- 保護協調係指
說明保護繼電器時會經常使用「保護協調」這個字。
保護繼電器是用在電力系統發生事故（故障）時，檢測出故障，同時迅速隔離故障區間，保護其他正常的迴路。而在繼電器檢測、判斷、處理故障異常的過程中，為不讓其他正常迴路產生誤動作，防護功能在相互協調的同時，機器本身亦繼續供電給正常迴路。並且在不損及負載設備、迴路設備與開關路的情況下，調整保護機器的防護等級。這些保護電驛執行作業的過程即稱作保護協調。「保護協調」當中，調協意義會依目的、用途（像輸送電力的纜線保護協調、變換電壓的變壓器保護協調）而有所改變。例如，考量使用者設備中過電流繼電器（OCR）與模殼斷路器（MCCB）的保護協調時，針對保護協調應有的觀念如下所示。
- 保護繼電器與模殼斷路器的保護協調
保護協調就如上述，在故障發生後會迅速隔離故障範圍，確保正常迴路無虞。因此除須思量上述的設備中各機器的協調性之外，也要考慮如下圖所示的保護協調特性選用。並且選擇萬一在故障點
（1）上發生故障後，一定可切斷MCCB-1迴路，不讓故障波及上位的設計與零件。
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至此雖已對「保護協調」做了簡單說明，但如果想要更進一步細分防護內容，將下位裝置納入考量的話，就應該要思考如何防堵故障發生以保護上位裝置不受波及。
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因此由MCCB-5來看MCCB-4屬於上位裝置，而MCCB-3又為其上位裝置。這種上位的防護裝置在設備防護裝置中一般稱為備用裝置。越居上位的裝置越需要更廣泛的迴路防護，斷路特性也會跟著變慢以取得保護協調。
但是考量保護協調時，還有許多其他必須思考的項目。像是選擇從各MCCB角度來看，不會被負載突波電流、短路電流破壞的迴路，或是OCR與變壓器熱特性等的協調。
詳細內容請參閱專業書籍，下列僅記述保護協調的基本事項。
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| 保護協調特性 |
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- 保護協調的基本討論事項
考量保護協調時，必須討論的基本事項如下所示。
- 設備、纜線等的過電流耐受量及過電壓耐受量。
- 變壓器、馬達、電容器等負載設備中產生的突波電流或起動電流。
- 保護繼電器或防護裝置的動作特性。
將以上項目繪至保護協調曲線用紙上後，必須滿足的原則事項如下所示。
- 斷路器的斷路容量，必須大於設置點的短路電流。
- 防護裝置的動作時間，必須短於迴路或機器的受損時間。
- 防護裝置，不會因變壓器的突波電流或馬達的起動電流產生誤動作。
- 搭載於系列機器上的防護裝置彼此被設計成具備「越靠近電源端，時限就被拉得越長」等特性，以盡量避免故障發生。
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- 保護協調曲線的製作
首先，要在保護協調曲線用紙填寫以下內容。
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- 系統圖的填入方式
在協調曲線用紙右上方以單連接線圖填入系統圖。
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- 保護對象
下述內容為主要保護對象。
• 線路 ：纜線
• 負載設備：馬達、變壓器
此些的特性將在個別保護協調中說明。
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- 短路電流的計算
過電流防護的基礎為系統短路電流的計算。
短路電流的計算一般採用的是阻抗百分比法，詳細內容請參閱專業書籍。
此方法是依下列順序處理。
求取阻抗百分比的算式
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| 短路電流計算程序 |
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註.
- 來自電力接收點的電源端％Z 若為短路容量Ps （由電力公司告知）時將如下列所示。％Z=100P/Ps
- 變壓器的阻抗。
主要是由1次電壓與變壓器容量決定。
- 馬達的阻抗。
％Z一般約為20～25％。
高壓馬達發生故障時，短時間內會成為一組發電機，因此需要注意短時間的故障現象。
- 配線的阻抗。
阻抗％一般為電抗部分X電阻部分R。
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- 防護裝置
用於電力接收設備等的防護裝置中，以過電流繼電器為首的各種斷路器、電力熔絲等，防護目的種類多樣。不過如果要顧及「保護協調」，就必須充分討論這些裝置的特性。
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- 過電流繼電器（OCR）
- 上位繼電器與下位繼電器間的協調時間(區段協調)。
- 時限特性。
時間特性曲線（反時限特性、瞬間特性）中，OCR與PF或MCCB等與保護機器間的關係，以及OCR與被保護機器限制曲線間的關係。
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- 電力用熔絲（PF）
- 容許電流時間特性。
下位保護機器或負載裝置的特性與熔線元件的無劣化極限值特性。
- 熔斷特性。
開始熔斷熔線元件的電流及時間特性。
- 斷路特性。
與上位保護機器間的關係。
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- 空氣斷路器（ACB）
用於未滿AC1,000V、低於DC3,000V迴路時的主要特性。
- 長時間跳脫：過載防護5～30s （線圈額定的600％）。
- 短時限跳脫：過載防護0.1～1s （設定刻度的250％）。
- 瞬間跳脫：短路防護。
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- 模殼斷路器（MCCB）
- 低於額定電流5,000A、低於AC600V、低於DC750V。
個別特性由製造商提供。
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- 熱動型繼電器（THR）
- 過載防護特性。
與馬達熱特性間的關係。
- 欠相保護特性。
與欠相導致的電流不平衡間的關係。
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- 短路電流的計算
以阻抗百分比法計算短路電流。圖中系統的阻抗圖如下圖所示，由此圖求得的A母線、B母線上的短路電流，如下所述。
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- 保護協調需要了解事項
思考在協調曲線上填入必要的資料後，各個資料間是否取得了正確的協調。
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| 保護協調曲線 |
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- 纜線的保護協調
決定纜線規格時，不只載流容量，還必須考量短路電流的大小。
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- 系統條件
• 系統電壓 ：6kV
• 額定負載電流：70A
• 線路長度 ：20m
• 種類 ：CV纜線（3芯1條）
• 鋪設條件 ：空中暗渠式
- 纜線的選擇
在保有餘裕的情況下，由「CV纜線的容許電流值表」，選出22mm2的纜線。
由於載流容量可達105A，因此70A相較之下十分寬裕。
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| CV纜線容許電流值表 |
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| 以下將討論在電纜送出端發生3相短路故障時，該短路電流是否超過「CV纜線的短時間耐受量」 |
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如次項所示，此時的短路電流為5770A，在OCR＋CB的防護下，並考量斷路時間為0.2s後繪至表中，即可得知38mm2的纜線可充分耐受短路電流。
取代CB以PF防護時，由於斷路時間會低於0.01s，因此採8mm2的纜線也可進行防護。
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- 短路電流的計算
此計算的條件為
• 系統電壓V ：6kV
• 電源短路容量Ps：60MVA
• 額定負載電流I ：70A
• CV纜線（22mm2）的阻抗Z：0.840Ω/km
• CV纜線（22mm2）的定長20m
因此，將基準容量（P）定為6MVA進而計算阻抗百分比。
將電源端的阻抗皆視為電抗部分，而纜線的阻抗視為電阻部分，
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- 保護協調曲線
保護協調曲線，是將上述求得的所有資料與保護機器的特性繪於協調曲線，用來判斷協調成果好壞。
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- 變壓器的故障原因與保護機器
變壓器的故障原因與其保護機器如下所示。
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- 變壓器的特性
以下將介紹防護上會特別需要的變壓器特性。
變壓器激磁突波電流範例
（換算實際值） |
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| 變壓器的短路強度 |
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| 保護協調的檢查點 |
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- PF的適用
以下將介紹以電力熔絲同時防護單相變壓器、三相變壓器時的適合範例。
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- 實例討論
以保護協調曲線為主進行討論
• OCR ：負責變壓器的過載防護與高壓母線的短路防護，便且要與PF協調。
• PF ：可在變壓器突波電流不會導致劣化的情形下，適切地預防1 次、2 次側的短路故障。
• ACB ：變壓器過載防護用。
• MCCB：MCCB以下的短路防護用。
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| 變壓器的保護協調曲線 |
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- 過電流繼電器的保護協調
用於電力系統的繼電器，必須在全系統中取得保護協調，過電流繼電器也無例外。考量設置於電力接收端的過電流繼電器保護協調時必須確認的項目。
- 使用者內部系統中發生短路及過負載故障時確實動作。（假設故障點，繪製阻抗圖並且計算故障電流）
- 採用 PF・CB型時，PF（限流熔絲）與CB（斷路）的責任及義務分擔恰當。（PF容量與CB斷路容量的選擇等）
- 與位在上位系統中的配電站OCR已取得動作協調。（也必須考量OCR慣性特性及斷路器的全斷路時間）
- 與使用者內的分歧OCR也已取得動作協調。
- 因低壓側故障，電力接收端OCR無法動作之下，與低壓側MCCB （模殼斷路器）已取得動作協調
- OCR的限時要件的動作時間，不超過負載變壓器的熱特性曲線。
- 啟動斷路器後流動的變壓器激磁突波電流，不會讓OCR的瞬間要件動作。
- 發生故障時，變壓器、斷路器、纜線及CT （比流器）等裝置，可充分耐受短路強度和過負載量。
- 留意CT的選擇。（容量、過電流常數等），需確認的有上述等事項。
當中，由OCR的使用面（特別是分接的設定）來看，有著密切關係的事項為（3）～ （7）。
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- 保護協調曲線的製作
將設置於系統的保護機器動作時間特性重複書寫在同一張表上，此即稱為保護協調曲線圖。所有電流值接換算成高壓側的後再行繪製。由於保護協調的目的僅限於故障，因此該OCR必須較上位的OCR還要先動作。所以，電力接收端OCR（主側OCR）於相同故障中，也必須具備比配電站OCR還要短的動作時間。
為此，必須在動作時間設定或動作電流設定上賦予差距，以避免特性曲線重疊。
並且，要注意電力接收端OCR和低壓側故障間的協調與MCCB有關。低壓負載受到多個MCCB分流並受保護，但MCCB架構（電流值）一變大，在動作特性曲線的A部的OCR動作特性就可能發生重疊。此時，無論是否為僅限於低壓側的故障，OCR都會先行動作，形成全面停電，造成故障。為防止此種情況發生，必須分割MCCB架構，或使用具備限時要件部分動作時間特性較強的OCR。變壓器具備由使用壽命規制的熱特性，此特性也能繪製成保護協調曲線。變壓器的過載防護也是電力接收端OCR的重要任務之一，OCR的動作特性必須位於比此熱特性還要下側的地方。此外，也必須考量開啟斷路器時產生、流入變壓器的激磁衝突電流間的協調。下面項目將針對此點進行詳細說明，基本上就是在電力接收端OCR中與瞬間要件的分接設定有關。
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- 突波電流相關事項開啟電力接收端的斷路器後，機內電力設備即會充電，流入暫態性的電流。以下將針對此期間，①變壓器的激磁突波電流、②高壓電容器的充電電流，對電力接收端OCR的動作影響進行討論。
- 變壓器在無激磁的狀態下，於1次側急速施加電壓的話（輸入電壓的話），由於變壓器不會產生反電動勢，因此鐵心的磁通將會暫時飽和。
電抗部分變為零，變壓器的1次側變得和短路後相同，過大電流暫態性流入。第1波的峰值，將會高達額定電流的十數倍至數十倍，尖峰的連接時間為1～2Hz，穩定至額定電流則需耗費2～3秒。此即稱為激磁突波電流。
激磁突波電流的大小與持續時間，無法以一概之，由於①變壓器的種類、②外加電壓、③開啟相位、④鐵心的殘留磁通、⑤變壓器的負載狀況等因素會導致其大幅變化，每當開啟時都會產生不同結果。
在1次電壓突然發生變動時，也會產生同樣的現象。
- 激磁突波電流雖會衰減，但其峰值高，並且，連接時間也相當長，所以斷路器開啟時極可能讓OCR有所動作。因此，描繪決定設定值的保護協調曲線時，務必要考量激磁突波電流。
- 雖說OCR是因激磁突波電流才有所動作，但斷路器開啟時由於無法鎖上OCR，因此在描繪保護協調曲線之際，就要選擇不因激磁突波電流動作、短路故障當下確實動作的設定值（特別是瞬間要件動作電流值）。
以下將論述此方式。
- 將額定電流的10倍電流點訂為0.1秒
過去，曾有一種看法認為，激磁突波電流會繪製變壓器額定電流的10倍電流值與0.1秒的時間點，而且OCR的動作時間特性曲線不會下降。然而，這樣只有一點，無法判斷點前後的情況，況且在變壓器持續小型化的現狀下，瞬間要件的分接值以越變越大。
（由次項的計算來看，不用考慮至安全側）
- 依每項激磁突波電流通過時間的電流值繪製曲線
為選出最適合的瞬間分接值，至少必須知道保護協調曲線上顯示出的激磁突波電流衰減曲線。
下表內容為依不同變壓器容量，計算出時間經過後的電流值。做為計算基準的項目為，變壓器製造商提出的，①第一波峰值（倍數），②衰減時間常數（循環）、③激磁突波電流的實際值－時間曲線等。表中的電流值都足以具體描繪出保護協調曲線。例如油入式的三相變壓器300kVA中，0.01秒時是流入218A、0.05秒時是146A、0.1秒時是119A。因此，就可依此些數值繪製。此系統中如還有單相100kVA的變壓器，就可加算此變壓器部分的電
流，因此0.01秒時就要繪製成218＋272＝490A。
此表中的數值，由於都計算至最大值附近，基於此表透過描繪激磁突波電流曲線，即可防止大部分的OCR動作。
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| 變壓器激磁突波電流（單相）：6,600V |
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| 變壓器激磁突波電流（三相）：6,600V |
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- 高壓電容器的充電電流
系統中設有進相用的電容器時，當斷路器開啟後，暫態性充電電流將會流入。相較於變壓器的激磁突波電流，由於充電電流線路常數的數值都較小，時間常數則是極小，因此馬上就會衰減。所以，OCR瞬間要件的0.02～0.05秒動作時間，已經算是常數狀態，OCR基本上是不會動作。但是，尖峰時由於會攀升至數10倍～100倍，隨著電流的電壓下降（也就是因為電壓），導致CT 2次側的閃絡故障，具備電力熔絲的迴路中即可能發生熔斷或劣化的情形。
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- 保護協調範例
於某一系統範例中，先算出變壓器的激磁突波電流，再藉此求取不動作的OCR瞬間分接。
- 首先，於保護協調表上繪製K2CA型的動作時間特性曲線。由於限時設定為4A，
 則變成100％的電流。
- 接著，從變壓器激磁突波電流的表中，依變壓器容量整理出已計算出的電流值，由於有6兩個變壓器的關係，所以還要將兩邊數值加總。
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- 將與時間相關的電流值繪至表上，拉出曲線。
- 選擇此激磁突波電流曲不會與OCR瞬間要件時間特性交叉的瞬間要件分接，此時即會超過40A。
- 下述保護協調的例子中，試著將10倍額定電流、0.1秒的點以虛線標示，由此標示來看超過50A。
- 也有從高壓電容器充電電流的表中試著繪出電容器的充電電流。
此曲線由於電流值小，因此即使依每項激磁突波電流曲線和時間加總，和僅有激磁突波電流曲線時沒多大差異，從OCR動作的角度來看，可知僅需考量激磁突波電流即可。
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- 選擇CT的相關事項
為能正確使用OCR，必須多加留意偵測故障電流的CT。必須完善設定OCR用CT，在故障時讓OCR正確動作，不讓誤動作、誤不動作的情況發生。因此，常數狀態下的誤差並不成問題，問題反倒多出在CT過電流領域的特性。當超過額定電流的大量電流流入容量（VA）不足的CT時，會導致CT磁性飽和，流入OCR的電流即不會依 CT 1次電流等比增加，其結果將造成瞬間要件動作值的誤差增多。此外，在CT 2次電流跳脫方式中，OCR動作，跳脫線圈增加CT的負擔後，CT飽和程度又變得更高，電流實際值減少，此將可能導致OCR即使動作中也不會跳脫。因此，選擇CT容量或過電流常數時必須慎重考量。
決定CT容量的粗略基準如下：
請參考下此算式。
此外，CT 2次電流跳脫方式的OCR中，若CT過大，或2次負擔極少的話，將會導致OCR的跳脫接點開放大量的故障電流，此可能損及接點。（參閱K2CA型的相關內容）
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EPSC_PS_TG_TW_2_2
Taiwan
OMRON 價值TOP
保護協調與保護繼電器 
