收电费；反之，如功率因子低于标准时，电费则打折扣，此项计费办法注明在每月电费通知单之功率调整费栏中。（注：以上指的是三相动力用电，通常用户另装有KVAR电表，可以计测无效功率）
二、 减少电力损失：一般工厂动力配线依据负载因素、电缆大小、长度而不同，其电力损失约2％－3％，当提高功率因子后，总电流降低，可减少供电端至用电端的电力损失。
三、 改善供电品质：提高功率因子可减少负载总电流及电压降。于变压器的二次侧装设电容器，可以改善功率因子，提高二次侧电压。
四、 增长设备之寿命：改善功率因子后线路总电流减少，使已达饱和之变压器、开关等机器设备和线路容量负荷降低，因此可降低温升，增加使用寿命。（注：温升每降低10℃，寿命可增长一倍）
